Versuchsanleitung
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OPTIK Versuchsanleitung • einfach • schnell • sicher DL720-1S OPTIK Lichtausbreitung O1 O2 O3 O4 O5 Licht breitet sich geradlinig aus Punktförmige Lichtquellen erzeugen Schlagschatten Ausgedehnte Lichtquellen erzeugen Kern- und Halbschatten Mondfinsternis (Modell) Sonnenfinsternis (Modell) Spiegel O6 O7 O8 O9 O 10 O 11 O 12 O 13 O 14 O 15 O 16 O 17 O 18 Das Reflexionsgesetz Der Spiegel wird gedreht Die reguläre Reflexion Die diffuse Reflexion des Lichtes – Streuung Lage eines Bildpunktes am Planspiegel Die Entstehung eines scheinbaren Bildes am ebenen Spiegel Der Hohlspiegel (Konkavspiegel) als Lichtsammler Modell eines Scheinwerfers Strahlengang am Hohlspiegel Bilder am Hohlspiegel Strahlenverlauf am Wölbspiegel Strahlengang am Wölbspiegel Strahlengang zur Bildentstehung am Wölbspiegel Brechung O 19 O 20 O 21 O 22 O 23 O 24 O 25 O 26 O 27 O 28 O 29 O 30 O 31 O 32 Lichtbrechung qualitativ Einfalls- und Brechungswinkel Brechung vom Lot – Totalreflexion im Wasser Brechung zum Lot Die Bestimmung des Brechungskoeffizienten Brechung vom Lot – Totalreflexion im Glas Totalreflexion am Halbkreiskörper Grundprinzip eines Lichtleiters Lichtleiter, flexibel Die planparallele Platte Brechung des Lichtes am Prisma Das Umlenkprisma Das Umkehrprisma Das Torricellische Prisma Linsen O 33 O 34 O 35 O 36 O 37 O 38 O 39 O 40 O 41 O 42 O 43 O 44 Die brechende Wirkung einer Sammellinse Die brechende Wirkung einer Zerstreuungslinse Die Lage des Brennpunktes bei einer Bikonvexlinse Die Lage des Brennpunktes einer dünnen Plankonvexlinse Die Lage des Brennpunktes einer dicken Plankonvexlinse Die brechende Wirkung von Sammel- und Zerstreuungslinse auf divergente Lichtstrahlen Linsensysteme Besondere Strahlen an einer Sammellinse Besondere Strahlengänge an einer Plankonvexlinse Besondere Strahlengänge an einer Konkavlinse Der Strahlengang bei der Bildkonstruktion an einer Sammellinse Der Strahlengang bei der Bildkonstruktion an einer Zerstreuungslinse NTL - innoSYSTEM Das Auge O 45 O 46 O 47 Die Akkomodation des Auges Augenfehler und deren Behebung – Kurzsichtigkeit Augenfehler und deren Behebung – Weitsichtigkeit Optische Instrumente O 48 O 49 O 50 O 51 O 52 O 53 Strahlengang in der Spiegelreflexkamera Der Strahlengang im Diaprojektor Modell einer Lupe Modell eines Mikroskops Modell eines astronomischen Fernrohres Modell eines Galileischen Fernrohres Farben O 54 O 55 O 56 O 57 O 58 O 59 O 60 Farbzerstreuung (Dispersion) Spektralfarben sind nicht weiter zerlegbar Sammlung der Spektralfarben zu weiß Die Mischfarbe des durchgelassenen Lichtes Komplementärfarben – Farbenlehre Subtraktive Farbmischung Additive Farbmischung Hinweis: Findet sich in den Abbildungen dieses Symbol auf der Gebläseleuchte, so bedeutet das, dass der Stift in der Leuchte herausgezogen werden muss, um einen divergenten Lichtaustritt zu erhalten. NTL - innoSYSTEM LICHT BREITET SICH GERADLINIG AUS Material: 1 Modellkörper plankonvex 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 1 Blende mit 3 und 5 Schlitzen Bei nicht gezogenem Stift entsteht ein paralleles Lichtbündel. Einsetzen von Blenden mit 1, 2 oder 3 Schlitzen liefert ebenso viele dünne, zueinander parallele Lichtbündel, die Lichtstrahlen genannt werden. Wird der Stift gezogen, entsteht ein divergentes Lichtbündel. Aus der Praxis ist es als Lichtkegel bekannt. Einsetzen von Blenden mit Schlitzen läßt divergente Lichtstrahlen entstehen. O1 NTL - innoSYSTEM Durch Vorsatz einer Plankonvexlinse wird aus dem divergentem Lichtbündel ein paralleles Lichtbündel. Verschieben der Plankonvexlinse zur Lichtquelle hin ruft ein divergentes, Verschieben in die Richtung von der Lichtquelle weg ruft ein konvergentes Strahlenbündel hervor. Einzelne Lichtstrahlen erzeugt man durch Einsetzen einer Blende mit 3 Schlitzen. O1 NTL - innoSYSTEM PUNKTFÖRMIGE LICHTQUELLEN ERZEUGEN SCHLAGSCHATTEN Material: 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Schattenkörper, groß 1 Modellkörper, plankonkav 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung In den divergenten Strahlenkegel der Leuchte wird der Schattenkörper gestellt. Die vordere Hälfte des Körpers wird beleuchtet, auf der von der Lichtquelle abgewandten Hälfte erkennt man den völlig dunklen Eigenschatten E. Das Innere des Schlagschattenkegels ist völlig dunkel und scharf begrenzt, da kein Lichtstrahl (Beugung ausgenommen) in diesen Schattenraum dringt. In einiger Entfernung vom halbkugelförmigen Körper wird die Begrenzung unscharf, es entstehen Grautöne, weil die verwendete Lichtquelle nicht punktförmig ist. Hinweis: Da es keine exakt punktförmige Lichtquelle gibt, wird ein Schatten umso schärfer, je näher sich der Gegenstand beim Schattenbild (Bildschirm) befindet. Bemerkung: Der Eigenschatten der Erde heißt Nacht. Den Eigenschattenbereich des Mondes erkennt man als Mondphasen (Halbmond, usw.). Zur Verbesserung des Effekts wird zur Erzielung eines Strahlenkegels mit größerem Öffnungswinkel unmittelbar vor die Leuchte eine Konkavlinse gesetzt. Der Strahlenkegel simuliert eine punktförmigere Lichtquelle. O2 NTL - innoSYSTEM AUSGEDEHNTE LICHTQUELLEN ERZEUGEN KERN- UND HALBSCHATTEN Material: Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 1 Schattenkörper, groß 4 Verbindungsleitungen Zunächst wird die Leuchte L1 in Betrieb genommen, die Begrenzung des Schlagschattens S1 wird eingezeichnet. Dann wird L1 ausgeschaltet und L2 in Betrieb genommen. Die Begrenzung des Schlagschattens S2 wird ebenfalls eingezeichnet. Dann nimmt man beide Leuchten L1 und L2 in