3. Physikschulaufgabe

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1 Thema: Optik Lichtausbreitung, Licht und Schatten, Abbildung durch Linsen 1. Skizziere die drei möglichen Verlaufsformen von Lichtbündeln und benenne sie. 2. Gib zwei grundlegende Eigenschaften des Lichts an. 3. Welche prinzipiellen Bedingungen müssen vorliegen, damit wir einen Gegenstand sehen können? 4. Was sind selbstleuchtende und was nicht selbstleuchtende Körper? 5. Nenne drei verschiedene selbstleuchtende Körper. 6. a) Wie nennt man den Schattenraum, in den kein Licht gelangt? b) Wie nennt man bei zwei punktförmigen Lichtquellen den Schattenraum, in den das Licht von nur einer der beiden Lichtquellen gelangt? 7. Zwischen dem Schirm und einer Lichtquelle befindet sich eine lichtundurchlässige Steinplatte entsprechend der nebenstehenden Skizze. a) Zeichne die Anordnung im Maßstab 1 : 1. Wie groß ist der Schatten auf dem Schirm? b) Wie ändert sich die Größe des Schattenbildes, wenn die Lichtquelle von der Steinplatte weggeschoben wird? 8. Erläutere mit Hilfe einer Zeichnung die totale Sonnenfinsternis. Erkläre den Unterschied zwischen der totalen und der partiellen Sonnenfinsternis. 9. Wie verhalten sich die Hauptstrahlen der Lichtquelle beim Durchgang durch eine Sammellinse? 10. Sammellinsen: Was sind bzw. wann entstehen a) reelle Bilder? b) virtuelle Bilder? 11. a) Was versteht man beim menschlichen Auge unter akkommodieren? b) Was ist die Ursache von Kurzsichtigkeit? c) Mit welchem Linsentyp für eine Brille kann Kurzsichtigkeit korrigiert werden? RP_A0170 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0170) 1 (2)

2 12. Konstruiere das Bild B des gegebenen Pfeils G mit Hilfe der drei Hauptstrahlen. Ergänze und beschrifte deine Zeichnung vollständig. Arbeite sauber und genau! 13. Was versteht man unter Brennpunkt, was unter Brennweite einer Sammellinse? RP_A0170 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0170) 2 (2)

3 Thema: Optik Lichtausbreitung, Licht und Schatten, Abbildung durch Linsen 1. Warum können wir Gegenstände sehen, auch wenn sie selbst kein Licht aussenden? 2. Welche der unten genannten Körper sind Lichtquellen, welche sind keine Lichtquellen? 1 Sonne 6 Fahrradrückstrahler 2 Mond 7 Brennende Kerze 3 Kometen 8 Autoscheinwerfer 4 Sterne 9 LCD-Uhr 5 Mars 10 Katzenauge Lichtquellen Nr.: keine Lichtquellen Nr.: 3. Welche Art von Lichtbündel erzeugen punktförmige Lichtquellen? 4. Von welcher Lichtquelle erhalten wir (nahezu) Parallellicht? Gib den Grund dafür an. 5. Das Licht einer Taschenlampe zeigt nebenstehenden Verlauf. Kreuze die Ursache an: Die Batterien sind sehr schwach. Das Licht wird durch ein Magnetfeld abgelenkt. Das Licht hat sehr starken Gegenwind. Das Licht verläuft nur geradlinig, die Zeichnung ist unmöglich. 6. Zwei punktförmigen Lichtquellen L beleuchten einen undurchsichtigen Körper. Konstruiere mit Hilfe von Randstrahlen die Schattenbereiche. Beschrifte deine Zeichnung. RP_A0171 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0171) 1 (2)

4 7. Unter welchen Bedingungen kann eine totale Mondfinsternis beobachtet werden? Fertige eine Skizze an aus der die Stellung von Sonne, Mond und Erde hervorgeht. Die Schattenzonen und Randstrahlen müssen erkennbar sein. 8. Nachfolgend sind mehrere Linsenformen im Schnitt dargestellt. a) Welche Linsentypen wirken als Sammellinsen, welche als Zerstreuungslinsen? Sammellinsen Nr.: Zerstreuungslinsen Nr.: b) Weise jeder Linsenform den richtigen Begriff zu: plankonvex, plankonkav, bikonvex, bikonkav, konkavkonvex, konvexkonkav 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: 9. Wie heißen die drei Hauptstrahlen im Zusammenhang mit der optischen Abbildung durch Linsen? 10. Konstruiere das Bild des Gegenstandes (Pfeil). Die Brennweite der symmetrischen Sammellinse ist 3,0 cm. Benenne die verwendeten Strahlen. RP_A0171 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0171) 2 (2)

