Kontrollaufgaben zur Optik

Kontrollaufgaben zur Optik
1.
Wie schnell bewegt sich Licht im Vakuum?
2.
Warum hat die Lichtgeschwindigkeit gemäss moderner Physik eine spezielle
Bedeutung?
3.
Wie nennt man die elektromagnetische Strahlung, die an den
a) langwelligen Teil des sichtbaren Bereichs anschliesst?
b) kurzwelligen Teil des sichtbaren Bereichs anschliesst?
4.
5.
Skizziere einen „Schnappschuss“ von einer Welle. Kennzeichne in dieser
Skizze die Wellenlänge der dargestellten Welle.
Notiere in untenstehender Tabelle das Symbol für die physikalische Grösse
und die für sie verwendete Einheit
Grösse
Wellenlänge
Frequenz
Lichtgeschwindigkeit
6.
Symbol
Einheit
Wie verändert sich die
a) Frequenz
b) Energie
von elektromagnetischer Strahlung mit zunehmender Wellenlänge?
7.
Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Wellenlänge und der Frequenz
von elektromagnetischer Strahlung?
8.
Welche Farbe hat das Licht mit den
a) längsten
b) kürzesten
Wellenlängen im sichtbaren Bereich?
9.
Wie wird Infrarotstrahlung häufig bezeichnet?
10. Wie bezeichnet man die elektromagnetische Strahlung mit den kürzesten Wellenlängen?
11. Welche elektromagnetische Strahlung ist ionisierend?
12. Warum nennt man „ionisierende Strahlung“ ionisierend?
13. Was ist monochromatisches Licht und welche Methoden gibt es, solches Licht
zu erzeugen?
14. Wie nennt man Licht mit vielen verschiedenen Wellenlängen?
15. Gibt es monochromatisches weisses Licht?
16. Wie nennt man die Zerlegung von polychromatischem Licht in seine Bestandteile?
17. Wie kann man Licht mit vielen verschiedenen Wellenlängen in seine Farben
zerlegen?
18. Welche physiologische Prozesse sind dafür verantwortlich, dass wir die Welt
„farbig“ sehen?
19. Wie viele verschiedene Typen von Sinneszellen zur Wahrnehmung von Farben
hat es in der Retina und auf welche Farben „reagieren“ sie?
20. Was versteht man unter additiver und subtraktiver Farbmischung?
21. Was versteht man unter dem Begriff Komplementärfarben?
22. Deine Nachbarin trägt einen gelben Pullover. Erkläre wie du im (weissen) Tageslicht die gelbe Farbe des Pullovers wahrnimmst?
23. Skizziere den „Farbkreis“ für additive Farbmischung.
24. Ist „schwarz“ eine Farbe? Wie kommt der Sinneseindruck „schwarz“ zustande?
25. Was ist „Fluoreszenz“?
26. Was versteht man unter Photometrie und wozu dient sie?
27. Welche Eigenschaften haben Röntgenstrahlen?
28. Wie gross ist die Wellenlänge der Radiowellen eines Radiosenders, der auf
104MHz sendet?
29. Welche medizinische Anwendungen haben UV-Strahlen?
30. Wozu werden optische Filter verwendet?
31. Welches sind die
a) additiven Grundfarben?
b) subtraktiven Grundfarben?
32. Skizziere ein „plausibles“ Absorptionsspektrum einer Lösung von Chlorophyll
in Alkohol.
33. Wie wird auf einem Farbfernseher ein farbiges Bild erzeugt?
34. Wie breitet sich ein Lichtstrahl in einem Medium aus?
35. Was kann geschehen, wenn ein Lichtstrahl auf eine Grenzfläche zwischen zwei
Ausbreitungsmedien trifft?
36. Warum kann man einen Gegenstand ohne Eigenlicht sehen?
37. Eine Röntgenassistentin verdoppelt bei einer Röntgenaufnahme den Abstand
von der Röntgenröhre. Wie vermindert sich dadurch die Strahlungsdosis, der
sie ausgesetzt ist?