Betrieb. Der Überlappungsbereich der beiden Schlagschatten S1 und S2 ergibt den völlig dunklen Kernschattenkegel K. An seiner Peripherie schließt der Halbschattenbereich H an. Dieser Bereich liegt jeweils im Schatten einer Lichtquelle. Der Kernschattenkegel verkürzt sich, wenn die Achsen der beiden Strahlenkegel einen größeren Winkel einschließen. O3 NTL - innoSYSTEM MONDESFINSTERNIS (MODELL) Material: 1 Schattenkörper, klein 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 1 Schattenkörper, groß Die beiden Leuchten und der große Schattenkörper, der die Erde repräsentiert, werden entsprechend der Abbildung angeordnet. In der Position 1 wirft der Mond (kleiner Schattenkörper) einen Kernschattenkegel und Halbschattenbereiche. In der Position 2 taucht der Mond in den Halbschattenbereich der Erde ein. Das Aussehen seines Schattenkegels ändert sich. Von der Erde aus ist praktisch keine Helligkeitsänderung der Mondoberfläche zu beobachten. O4 NTL - innoSYSTEM In der Position 3 befindet sich der Mond vollständig im Kernschatten der Erde. Es herrscht totale Mondesfinsternis. In der Position 4 wird nur ein Teil des Mondes vom Kernschattenkegel der Erde getroffen. Man spricht von einer partiellen Mondesfinsternis. Da Mond- und Erdbahn einen Winkel von etwa 5° einschließen, trifft der Kernschattenkegel der Erde die Mondoberfläche nicht bei jedem Umlauf. Erdbahn und Mondbahn schneiden einander in 2 Knoten. Nur wenn Sonne, Erde und einer der Knoten in einer Linie stehen, kommt es zur Mondesfinsternis. O4 NTL - innoSYSTEM SONNENFINSTERNIS (MODELL) Material: 1 Schattenkörper, klein 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 1 Schattenkörper, groß Trifft der Schattenkegel des Mondes auf der Erdoberfläche auf, ist von dort aus eine Sonnenfinsternis zu beobachten. Aus dem Kernschattenbereich, der stets einen kleinen Teil der Erdoberfläche bedeckt, sieht man eine totale Sonnenfinsternis, aus dem Halbschattenbereich erkennt man eine partielle Sonnenfinsternis. Der große Schattenkörper, der die Erde repräsentiert, wird so verschoben, dass die Spitze des Kernschattenkegels die Oberfläche gerade nicht trifft. Aus dem Halbschattenbereich wird eine partielle Sonnenfinsternis gesehen. Diese ist ringförmig, wenn der Beobachtungsort sowie die Mitten von Mond- und Sonnenscheibe etwa in einer Linie liegen. O5 NTL - innoSYSTEM DAS REFLEXIONSGESETZ Material: 1 Planspiegel 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 2 Blenden mit 1 und 2 Schlitzen 1 Optische Scheibe Der Planspiegel wird der Abbildung entsprechend auf der optischen Scheibe befestigt. Der einfallende Lichtstrahl trifft im Fußpunkt F senkrecht auf den Spiegel auf. Der Fußpunkt F ist Mittelpunkt der optischen Scheibe. Der einfallende Lichtstrahl wird in sich selbst reflektiert. Die Richtung dieses Lichtstrahles nennt man das Lot. O6 NTL - innoSYSTEM Nun wird die Leuchte so postiert, dass der einfallende Strahl e den Fußpunkt F am Spiegel trifft. Der Einfallswinkel (Winkel zwischen dem Lot l und dem einfallenden Strahl e) soll beispielsweise 60° betragen. Der Reflexionswinkel β (Winkel zwischen dem Lot l und dem reflektierten Strahl r) wird mit ebenfalls 60° abgelesen. Werden verschiedene Einfallswinkel α eingestellt und die zugehörigen Reflexionswinkel β abgelesen, ergibt sich: Der Einfallswinkel α ist gleich groß wie der Reflexionswinkel β (α = β). O6 NTL - innoSYSTEM DER SPIEGEL WIRD GEDREHT Material: 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Lineal Overheadstift, wasserlöslich 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 1 Optische Scheibe 2 Planspiegel Der Planspiegel wird der Skizze entsprechend auf der optischen Scheibe befestigt. Das Lot l wird mit Overheadstift eingezeichnet. Die Leuchte wird so postiert, dass der einfallende Strahl den Fußpunkt F trifft und der Einfallswinkel α = 30° beträgt. Jetzt dreht man den Spiegel um 10° und zeichnet das Lot l1 ein. Es wird beobachtet, dass sich der reflektierte Strahl um 20° Grad dreht. Durch Drehung des Spiegels um einen Winkel ϕ ergibt sich ein Einfallswinkel von (α + ϕ) und damit auch ein Reflexionswinkel von (β + ϕ). Die Gesamtabweichung des reflektierten Strahles beträgt 2 ϕ. O7 NTL - innoSYSTEM DIE REGULÄRE REFLEXION Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Farbfolie, rot, grün 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 3 und 5 Schlitzen 1 Planspiegel Ein parallel auf einen ebenen Spiegel einfallendes Strahlenbündel wird "V-förmig" als paralleles Strahlenbündel reflektiert. Zur Verdeutlichung dieser regulären Reflexion wird eine Blende mit 3 Schlitzen in die Leuchte eingeschoben. Die drei Lichtstrahlen verkörpern das parallele Strahlenbündel. Die beiden äußeren Lichtstrahlen wurden gefärbt. Die zueinander parallelen Strahlen bleiben auch nach der Reflexion zueinander parallel, jedoch hat sich die Reihenfolge umgekehrt, nach der Reflexion befindet sich der grüne Lichtstrahl an der Außenseite des Lichtbündels. O8 NTL - innoSYSTEM DIE DIFFUSE REFLEXION DES LICHTES – STREUUNG Material: Stromversorgung Schere Alufolie 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Planspiegel 2 Verbindungsleitungen Der Planspiegel wird mit Alufolie, die zuvor zerknittert wurde, umwickelt und auf die Aufbauplatte aufgesetzt. Das parallel einfallende Lichtbündel wird nach allen Seiten hin reflektiert (gestreut, diffuse Reflexion). Die gewellte Oberfläche der Alufolie kann durch viele kleine, gegeneinander geneigte Spiegel erklärt werden. O9 NTL - innoSYSTEM LAGE EINES BILDPUNKTES AM PLANSPIEGEL Material: 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 