5 Thema: Optik Lichtausbreitung, Licht und Schatten, Abbildung durch Linsen 1. Beschreibe, was man sich in der Optik (modellhaft) unter einem Lichtstrahl vorstellt. 2. Beschreibe kurz die drei verschiedenen Formen von Lichtbündeln und skizziere sie mit Hilfe von Randstrahlen. 3. Wodurch werden in unserer Modellvorstellung Lichtbündel begrenzt? 4. Was versteht man unter folgenden Begriffen: Lichtemission? Lichtabsorption? Lichtreflexion? 5. Wie und mit welcher Geschwindigkeit (in Vakuum bzw. in Luft) breitet sich das Licht aus? 6. Benenne jeweils zwei warme und zwei kalte Lichtquellen. 7. Wo auf dem Schirm entstehen Halbschatten, Kernschatten, kein Schatten? Konstruiere mit Hilfe von Randstrahlen und beschrifte deine Zeichnung. 8. Mit welchen Linsenarten kann man ein Parallellichtbündel konvergent machen? RP_A0172 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0172) 1 (2)

6 9. Benenne die folgenden Linsen genau. 10. Eine Lampe befindet sich im Brennpunkt vor einer konvexen Linse. Sie sendet ein divergentes Lichtbündel aus. Wie verläuft das Lichtbündel nach der Linse? Fertige eine Skizze an. 11. Vor einer dünnen Sammellinse steht im Abstand von 3,0 cm ein 1,5 cm hoher Gegenstand (Pfeil). Brennweite der Linse: f 5,0cm. Konstruiere das Bild des Gegenstands und beschrifte B und G. Handelt es sich beim Bild des Pfeils um ein reelles oder um ein virtuelles Bild? Kurze Begründung! 12. Benenne vier Unterschiede zwischen Konvex- und Konkavlinsen. Konvexlinsen Konkavlinsen Linsentyp Bauform Verlauf der Lichtstrahlen Brennpunkte 13. Was versteht man unter dem Sehwinkel? Beantworte mit Hilfe einer Skizze. RP_A0172 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0172) 2 (2)

7 Thema: Optik Lichtausbreitung, Licht und Schatten, Abbildung durch Linsen 1. Wodurch können Lichtquellen Licht aussenden? 2. Wie weit ist die Erde von der Sonne entfernt, wenn ihr Licht zu uns 500 Sekunden lang unterwegs ist? 3. Was kannst du über die Geschwindigkeit des Lichts in den Medien (I) Luft, (II) Glas aussagen? 4. Wie entstehen Kernschatten, wie Halbschatten? 5. Welche beiden Eigenschaften muss ein Körper aufweisen, damit sich ein Schatten bilden kann. 6. Konstruiere den Schatten der entsteht, wenn nachts ein Baum mit einer Taschenlampe angestrahlt wird. 7. Lara, Lena und Emma gehen abends am Kirchberg in Helmbrechts spazieren. Dort steht ein runder Turm, der von zwei Scheinwerfern S angestrahlt wird. Ergänze in der folgenden Zeichnung die Schattenbereiche, benenne sie und gib an, wer von den drei Personen am stärksten und wer am schwächsten beleuchtet wird. RP_A0173 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0173) 1 (2)

8 8. Um welche Ereignisse handelt es sich bei Bild 1 und Bild 2? Ereignis: Ereignis: 9. Wie werden die Hauptstrahlen einer Lichtquelle beim Durchgang durch eine Sammellinse abgelenkt? 10. Welche Einschränkungen müssen gemacht werden, damit der Strahlenverlauf in Aufgabe 9 gilt? 11. Gesucht ist die Brennweite einer Sammellinse für folgenden Fall: Der Gegenstand ist 6,0 cm von der Hauptebene der Linse entfernt; Der Gegenstand und das Bild sind gleich groß. 12. Im Abstand von 8,5 cm vor einer dünnen Konvexlinse mit f 3,0cm befindet sich ein 2,5 cm hoher beleuchteter Gegenstand (Pfeil). Konstruiere das Bild des Gegenstands sofern es existiert. RP_A0173 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0173) 2 (2)