38. Was ist der Unterschied zwischen Reflexion und Streuung?
39. Wie wird ein Lichtstrahl gebrochen, beim Übergang von
a) Luft in Wasser?
b) Wasser in Luft?
40. Skizziere den Verlauf eines Lichtstrahls durch eine Glasplatte.
41. Welche Konsequenz hat die Parallelverschiebung beim Durchgang eines Lichtstrahls durch eine Glasplatte bezüglich Messungen im Labor mit einer Glaspipette?
42. Wie ist eine
a) konvexe
b) konkave
Oberfläche geformt?
43. Was kennzeichnet eine
a) Sammellinse?
b) Zerstreuungslinse
44. Was kennzeichnet den
a) Brennpunkt einer Sammellinse?
b) virtuellen Brennpunkt einer Zerstreuungslinse?
45. Welche
a) Brennweite hat eine Sammellinse mit einer Brechkraft von 1.1dpt?
b) Brechkraft hat eine Zerstreuungslinse mit einer Brennweite von -24cm?
46. Was kennzeichnet ein
a) reelles Bild?
b) virtuelles Bild?
47. Wie ist „das Auflösungsvermögen“ definiert?
48. Wie nennt man den unbewussten Vorgang mit welchen das Auge sich dem
Abstand eines Gegenstands anpasst und dadurch ein scharfes Bild erzeugt?
49. Was geschieht bei der Adaption?
50. Durch welche Art von Linsen wird
a) Kursichtigkeit korrigiert?
b) Weitsichtigkeit korrigiert?
51. Ist die Brechkraft eines kurzsichtigen Auges zu klein oder zu gross?
52. Ist bei einer Brille mit Zerstreuungslinsen die Gesamtbrechkraft von Auge und
Linse grösser oder kleiner als diejenige des Auges allein?
53. Was ist beim Mikroskop das „Zwischenbild“?
54. Ein Mikroskop hat drei Objektive mit Vergrösserungen 20, 50 und 100,
sowie ein Okular mit sechsfacher Vergrösserung. Wie gross sind die möglichen
Gesamtvergrösserungen?
55. Kann man mit einem Lichtmikroskop beliebig stark vergrössern?
56. Was ist ein Ölimmersionsobjektiv und wie funktioniert es?
57. Was ist ein Laser und wofür findet er in der Medizin Verwendung?
Musterlösungen:
1.
300’000 km / s.
2.
Gemäss Relativitätstheorie ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum die grösstmögliche Geschwindigkeit mit der sich ein Körper bewegen kann. Die Lichtgeschwindigkeit (c) kommt auch in der Einsteinschen Formel E = m c2 vor.
3.
a) Infrarot. (b) Ultraviolett.
4.
Die Wellenlänge ist gleich dem
Abstand zwischen benachbarten
Wellenbergen, resp. Wellentälern.
5.
Grösse
Wellenlänge
Frequenz
Lichtgeschwindigkeit
Symbol


c
Einheit
Meter [m]
Hertz [Hz]
m/s
6.
a) Die Frequenz nimmt ab. (b) Die Energie (der Photonen) nimmt ab.
7.
Die Frequenz sinkt mit zunehmender Wellenlänge. Genauer: Frequenz und
Wellenlänge sind zueinander umgekehrt proportional.  = c / f.
8.
a) rot. (b) violett.
9.
Wärmestrahlung.
10. Gammastrahlung.
11. Röntgen- und Gammastrahlung.
12. Die Lichtquanten haben genügend Energie, um von Atomen und Molekülen
Elektronen abzutrennen, d.h. sie zu ionisieren.
13. Licht mit nur einer Wellenlänge, resp. Farbe.
Zur Herstellung von monochromatischer Strahlung gibt es drei Methoden wie
folgt:
Methode
Farbfilter
Wirkung
Alle Wellenlängen (Farben) ausser einen werden
absorbiert.
Glasprisma
Auftrennung des Lichts in farbiges Licht mit einem
Prisma. Das „gewünschte“ Licht wird mit einer
Lochblende „herausgefischt“.