1 Pfeil, l = 80 mm 2 Blenden mit 1 und 2 Schlitzen 1 Planspiegel Die Gerade a wird mit Overheadstift eingezeichnet. Der Pfeil und der ebene Spiegel werden senkrecht zur Achse fixiert. Die beiden Leuchten werden so eingerichtet, dass die beiden Lichtstrahlen einander im Gegenstandspunkt P überschneiden und dann am ebenen Spiegel reflektiert werden. Die von P ausgehenden Lichtstrahlen werden vor und nach der Reflexion eingezeichnet. Da die reflektierten Lichtstrahlen einander nicht mehr schneiden, existiert kein reeller Bildpunkt, sondern nur ein Lichtfleck. Jetzt zeichnet man das Auge des Beobachters ein. Es blickt entlang der reflektierten Lichtstrahlen in Richtung zum Spiegel. Das menschliche Auge nimmt den „Knick“ im Weg der Lichtstrahlen nicht wahr sondern verlängert sie geradlinig weiter. Die Verlängerungen der reflektierten Lichtstrahlen schneiden einander im scheinbaren Bildpunkt P'. P und P' liegen achsensymmetrisch zum ebenen Spiegel. O 10 NTL - innoSYSTEM DIE ENTSTEHUNG EINES SCHEINBAREN BILDES AM EBENEN SPIEGEL Material: 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 1 Pfeil, l = 80 mm 1 Planspiegel 2 Blenden mit 1 und 2 Schlitzen Die Versuchsanordnung wird der Skizze entsprechend aufgebaut. Von Spitze S und Fußpunkt F des Gegenstandes G (Pfeil, l = 80 mm) gehen zwei zueinander parallele Lichtstrahlen aus, die in sich reflektiert werden. Diese Lichtstrahlen und die Verlängerungen der reflektierten Lichtstrahlen werden eingezeichnet. O 11 NTL - innoSYSTEM Die untere Leuchte wird so verschoben, dass die beiden Lichtstrahlen einander in der Spitze S des Gegenstandes schneiden. Der von S ausgehende, der reflektierte Lichtstrahl und dessen Verlängerung werden eingezeichnet. Es ergibt sich der virtuelle Bildpunkt S'. Jetzt wird die obere Leuchte so verschoben, dass die beiden Lichtstrahlen einander im Fußpunkt F des Gegenstandes G schneiden. Der von F ausgehende Lichtstrahl, der reflektierte Lichtstrahl und dessen Verlängerung werden eingezeichnet. Es ergibt sich der virtuelle Bildpunkt F'. Das scheinbare Bild B ergibt sich als Pfeil von F' nach S'. O 11 NTL - innoSYSTEM DER HOHLSPIEGEL (KONKAVSPIEGEL) ALS LICHTSAMMLER Material: 1 Spiegelstreifen, flexibel 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 1 Blende mit 3 und 5 Schlitzen 1 Modellkörper, plankonvex In die Leuchte wird eine Blende mit einem Schlitz eingeschoben, bei nicht gezogenem Stift entsteht ein Lichtstrahl. In 35 cm Entfernung von der Blende markiert man einen Punkt S, der als Scheitel des Konkavspiegels dient. Die Enden der biegsamen Spiegelfläche kommen auf Punkten zu liegen, die auf einer Normalen 6 cm vom Scheitel entfernt symmetrisch zur optischen Achse (a = b) situiert sind. Die Blende wird entfernt, es entsteht ein schmales achsenparalleles Lichtbündel. Die am Hohlspiegel reflektierten Lichtstrahlen erzeugen eine Katakaustik, deren Spitze den Brennpunkt F darstellt. Messbeispiel: Strecke SF = f = 2,3 cm O 12 NTL - innoSYSTEM Wird der Stift an der Leuchte gezogen, entsteht ein divergentes Strahlenbündel, welches am Hohlspiegel reflektiert wird. Die Katakaustik erscheint ausgeprägter und flacher. Mittels einer Plankonvexlinse wird das divergente Lichtbündel zu einem breiten, parallelen Lichtbündel umgewandelt. Nun wird die Blende mit 5 Schlitzen eingeschoben. Die Brennpunkte (Schnittpunkte der reflektierten Strahlen auf der optischen Achse) werden jeweils markiert. Je näher achsenparallel einfallende Strahlen an der optischen Achse liegen, je kleiner also der Einfallswinkel α wird, desto weniger weit entfernt liegen die Brennpunkte vom Scheitel. Hohlspiegel, die aus Teilen eines Kreises (räumlich: Teile einer Kugel) bestehen, haben keinen einheitlichen Brennpunkt, sondern einen Brennfleck. Im Idealfall gilt: Strecke SF = f = r 2 Die Krümmung des Hohlspiegels wird bei sonst gleicher Position verkleinert (der Krümmungsradius wird vergrößert). Fällt ein paralleles Lichtbündel ein, erkennt man, dass der Schnittpunkt der reflektierten Lichtstrahlen F vom Scheitel S weiter entfernt ist als beim stark gekrümmten Hohlspiegel. Die Brennweite f ist umso größer, je geringer die Krümmung des Hohlspiegels ist. Gleichzeitig wird die Krümmung der Katakaustik geringer. Dieses Experiment läßt die Lage der Brennpunkte und die Form der Katakaustik bei allgemeiner Lage von Hohlspiegeln beobachten. O 12 NTL - innoSYSTEM MODELL EINES SCHEINWERFERS Material: 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Spiegelstreifen, flexibel 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Zunächst wird der Spiegelstreifen als ebener Spiegel etwa 5 cm entfernt und um etwa 20° - 30° gegen die Blendenebene der Leuchte geneigt plaziert. Das divergente Lichtbündel wird divergent reflektiert. Dann wird durch geringfügiges Verbiegen, ohne die sonstige Position des Spiegelsstreifens zu ändern, ein Hohlspiegel von geringer Krümmung geformt. Das divergent reflektierte Lichtbündel wird parallel und bei zunehmender Krümmung konvergent geformt. Auf diesem Effekt beruht die Wirkung eines Scheinwerfers. O 13 NTL - innoSYSTEM STRAHLENGANG AM HOHLSPIEGEL Material: 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 1 Spiegelstreifen, flexibel 2 Blenden mit 1 und 2 Schlitzen Der entlang der optischen Achse einfallende Lichtstrahl wird im Scheitel S in sich selbst reflektiert. Er stellt ein Lot dar. Dieser Strahl wird mit Overheadstift eingezeichnet. Ein dazu geneigter Strahl trifft im Scheitel S auf. Das Reflexionsgesetz wird gezeigt. Auch bei Änderung der Spiegelkrümmung ändert sich nichts am Verlauf dieses