9 Thema: Optik Lichtausbreitung, Licht und Schatten, Abbildung durch Linsen, Auge des Menschen 1. Wovon ist die Lichtgeschwindigkeit abhängig? 2. Der Mond ist von der Erde im Mittel km entfernt. Wie lange benötigt das Licht für diese Strecke? 3. Die beiden punktförmigen Lichtquellen L1 und L2 leuchten eine undurchsichtige Platte an. Dabei entstehen auf einem Schirm die unten skizzierten Schattenzonen. Bestimme zeichnerisch (durch Eintragen der Randstrahlen) die Lage der Platte. 4.0 Abbildung an Sammellinsen: 4.1 Wann entstehen virtuelle Bilder und wann entstehen gar keine Bilder? 4.2 Wo muss ein Gegenstand stehen, damit das Bild genauso groß wie der Gegenstand wird? 5. Kreuze richtig an. Die Augen des Menschen sind: Lichtquellen Lichtempfänger Lichtquellen und Lichtempfänger in einem RP_A0174 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0174) 1 (3)

10 6.1 Skizziere vereinfacht den Strahlengang im Auge bei einem Menschen, der weitsichtig ist. Erkläre kurz! 6.2 Mit welchem Linsentyp (Brille) könnte man den Fehler korrigieren? 7.1 Gib die Formel und die Einheit für den Brechwert einer Linse (Brille) an. 7.2 Welche Brennweite besitzt die Linse einer Brille mit 2,5 dpt? Um welchen Linsentyp handelt es sich dabei? 8. Wodurch wird der Sehwinkel verändert? Worauf hat der Sehwinkel seinerseits Einfluss? 9. Was bedeutet beim Auge akkommodieren? 10. Wie korrigiert man mit Hilfe einer Brille die Alters- bzw. Weitsichtigkeit und wie die Kurzsichtigkeit? 11. Was versteht man unter der Augenkrankheit grauer Star? Wie kann man diese Krankheit behandeln? Welche Einschränkung ist nach der Behandlung vorhanden? 12. Abbildung eines Gegenstandes G durch eine Linse der Brennweite f. Bestimme durch Konstruktion die fehlenden Stücke in folgender Tabelle. Miss diese Längen in deiner Zeichnung ab und trage sie in die Tabelle ein. Linsentyp f G g B b das Bild ist a) Sammellinse 2,5 cm 1,0 cm 2,0 cm reell b) Zerstreuungslinse - 4,5 cm 1,0 cm 2,0 cm virtuell c) Sammellinse 3,0 cm 1,0 cm 1,5 cm virtuell a) RP_A0174 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0174) 2 (3)

11 b) c) RP_A0174 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0174) 3 (3)

12 Thema: Optik Licht und Schatten, Abbildung durch Linsen, Fernrohr 1. Ein Stall und ein Silo werden von zwei Leuchten angestrahlt. Kennzeichne (mit Beschriftung und Farbe) die Stellen an der Stallwand, die am hellsten und die Stellen, die am dunkelsten sind. 2. Beantworte jede Frage mit wahr (W) oder falsch (F). Konvexlinsen sind Sammellinsen Zerstreuungslinsen sind in der Mitte dicker als am Rand Sammellinsen haben einen realen Brennpunkt Zerstreuungslinsen haben einen scheinbaren Brennpunkt Auftreffendes paralleles Licht sammelt sich nach dem Durchgang durch eine Bikonkavlinse in einem Punkt Sammellinsen sind am Rand dünner als in der Mitte 3. Unter welcher Bedingung erhält man bei der Abbildung durch eine Sammellinse ein virtuelles Bild? Nenne dazu ein Beispiel aus dem Alltag. 4. Ein Gegenstand G wird durch die symmetrische Sammellinse auf das Bild B abgebildet. Konstruiere die Brennpunkte der Linse. Trage b, f und g ein. RP_A0175 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0175) 1 (2)