Beugungsgitter
Ähnlich wie beim Glasprisma, aber mit einem Beugungsgitter (CD  Regenbogenfarben! Eine CD ist ein Beugungsgitter). Ein Beugungsgitter besteht aus äquidistanten Rillen auf einer ebenen Oberfläche.
14. Polychromatisches Licht.
15. Nein. Weisses Licht ist stets polychromatisch!
16. Dispersion (Siehe Skript S. 60!).
17. Siehe zweiter Teil von Antwort zu Frage 13.
18. Ein Teil der Sinneszellen auf der Netzhaut reagieren selektiv auf Farben. Es
gibt drei Sorten von Sinneszellen. Man kann sagen, dass sie auf je eine der
drei Grundfarben reagieren.
19. Drei Typen. Diese reagieren auf je eine der drei Grundfarben.
20. Additiv: Mischung von Licht unterschiedlicher Farben. Eine Mischung gleicher
Anteile der drei Grundfarben ergibt weiss.
Subtraktiv: Mischung von farbigen Stoffen, z.B. Ölfarben. Eine Mischung
gleicher Anteile der drei Grundfarben ergibt schwarz.
23.
21. Eine Paarbeziehung zwischen Farben. Die additive Mischung einer
Farbe und ihrer Komplementärfarbe
ergibt weiss.
Die subtraktive Farbmischung einer
Farbe und ihrer Komplementärfarbe
ergibt schwarz.
22. Das einfallende Licht enthält Licht
aller Farben. Davon werden alle
absorbiert ausser gelb. Deshalb
trifft (vom Pullover her kommend)
nur gelbes Licht aufs Auge.
24. Schwarz ist keine Farbe. Es gibt kein schwarzes Licht.
25.
Die Fluoreszenz involviert zwei Schritte. Ein Molekül absorbiert zunächst ein
energiereiches Lichtquant (Photon), z.B. von UV-Strahlung. Danach emittiert
das Molekül ein weniger energiereiches, längerwelliges Lichtquant.
E’ < E
26. Bei der Photometrie wird im Allgemeinen monochromatisches Licht verwendet.
Die Menge an monochromatischem Licht, die beim Durchdringen einer Lösung
absorbiert wird liefert Rückschlüsse über die Konzentration von Stoffen in der
entsprechenden Lösung. Diese Art der Photometrie wird als Transmissionsmessung bezeichnet. Bei der so genannten Reflexionsmessung wird Licht,
das von einer Probe reflektiert wird untersucht. Auch daraus kann man Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung und die Konzentration von
Stoffen ziehen.
Transmissionsmessung: Aus dem
Verhältnis I1 / Io kann man die Konzentration eines Stoffs bestimmen.
Reflexionsmessung: Aus dem
Verhältnis I1 / Io kann man die Konzentration eines Stoffs bestimmen.
27. Röntgenstrahlen sind sehr kurzwellig, d.h. sehr energiereich. Sie sind ionisierend und können Stoffe durchdringen.
28.  = c / f = [3 · 108 / (104 · 106)] m = 288 cm.
29. Sie dienen der Behandlung von Hautkrankheiten. Weil sie Keime abtöten, werden sie im Labor auch für die Erzeugung von sterilen Arbeitsflächen verwendet.
30. Zur Erzeugung von monochromatischer Strahlung. Sie absorbieren alle Strahlung ausser derjenigen mit der gewünschten Wellenlänge.
31. a) Rot, Grün und Blau. (b) Gelb, Cyan(blau) und Magenta (rot).
32.
Grünes Licht wird wenig stark absorbiert.
33.
Auf einem Pixel (regelmässiges Sechseck)
befinden sich drei Leuchtpunkte mit den
additiven Grundfarben rot, grün und blau.
Je nachdem wie stark die Leuchtpunkte
leuchten entsteht ein anderer
Farbeindruck.
34. Geradlinig.
35. Der Strahl kann absorbiert, reflektiert oder gebrochen werden.
36. Einen Gegenstand ohne Eigenlicht (z.B. den Mond) kann man nur sehen, wenn
Licht auf ihn fällt. Man sieht dann das vom Gegenstand reflektierte Licht.
37. Die Strahlungsdosis ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands. Bei
einer Verdoppelung des Abstands wird die Dosis vier Mal kleiner.