Lichtstrahls. Der entlang der optischen Achse einfallende Strahl wird in sich reflektiert. Man nennt diesen Strahl Mittelpunktsstrahl, weil er durch den Kreismittelpunkt verläuft. Mittels der Leuchte L1 wird ein achsenparalleler Strahl hervorgerufen, der den Hohlspiegel im Punkt P trifft. Der nach dem Reflexionsgesetz reflektierte Lichtstrahl schneidet die optische Achse im Brennpunkt F1. Der reflektierte Lichtstrahl PF1 wird eingezeichnet. Mittels der Leuchte L1 kann zusätzlich ein achsennäher einfallender Lichtstrahl erzeugt werden. Der Brennpunkt F2 fällt nicht mit F1 zusammen (er rückt näher zu M). O 14 NTL - innoSYSTEM Fällt ein Lichtstrahl in der Richtung F1P ein, so verläuft er nach der Reflexion parallel zur optischen Achse. O 14 NTL - innoSYSTEM BILDER AM HOHLSPIEGEL Material: 2 Blenden mit 1 und 2 Schlitzen 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 1 Pfeil, l = 40 mm 1 Spiegelstreifen, flexibel Zunächst zeichnet man die optische Achse ein und fixiert den Pfeil als Gegenstand G. Mit der Lampe L1 wird ein achsenparalleler Lichtstrahl auf die Spitze des Gegenstandes gerichtet. Der von der Spitze ausgehende Lichtstrahl wird mit Overheadstift eingezeichnet. Der von der Lampe L2 kommende Lichtstrahl ist ein Mittelpunktsstrahl und wird in sich selbst reflektiert. Im Schnittpunkt der beiden reflektierten Strahlen wird das verkehrte reelle Bild B gezeichnet. Eingezeichnet werden der Hauptstrahl, B, M und F. Der Strahlengang zeigt die Entstehung eines verkehrten, verkleinerten reellen Bildes. Hinweis: Bei diesem Versuch ist r = 12 cm, f = 6 cm. Die optische Achse und der Krünmmungsmittelpunkt M werden eingezeichnet, der Hohlspiegel wird den Angaben entsprechend montiert. Ein 2 cm hoher Gegenstand wird der Abbildung entsprechend eingezeichnet. Die Leuchte L1 erzeugt einen Lichtstrahl, der achsenparallel einfällt und durch den Brennpunkt F reflektiert wird. Man erkennt, dass der Gegenstand knapp außerhalb der einfachen Brennweite steht. Der von der Spitze G ausgehende Lichtstrahl wird eingezeichnet. Mit der Leuchte L2 wird ein Lichtstrahl hervorgerufen, der durch die Spitze von G und den Brennpunkt F und nach der Reflexion achsenparallel verläuft. Der Lichtstrahl wird von der Spitze von G ausgehend eingezeichnet. Im Schnittpunkt der beiden reflektierten Lichtstrahlen existiert das reelle, verkehrte und vergrößerte Bild B. O 15 NTL - innoSYSTEM Um die Entstehung eines virtuellen Bildes am Hohlspiegel zu zeigen, werden der Scheitel S und die optische Achse eingezeichnet. Der Hohlspiegel wird der Skizze entsprechend aufgebaut. Der Gegenstand (G = 2 cm) wird in 3 cm Entfernung vom Hohlspiegel eingezeichnet. Von der Leuchte L1 aus verläuft ein achsenparalleler Lichtstrahl durch die Spitze des Gegenstandes G. Der von G aus einfallende und der reflektierte Lichtstrahl werden eingezeichnet. Der Gegenstand G befindet sich innerhalb der einfachen Brennweite. Die Leuchte L2 erzeugt einen Lichtstrahl, der durch die Spitze des Gegenstandes verläuft und im Scheitel S auftrifft. Von G aus wird dieser Strahl eingezeichnet. Man erkennt, dass die beiden reflektierten Strahlen einander nicht schneiden können. Vom Gegenstandspunkt kann kein reeller Bildpunkt entstehen, auf einem Schirm erscheint ein Lichtfleck. Das Auge, welches in Richtung der reflektierten Lichtstrahlen blickt, erkennt den „Knick" im Lichtstrahl nicht und verlängert die Lichtstrahlen linear weiter. In Ihrem scheinbaren Schnittpunkt entsteht ein virtuelles Bild, das im Spiegel sichtbar ist. O 15 NTL - innoSYSTEM STRAHLENVERLAUF AM WÖLBSPIEGEL Material: 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 3 und 5 Schlitzen 1 Spiegelstreifen, flexibel 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Leuchte und Wölbspiegel werden der Skizze entsprechend angeordnet. Das parallel einfallende Lichtbündel wird vom Wölbspiegel divergent reflektiert, ebenso das nach Ziehen des Stiftes an der Leuchte divergent einfallende Lichtbündel. Nach Einsetzen der Blende mit 3 Schlitzen wird die Reflexion von Lichtstrahlen beobachtet. Hinweis: Lichtstrahlen sind schmale Lichtbündel. Auch sie werden nach der Reflexion am Wölbspiegel divergent. O 16 NTL - innoSYSTEM STRAHLENGANG AM WÖLBSPIEGEL Material: 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 2 Blenden mit 1 und 2 Schlitzen 1 Spiegelstreifen, flexibel Der von der Leuchte L1 kommende Lichtstrahl wird so eingerichtet, dass er in sich selbst reflektiert wird. Er hat die Funktion eines Lots. Seine Verlängerung (einzeichnen) schneidet die Verlängerung der optischen Achse im Krümmungsmittelpunkt M. Die Leuchte L2 liefert einen achsenparallel einfallenden Lichtstrahl. Er wird nach dem Reflexionsgesetz reflektiert (Einfallswinkel α = Reflexionswinkel β ). Das Reflexionsgesetz wird bestätigt. Der Schnittpunkt der Verlängerung des reflektierten Strahls mit der Verlängerung der optischen Achse ergibt einen scheinbaren Brennpunkt F. O 17 NTL - innoSYSTEM STRAHLENGANG ZUR BILDENTSTEHUNG AM WÖLBSPIEGEL Material: 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 1 Pfeil, l = 40 mm 1 Spiegelstreifen, flexibel Die optische Achse und der Scheitel werden eingezeichnet. Der Pfeil, l = 40 mm, wird als Gegenstand fixiert. Der Wölbspiegel wird angebracht. Die Leuchte L2 liefert einen achsenparallel einfallenden Lichtstrahl, der durch die Spitze des Gegenstandes verläuft. Der reflektierte Strahl und seine Verlängerung werden eingezeichnet. Der von der Lichtquelle L1 kommende Lichtstrahl verläuft ebenfalls durch die Spitze des Gegenstandes und wird am Wölbspiegel reflektiert. Der einfallende Strahl, der