13 5. Nachfolgende Tabelle bezieht sich auf eine dünne Sammellinse (Konvexlinse) und gibt die Zusammenhänge zwischen Gegenstands, Bild- und Brennweite sowie Bildgröße und Gegenstandsgröße an (siehe auch folgende Skizze). Ergänze die fehlenden Angaben in den leeren Feldern der Tabelle. Trage in die Zeichnung die Brennpunkte F, 2F, sowie die Bilder B1, B2 und B3 ein. Nr. Gegenstandsweite g Bildweite b Bildgröße B Art und Orientierung des Bildes 1 g > 2f reell, seitenvertauscht, umgekehrt 2 g = 2f 3 2f >g > f b > 2f B > G 4 1) virtuell 5 g = f ) Bild liegt auf der Gegenstandsseite 6. Zwei maßlich identische Linsen haben unterschiedliche Brennweiten. Woran kann dies liegen? Welche der beiden Linsen hat die kleinere Brennweite? 7. Nenne die wichtigsten Bauteile eines astronomischen Fernrohrs (nach Kepler) und gib jeweils ihre Funktion an. 8. Welchen Vorteil hat ein Fernrohr, wenn der Durchmesser seines Objektivs sehr groß ist. 9. Das Objektiv eines astronomischen Fernrohrs hat eine Brennweite von 2,0 m, die Brennweite des Okulars beträgt 25 mm. a) Welche Mindestlänge hat dieses Fernrohr (Abstand der beiden Linsen)? b) Welche Vergrößerung besitzt dieses Fernrohr? 10. Warum kann man mit einer Lupe Gegenstände vergrößert sehen? RP_A0175 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0175) 2 (2)

14 Thema: Optik Licht und Schatten, Abbildung durch Linsen, Fernrohr 1. Mit einem Versuchsaufbau sollen Kern- und Halbschatten erzeugt werden. Die Lichtquellen sind als punktförmig anzunehmen. a) Konstruiere das Schattenbild und kennzeichne genau die Schattenbereiche. b) Beschreibe den Unterschied zwischen Kern- und Halbschatten. 2. Ein 1,0 cm hoher Gegenstand G steht 2,5 cm vor einer Sammellinse deren Brennweite 4,0 cm. ist. Konstruiere das Bild von G mit Hilfe von Parallelstrahl, Mittelpunktstrahl und Brennpunktstrahl. Gib die Bildweite b sowie die Bildgröße B durch messen der entsprechenden Längen an. Bildweite: b Bildgröße: B Kreuze die richtige Antwort zu obiger Abbildung an. O Das Bild ist reell O Das Bild ist virtuell RP_A0176 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0176) 1 (2)

15 3. Wovon ist es abhängig, wie groß uns ein Gegenstand erscheint, den wir sehen? 4. Wo entsteht beim Auge das Bild? 5. Wodurch wird beim Auge die einfallende Lichtmenge begrenzt? 6.0 Max sieht Gegenstände die vor ihm liegen nur unscharf. 6.1 Unter welcher Fehlsichtigkeit leidet Max? 6.2 Mit welchem Linsentyp für eine Brille kann seine Fehlsichtigkeit korrigiert werden? 6.3 Welche Ursache könnte die Fehlsichtigkeit haben? 7.0 Ein achsenparalleles Lichtbündel trifft auf eine symmetrische Linse. Ihre Brennweite ist f 3,5cm. 7.1 Um welche Art von Linse handelt es sich in diesem Fall? 7.2 Skizziere eine entsprechende Linse mit ihren Brennpunkten. Zeichne den Verlauf des Lichtbündels vor und hinter der Linse. Für die Zeichnung soll das parallele Lichtbündel 3 cm breit sein und symmetrisch zur optischen Achse liegen. 8. Welche Arten von Linsen werden in einem astronomischen Fernrohr verwendet. Gib auch ihre Hauptmerkmale an. 9. In einem keplerschen Fernrohr sind ein Objektiv mit f Objektiv mit f Okular 125cm und ein Okular 15cm eingebaut. Was kannst du über die Gesamtlänge des Fernrohrs aussagen, wenn mit dem Fernrohr der Mond und weiter entfernte Himmelskörper betrachtet werden? 10. Wie ist das Zwischenbild bei einem keplerschen Fernrohr beschaffen und an welcher Stelle entsteht es? 11. Weshalb sind beim astronomischen Fernrohr der Durchmesser und die Brennweite des Objektivs sehr groß? 12. Was versteht man bei einem astronomischen Fernrohr unter seinem Öffnungsverhältnis? RP_A0176 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0176) 2 (2)