38. Wird ein Lichtstrahl reflektiert, so bildet das reflektierte Licht immer noch einen
Lichtstrahl. Die Richtung des reflektierten Strahls ergibt sich aus dem Reflexionsgesetz. Bei der Reflexion an matten Oberflächen spricht man von diffuser Reflexion oder Streuung. Die Streuung erfolgt in alle Richtungen.
39. a) Der Strahl wird zum Lot hin gebrochen.
b) Der Strahl wird vom Lot weg gebrochen.
40. Nach dem Durchdringen
der Glasplatte bewegt sich
der Strahl wieder in der ursprünglichen Richtung,
allerdings parallel verschoben.
41. Die Augen sollten beim Ablesen des Pegels auf gleicher Höhe sein wie die
Oberfläche der Flüssigkeit.
42. a) Nach aussen gekrümmt.
b) Nach innen gekrümmt (eine Einbuchtung!)
43. a) Sie ist in der Mitte dicker als am Rand.
b) Sie ist am Rand dicker als in der Mitte.
44. a) Strahlen, die parallel zur Linsenachse auf die Linse treffen schneiden sich im
dahinter liegenden Brennpunkt.
b) Strahlen, die parallel zur Linsenachse auf die Linse treffen werden gestreut.
Sie scheinen allesamt vom Brennpunkt vor der Linse her zu kommen.
45. a) f = 1 / D = 1 / (1.1 dpt) = 0.909 m = 90.9 cm.
b) D = 1 / f = 1 / (-0.24 m) = 4.17 dpt.
46. a) Ein reelles Bild kann man auf einer Leinwand sehen oder mit einer
Photoplatte festhalten.
b) Ein virtuelles Bild kann man nur mithilfe einer Vorrichtung zur Erzeugung
eines reellen Bildes (Auge, Kamera) wahrnehmen.
47. Das Auflösungsvermögen bezieht sich auf die Wahrnehmung von zwei nahe
liegenden Punkte als zwei Punkte. Sie wird angegeben mit dem so genannten
„Sehwinkel“, d.h. dem Winkelabstand zwischen den beiden Punkten. Das
menschliche Auge hat eine Auflösung von rund 1’ = 1º / 60 = 0.017º.
48. Akkomodation.
49. Die Adaption bezieht sich auf die Anpassung des Auges auf unterschiedlichen
Lichteinfall. Fällt viel Licht aufs Auge, so wird die Pupille verkleinert. Fällt wenig
Licht aufs Auge, d.h. bei Dunkelheit reagieren die Sinneszellen in der Retina
empfindlicher auf Licht.
50. a) Durch Zerstreuungslinsen.
b) Durch Sammellinsen.
51. Die Brechkraft eines kurzsichtigen Auges ist zu gross. Sie muss durch eine
Zerstreuungslinse vermindert werden.
52. Die Brechkraft wird durch die Zerstreuungslinse vermindert. Die Gesamtbrechkraft von Linse und Auge ist also kleiner als diejenige des Auges allein.
53. Das Zwischenbild ist ein reelles Bild, das vom Objektiv erzeugt und mit dem
Okular betrachtet wird.
54. Die möglichen Vergrösserungen sind 6  20 = 120, 6  50 = 300 und 6  100 =
600.
55. Nein, die zu betrachtenden Objekte dürfen nicht kleiner als die Wellenlängen
von sichtbarem Licht ( 500nm) sein. Die maximale Vergrösserung liegt bei
rund 1000.
56. Mithilfe des Ölimmersionsobjektivs gelangt mehr Licht ins Mikroskop. Dadurch
wird das Auflösungsvermögen des Mikroskops vergrössert.
57. Laser sind stark gebündelte Lichtstrahlen sehr hoher Intensität. In der Medizin
finden sie Anwendungen wie folgt:
► Stillen von Blutungen
► Korrektur von Kurz- und Weitsichtigkeit durch gezielte Abtragung der
Hornhaut
► Zertrümmerung von Nieren- und Gallensteinen
► Haarentfernung
► Entfernung von Hautveränderungen