reflektierte Strahl und seine Verlängerung werden eingezeichnet. Die beiden reflektierten Lichtstrahlen schneiden einander nicht. Der Gegenstandspunkt hat keinen reellen Bildpunkt. Das Auge blickt in Richtung der Verlängerung der reflektierten Strahlen. Es nimmt den „Knick" im Lichtweg am Spiegel nicht wahr, sondern verlängert die reflektierten Strahlen geradlinig weiter. Dadurch entsteht der Eindruck eines scheinbaren, verkleinerten, aufrechten Bildes, das hinter der Spiegelfläche zu liegen scheint. O 18 NTL - innoSYSTEM LICHTBRECHUNG QUALITATIV Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung 1 Becherglas 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Küvette 1 Blende mit 1 Schlitz Die Küvette wird mit Wasser gefüllt. Von der Leuchte ausgehend trifft ein Lichtstrahl die Grenzfläche Luft-Wasser unter einem Einfallswinkel α von etwa 30°. Man erkennt einerseits die Brechung zum Lot, andererseits die partielle Reflexion an dieser Grenzfläche. Unter dem Einfallswinkel β trifft der Lichtstrahl die Grenzfläche Wasser-Luft. Zu erkennen sind die Brechung vom Lot unter dem Winkel α und die partielle Reflexion unter dem Winkel β. Der reflektierte Lichtstrahl trifft wieder auf die Grenzfläche Wasser-Luft. Es tritt abermals Brechung vom Lot und partielle Reflexion ein. Zusätzlich ist zu erkennen, dass der von der Leuchte kommende und der unten aus dem Gefäß austretende Lichtstrahl parallel verschoben sind. Die mit Wasser gefüllte Wanne stellt eine planparallele Platte dar Hinweis: In das Wasser können einige Stäubchen Fluoreszein-Natrium gegeben werden. O 19 NTL - innoSYSTEM EINFALLS- UND BRECHUNGSWINKEL Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung 1 Becherglas 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Küvette 1 Blende mit 1 Schlitz Die Küvette wird mit Wasser gefüllt. Das Wasser kann eventuell mit Fluoreszein-Natrium gefärbt werden. Der Einfallswinkel α wird mit etwa 30° gewählt, die Helligkeit des teilreflektierten Strahles und die Größe des Brechungswinkels β wird beobachtet. Es gilt: β < α. Die Leuchte wird so verschwenkt, dass der Einfallswinkel etwa 60° beträgt. Der Brechungswinkel wird größer, dennoch gilt β < α. Die Helligkeit des teilreflektierten Lichtstrahles wird größer. O 20 NTL - innoSYSTEM Die Leuchte wird soweit verschwenkt, dass ein möglichst streifender Einfall vorliegt. Der Brechungswinkel hat in diesem Fall den größtmöglichen Wert und wird Grenzwinkel genannt (bei Wasser 48°). O 20 NTL - innoSYSTEM BRECHUNG VOM LOT – TOTALREFLEXION IM WASSER Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung 1 Becherglas 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Küvette 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen Die Küvette wird mit Wasser gefüllt. Das Wasser kann eventuell mit Fluoreszein-Natrium gefärbt werden. Der Übergang von Wasser in Luft wird betrachtet. Der Einfallwinkel β ist kleiner als der Grenzwinkel für Wasser. Es treten daher Teilreflexion (Strahl a) und Brechung vom Lot (Strahl b) auf. Die Leuchte wird so verschoben, dass der Einfallswinkel β größer als der Grenzwinkel für Wasser ist. Es tritt keine Brechung, sondern nur vollständige Reflexion – Totalreflexion auf. Die Wasseroberfläche hat die Wirkung eines Spiegels. O 21 NTL - innoSYSTEM BRECHUNG ZUM LOT Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Optische Scheibe 1 Modellkörper, halbkreisförmig 1 Blende mit 1 Schlitz Der Modellkörper wird so angebracht, dass sein Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt der optischen Scheibe zusammenfällt. Der von der Leuchte ausgehende Lichtstrahl trifft stets genau im Mittelpunkt auf. Die Einstellung wird mit Hilfe des reflektierten Strahls überprüft. Es muss stets gelten: angezeigter Einfallswinkel und angezeigter Reflexionswinkel sind einander gleich. Trifft der einfallende Strahl senkrecht auf den Modellkörper auf, wird er einerseits in sich selbst reflektiert, andererseits geht er ungebrochen durch den Modellkörper durch (Lot). Das Lot kann eingezeichnet werden. O 22 NTL - innoSYSTEM Qualitative Durchführung des Experiments: Zunächst wird als Einfallswinkel 30° gewählt. Ein lichtschwacher reflektierter Strahl und ein zum Lot hin gebrochener Strahl sind zu erkennen. Dann wird der Einfallswinkel 60° eingestellt. Die Lichtstärke des teilreflektierten Strahls nimmt zu. Der Brechungswinkel wird ab sofort größer, bleibt aber stets kleiner als der Einfallswinkel (Brechung zum Lot). Bei einem Einfallswinkel von 85° tritt praktisch fast streifender Lichtstrahl ein. Statt des gebrochenen Strahls tritt eine Diakaustik auf und in der Verlängerung ihrer Spitze werden eng bei einander liegend Spektralfarben sichtbar. Verlängert man dieses enge, fast geradlinige Lichtbündel zum Mittelpunkt des Modellkörpers, erkennt man einen Brechungswinkel von etwa 43° (Acrylglas, n = 1,466). Hinweis: Mit diesem Versuch ist der Einstieg in die Farbdispersion möglich. Quantitative Durchführung des Experiments: α β 10° 7,5° 20° 14° 30° 20° 40° 25° 50° 30° Beim Grenzwinkel: Diakaustik (Dispersion) O 22 NTL - innoSYSTEM 60° 36° 70° 39° 80° 42° 85° 43° DIE BESTIMMUNG DES BRECHUNGSKOEFFIZIENTEN Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Optische Scheibe 1 Modellkörper halbkreisförmig 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen Die Leuchte wird so eingestellt, dass der Einfallswinkel α = 30° beträgt. Der Brechungswinkel und die Strecken x und y werden gemessen. Der Versuch wird bei einem Einfallswinkel von α1 = 60° wiederholt, die entsprechenden Ergebnisse werden notiert: x y = = 7,5 cm 5,1 cm x1 y1 = = 12,9 