16 Thema: Optik Abbildung durch Linsen, Fernrohr, Fotoapparat 1. Gib die genaue Bezeichnung für jeden Linsentyp an. Welche Linse wirkt als Sammellinse, welche als Zerstreuungslinse? 2. Der Gegenstand G wird an der Sammellinse abgebildet und das Bild B entsteht. Bestimme durch Konstruktion die Brennweite der Linse (Hauptebene und Hauptstrahlen einzeichnen). 3.1 Stelle die Eigenschaften eines reellen und virtuellen Bildes gegenüber. 3.2 Bei welcher Anwendung und auf welche Weise kann die Entstehung eines virtuellen Bildes genutzt werden. 4. Christoph Scheiner möchte nach Angaben von Kepler ein Fernrohr mit möglichst starker Vergrößerung herstellen. Zur Verfügung stehen ihm Sammellinsen mit folgenden Brennweiten: Linse A: f 25cm Linse B: f 85cm Linse C: f 0,0450 m Linse D: f 3,6m Linse E: f 35dm Linse F: f 2500mm Gib an, welche der Linsen verwendet werden. Berechne dann die Vergrößerung dieses Fernrohrs. RP_A0177 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0177) 1 (2)

17 5. Für ein keplersches Fernrohr gilt: f 1 Realschule 95cm und f 2 25cm. Zeichne den Strahlengang durch dieses Fernrohr. Wähle einen geeigneten Maßstab und beschrifte sauber. 6. Nenne die wichtigsten Teile eines Fotoapparats. 7. Wodurch wird die einfallende Lichtmenge am Fotoapparat geregelt, die durch das Objektiv aufgenommen wird? 8. Überprüfe den Wahrheitsgehalt folgender Aussagen. Schreibe w für eine wahre Aussage und f falls die Aussage falsch ist. Punktförmige Lichtquellen ergeben eine scharfe Schattenbildung. Unsere Augen sind nur bei Tage Lichtempfänger. Heiße Körper können Licht aussenden. Wir können Gegenstände sehen, wenn unser Auge Licht auf sie wirft. Licht kann zu jeder Zeit wahrgenommen werden. Himmelskörper die selbst leuchten sind Planeten und Sterne. Merkur und Venus gehören zu den nichtselbstleuchtenden Himmelskörpern. Konvexlinsen sammeln das Licht. Sie sind in der Mitte dicker als am Rand. Lichtbündel, die durch eine Bikonkavlinse laufen, werden divergent. Durch Linsen erzeugte reelle Bilder sind immer seitenverkehrt. Eine konvex-konkave Linse ist eine Sammellinse. Nur Sammellinsen erzeugen Bilder, die auf einem Schirm aufgefangen werden können. Zerstreuungslinsen liefern ausschließlich virtuelle Bilder. Ein menschliches Auge hat immer eine konstante Bildweite. Das menschliche Auge hat eine konstante Brennweite. Die Iris kann sich verformen und damit die Augenlinse zusammenziehen. Wir steuern die Iris unbewusst durch die Helligkeit, die ins Auge fällt. Für die Größe des Sehwinkels ist auch die Entfernung des Objekts maßgebend. Entspanntes Sehen gelingt am besten beim Betrachten weit entfernter Objekte. Das Bild auf der Netzhaut hängt unmittelbar vom Sehwinkel ab. Angeborene Kurzsichtigkeit lässt sich durch eine Brille korrigieren, die mit Konvexlinsen bestückt ist. Um Gegenstände in der Nähe mit bloßem Auge zu betrachten und dabei scharf zu sehen, muss sich der Ringmuskel im Auge zusammenziehen. Mit einem Fernrohr vergrößert man den Sehwinkel und damit das Netzhautbild. Ein keplersches Fernrohr verwendet im einfachsten Fall zwei Sammellinsen. RP_A0177 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0177) 2 (2)

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