cm 8,8 cm x x1 ⎯ = ⎯ = 1,47 y y1 Das Verhältnis der beiden Strecken ist konstant. Der Wert wird Brechungskoeffizient n genannt. Des weiteren läßt sich zeigen: sin 30° : sin β = sin 60° : sin β1 = 1,47 Daraus ergibt sich in einfacher Weise das Brechungsgesetz: sin α : sin β = n Für den Grenzwinkel errechnet man mit 1 : sin β = n etwa β = 43°, in guter Übereinstimmung mit dem Experiment. O 23 NTL - innoSYSTEM BRECHUNG VOM LOT – TOTALREFLEXION IM WASSER Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Optische Scheibe 1 Modellkörper, halbkreisförmig 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen Der Modellkörper wird so angebracht, dass sein Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt der optischen Scheibe zusammenfällt. Der von der Leuchte ausgehende Lichtstrahl soll stets genau im Mittelpunkt auftreffen. Diese Einstellung wird mit Hilfe des reflektierten Lichtstrahls überprüft. Es muss stets gelten: angezeigter Einfallswinkel und angezeigter Reflexionswinkel sind gleich groß. Der einfallende Lichtstrahl trifft zunächst unter einem Einfallswinkel von 0° auf den Mittelpunkt des Modellkörpers. Dieser Lichtstrahl zeigt das Lot an, welches eingezeichnet wird. Der Reihe nach werden Einfallswinkel α1 = 10°, α2 = 20° und α3 = 30° gewählt. Die teilreflektierten sowie die gebrochenen Lichtstrahlen werden beobachtet. O 24 NTL - innoSYSTEM Es zeigt sich, dass die Helligkeit des reflektierten Lichtstrahls mit steigendem Einfallswinkel zunimmt. Der Brechungswinkel ist stets größer als der Einfallswinkel (Brechung vom Lot). Einfallswinkel α 10° 20° 30° 40° 43° 45° 50° 60° Brechungswinkel β 18° 23° 47° 75° 90° – – – DispersionsSpektrum streifender Ausfall β = 90° Totalreflexion Bei einem Einfallswinkel von α = 40° trifft bei einem Brechungswinkel von etwa 75° deutliche Farbdispersion auf. Bei einem Einfallswinkel von etwa α = 43° trifft streifender Ausfall (β = 90°) auf. Wird der Grenzwinkel überschritten, existiert nur noch der reflektierte Strahl - Totalreflexion. Bemerkung: Beim Übergang von Luft in den halbkreisförmigen Teil des Modellkörpers tritt keine Brechung ein, weil der einfallende Strahl radial auftrifft (in Richtung des Lotes). O 24 NTL - innoSYSTEM TOTALREFLEXION AM HALBKREISKÖRPER Material: 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 1 Modellkörper, halbkreisförmig 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Der von der Leuchte kommende Lichtstrahl trifft senkrecht auf den Acrylglaskörper auf. Aufgrund der Totalreflexion verläuft er in der Folge entlang der Grenzschicht zwischen Acrylglas und Luft halbkreisförmig durch den Körper und tritt am unteren Ende aus (Lichtbündel, Öffnungswinkel). Der Öffnungswinkel rührt vom Eintritt des einfallenden dünnen, leicht divergenten Lichtbündels her. Die einzelnen Lichtstrahlen laufen auf leicht unterschiedlichen Bahnen durch den Acrylglaskörper. Rückt man den einfallenden Lichtstrahl etwas nach innen, wird der Verlauf des Lichtes besser gesehen. Der auf Totalreflexion am Übergang Acrylglas – Luft beruhende Effekt läßt sich jetzt deutlich erkennen. O 25 NTL - innoSYSTEM GRUNDPRINZIP EINES LICHTLEITERS Material: 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 1 Modellkörper, C-förmig 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Der von der Leuchte kommende Lichtstrahl trifft senkrecht auf die Stirnfläche des C-förmigen Acrylglaskörpers auf. Aufgrund der Totalreflexion wird der Lichtstrahl an der Grenzschicht zu Luft totalreflektiert. Der auf Totalreflexion am Übergang Acrylglas – Luft beruhende Effekt läßt sich jetzt deutlich erkennen. Auf diese Weise kann Licht in einem dünnen Glaskörper über längere Strecken, auch auf nichtgeradlinigem Weg, weitergeleitet werden. Dies stellt das Grundprinzip eines Lichtleiters dar. Beim Austritt des Lichtstrahls aus dem Acrylglaskörper erkennt man die Brechung des Lichtstrahls vom Lot weg. O 26 NTL - innoSYSTEM LICHTLEITER, FLEXIBEL Material: 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Lichtleitermodell, flexibel 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Das Lichtleitermodell wird an der Seite der Gebläseleuchte mit der kreisförmigen Blende eingesetzt. In diesem flexiblen Lichtleiter wird das Licht der Glühlampe über längere Strecken, auch auf nichtgeradlinigem Weg, weitergeleitet. Eine kugelförmig gestaltete Austrittsöffnung am Ende des Lichtleiters bewirkt einen Linseneffekt, der einen deutlichen Lichtkegel unmittelbar am Ende des Lichtleiters erzeugt. Mit Hilfe dieses Lichtleiters kann z.B. Licht in eine kleine Schachtel geleitet werden. Hinweis Vorsicht – Der Lichtleiter darf nicht zu stark geknickt werden – Bruchgefahr! O 27 NTL - innoSYSTEM DIE PLANPARALLELE PLATTE Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Modellkörper, trapezförmig 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen Der einfallende Lichtstrahl trifft senkrecht auf die Grenzfläche Luft-Acrylglas auf, durchsetzt das Acrylglas und tritt ungebrochen wieder aus. Dieser Strahlenverlauf wird eingezeichnet. Der trapezförmige Modellkörper wird als planparallele Platte verwendet und wird in die zweite eingezeichnete Position geschwenkt. Die folgenden Vorgänge können erkannt werden: Beim Übergang von Luft in Acrylglas tritt Reflexion (Lichtstrahl 1) und Brechung zum Lot auf. Beim Übergang vom Acrylglas in Luft tritt Brechung vom Lot auf. Der aus der planparallelen Platte austretende Lichtstrahl ist zum einfallenden Strahl parallel verschoben. Ein Teil des Lichtes wird im Punkt 2 reflektiert. Dieser reflektierte Lichtstrahl wird beim Übergang von Acrylglas in Luft vom Lot gebrochen (Lichtstrahl 2). Die beiden Lichtstrahlen verlaufen zueinander parallel. Je stärker die Neigung der planparallelen Platte gewählt wird, desto größer ist der Einfallswinkel. Je größer der Einfallswinkel ist, desto größer ist die Parallelverschiebung, die der zweimal gebrochene Lichtstrahl erfährt. O 28 NTL - innoSYSTEM BRECHUNG DES LICHTES AM PRISMA Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 1 Schlitz 1 Modellkörper Prisma Das rechtwinkelig-gleichschenkelige Prisma wird der Abbildung entsprechend aufgestellt. Man erkennt zunächst die an den beiden brechenden Flächen erfolgenden Brechungen und die Teilreflexionen. Markiert man die beiden Auftreffpunkte des Lichtstrahls an den Grenzflächen, zeichnet den Umriss des Prismas auf und skizziert die Lage der beiden Lote, kann man die Brechung zum Lot am Übergang vom optisch dünneren in das optisch dichtere und die Brechung vom Lot im umgekehrten Fall zeigen. Das Prisma wird dann im Uhrzeigersinn gedreht. Die Helligkeit der teilreflektierten Strahlen nimmt zu, der gebrochene Strahl wandert nach unten; die gesamte Ablenkung (Deviation) nimmt zu. Der Grenzfall ist bei streifendem Lichteinfall erreicht. Das optische Prisma wird wieder in die Ausgangslage gebracht, jedoch sodann in die andere Richtung gedreht. Der gebrochene Lichtstrahl wandert dabei so lange nach oben, bis symmetrischer Lichtdurchgang erfolgt: der im optischen Prisma verlaufende Lichtstrahl steht normal zur Winkelsymmetralen des brechenden Winkels. Bei weiterer Drehung vergrößert sich die Deviation, bis der zweite Grenzfall durch streifenden Austritt des Lichtstrahls eintritt. Hinweis: Bei Annäherung an den zweiten Grenzfall tritt deutliche Spektralzerlegung des weißen Lichtes auf. O 29 NTL - innoSYSTEM DAS UMLENKPRISMA Material: 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Modellkörper Prisma 1 Blende mit 3 und 5 Schlitzen 1 Lampentrafo 2 Verbindungsleitungen Das rechtwinkelig-gleichschenkelige Prisma wird in etwa 20 cm Entfernung von der Leuchte so aufgestellt, dass eine kürzere Prismenfläche normal zu den einfallenden Lichtstrahlen steht. Durch Totalreflexion an der Hypotenuse (Grenzfläche Acrylglas-Luft) wirkt diese Prismenfläche als Planspiegel. Die einfallenden Lichtstrahlen werden um insgesamt 90° in ihrer Richtung geändert. O 30 NTL - innoSYSTEM DAS UMKEHRPRISMA Material: 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Modellkörper Prisma 1 Blende mit 3 und 5 Schlitzen 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Das rechtwinkelig-gleichschenkelige Prisma wird in etwa 20 cm Entfernung von der Leuchte so aufgestellt, dass die Hypotenuse normal zu den einfallenden Lichtstrahlen steht. Die drei zueinander parallelen Lichtstrahlen fallen in der oberen Prismenhälfte ein. Durch zweimalige Totalreflexion an den kürzeren Seitenflächen dieses rechtwinkelig-gleichschenkeligen Prismas verlaufen die austretenden Lichtstrahlen parallel zu den eintretenden, jedoch in die andere Richtung. Zudem wird durch zweimalige Totalreflexion die Abfolge der drei Lichtstrahlen umgekehrt. Die beiden Schenkel des Prismas haben die Wirkung von zwei aufeinander normal stehenden Planspiegeln. Hinweis: Mit zwei hintereinander stehenden, einen rechten Winkel miteinander einschließenden Umkehrprismen kann eine vollständige Bildumkehr (oben unten, links rechts) erfolgen. O 31 NTL - innoSYSTEM DAS TORRICELLISCHE PRISMA Material: 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Modellkörper Prisma 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Das Prisma wird so aufgestellt, dass der einfallende Lichtstrahl und die Hypotenuse zueinander parallel sind. Beim Übergang von Luft in Acrylglas wird der einfallende Lichtstrahl teilweise reflektiert, teilweise zum Lot hin gebrochen. Der einfallende und der reflektierte Lichtstrahl schließen einen rechten Winkel ein. Der gebrochene Lichtstrahl wird an der Hypotenuse total reflektiert und am zweiten Schenkel des Prismas beim Übergang von Acrylglas in Luft vom Lot gebrochen. Der einfallende und der austretende Lichtstrahl sind gegeneinander parallel verschoben. Hinweis: Das Prisma nach Torricelli wird zur Bildumkehr angewendet, wenn nur oben gegen unten vertauscht wird und der Strahlenlauf nicht geändert werden soll. O 32 NTL - innoSYSTEM DIE BRECHENDE WIRKUNG EINER SAMMELLINSE Material: 1 Farbfilter rot 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Becherglas Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 1 Modellkörper, plankonvex 1 Modellkörper Prisma 2 Blenden mit 1 und 2 Schlitz 2 Blenden mit 3 und 5 Schlitzen 1 Farbfilter grün Die optische Achse wird mit Hilfe eines Overheadstiftes eingezeichnet. Symmetrisch zur optischen Achse werden zwei Leuchten mit Blenden mit 5 Schlitzen und die Plankonvexlinse aufgestellt. Der Abstand zwischen den Leuchten und der Plankonvexlinse beträgt etwa zehn Zentimeter. Alle zueinander parallelen Lichtstrahlen werden aus der horizontalen Bahn abgelenkt. Die Schnittpunkte mit der optischen Achse werden markiert. Man erkennt: Je zwei achsenparallel einfallende, gleich weit von der optischen Achse entfernt liegende Lichtstrahlen schneiden einander nach Durchgang durch die Konvexlinse in einem Punkt, dem Brennpunkt. Für achsenferne Strahlen liegt dieser Punkt näher bei der Linse als für achsennahe Strahlen. Der Bereich, in dem die Brennpunkte liegen, heißt Brennfleck. Die Konvexlinse sammelt achsenparallel einfallende Lichtstrahlen in einem Brennfleck und heißt deswegen Sammellinse. Die beiden Blenden mit 5 Schlitzen werden durch zwei Blenden mit 1 Schlitz ersetzt. Anstelle der Plankonvexlinse wird der Modellkörper Prisma verwendet. Betrachtet man die Brechung des Lichtes am optischen Prisma, so erkennt man, weshalb die Plankonvexlinse lichtsammelnde Eigenschaften hat. Hinweis: Das optische Prisma dient als „entartete“ Sammellinse. O 33 NTL - innoSYSTEM DIE BRECHENDE WIRKUNG EINER ZERSTREUNGSLINSE Material: 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Becherglas Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 1 Modellkörper, plankonkav 1 Modellkörper Prisma 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 2 Blenden mit 3 und 5 Schlitzen Die optische Achse wird mit Hilfe eines Overheadstiftes eingezeichnet. Symmetrisch zur optischen Achse werden zwei Leuchten und der Modellkörper plankonkav aufgestellt. Der Abstand zwischen den Leuchten und der Plankonkavlinse beträgt etwa zehn Zentimeter. Alle zueinander parallelen Lichtstrahlen werden durch die Zerstreuungslinse aus der horizontalen Bahn abgelenkt und zerstreut. Zeichnet man mittels des Overheadstiftes die Lage der Plankonkavlinse sowie die Verläufe der Lichtstrahlen ein, so erkennt man, dass sich die Verlängerungen der Lichtstrahlen etwa in einem auf der optischen Achse liegenden Punkt schneiden. Dieser Punkt heißt der scheinbare Brennpunkt der Zerstreuungslinse. Zur Erklärung der brechenden Wirkung einer Zerstreuungslinse werden eine Leuchte mit Einfachspalt und ein rechtwinkelig-gleichschenkeliges Prisma der Abbildung entsprechend angebracht. Die untere Hälfte des Prismas versinnbildlicht den einen Teil einer Zerstreuungslinse. Anhand der bekannten Lichtbrechung am optischen Prisma erkennt man die brechende Wirkung einer Zerstreuungslinse. O 34 NTL - innoSYSTEM DIE LAGE DES BRENNPUNKTES BEI EINER BIKONVEXLINSE Material: 2 Farbfilter rot 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 2 Blenden mit 1 und 2 Schlitzen 2 Blenden mit 3 und 5 Schlitzen 2 Modellkörper plankonvex 2 Farbfilter grün Die optische Achse wird mit Overheadstift eingezeichnet. Die beiden Leuchten werden symmetrisch zur optischen Achse aufgestellt ebenso die symmetrische Konvexlinse, die aus den beiden Plankonvexlinsen gebildet wird. Der Abstand des einen Linsenscheitels von der Leuchte beträgt etwa 10 cm. Zunächst werden die Leuchten ohne Schlitzblenden verwendet. Achsenparallel einfallendes Licht wird in einem Brennfleck gesammelt, der etwa 17 cm von der Symmetrieebene der Bikonvexlinse entfernt ist. Des weiteren wird die Diakaustik erkannt. Wird die Schlitzblende mit einem Spalt eingeschoben (ohne Abbildung), erkennt man zwei achsenparallel einfallende Lichtstrahlen, die von der optischen Achse gleichen Abstand haben. Diese beiden Lichtstrahlen werden zweimal gebrochen und schneiden einander in einem Brennpunkt, der auf der optischen Achse liegt. Werden die beiden Blenden mit 5 Schlitzen in die Leuchten eingeschoben, erkennt man, dass die Brennpunkte von je zwei von der optischen Achse äquidistant einfallenden Lichtstrahlen nicht zusammenfallen. O 35 NTL - innoSYSTEM Werden nun die beiden Blenden mit 3 Schlitzen in die Leuchten eingeschoben, und färbt man die einfallenden Lichtstrahlen mittels Farbfilter, erkennt man, dass achsenfern einfallende Lichtstrahlen einander näher beim Linsenscheitel schneiden als achsennahe Strahlen. Da die Linse symmetrisch ist, ist auch die Lage der beiden Brennpunkte symmetrisch. Hinweis: Die Brennweite von dicken Linsen darf nicht von der Symmetrieebene, sondern muss von den beiden Hauptebenen aus gemessen werden. Die Lage der beiden Hauptebenen ist symmetrisch zur Symmetrieebene der Bikonvexlinse. O 35 NTL - innoSYSTEM DIE LAGE DES BRENNPUNKTES EINER DÜNNEN PLANKONVEXLINSE Material: 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 2 Blenden mit 1 und 2 Schlitzen 1 Modellkörper plankonvex Zunächst wird die optische Achse eingezeichnet. Die beiden Leuchten und die Plankonvexlinse werden symmetrisch zur optischen Achse der Skizze entsprechend angebracht. Die Position der Leuchten und die Lage der Plankonvexlinse wird mittels des Overheadstiftes eingezeichnet oder mittels der Pfeile markiert. In die beiden Leuchten werden je eine Schlitzblende mit Einfachspalt eingeschoben, sodass zwei achsenparallel einfallende Lichtstrahlen sichtbar werden. Nach dem Durchgang durch die Linse schneiden sie einander im Brennpunkt F, der markiert wird. Entfernt man die Schlitzblenden, so erhält man zwei zueinander parallele Lichtbündel. Nach ihrem Durchgang durch die Linse erkennt man die Diakaustik. Die beiden Schlitzblenden werden wieder eingeschoben und die plankonvexe Linse wird umgedreht. Der Brennpunkt (Schnittpunkt der beiden gebrochenen Lichtstrahlen) liegt jetzt näher bei der Linse. Der Grund für dieses Verhalten ist in der Lage der beiden Hauptebenen begründet. O 36 NTL - innoSYSTEM DIE LAGE DES BRENNPUNKTES EINER DICKEN PLANKONVEXLINSE Material: 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 2 Blenden mit 1 und 2 Schlitzen 1 Modellkörper halbkreisförmig Zunächst wird die optische Achse eingezeichnet. Die beiden Leuchten und der Modellkörper halbkreisförmig werden der Abbildung entsprechend symmetrisch zur optischen Achse aufgebaut, ihre Lage wird mit dem Overheadstift eingezeichnet. Die beiden Schlitzblenden mit 1 Schlitz werden in die Leuchten eingeschoben, sodass zwei achsenparallel einfallende Lichtstrahlen entstehen. Diese beiden Lichtstrahlen schneiden einander nach Durchgang durch die Linse in einem Punkt auf der optischen Achse, ihrem Brennpunkt. Dieser Brennpunkt wird markiert. Er liegt näher bei der Linse als der entsprechende Brennpunkt bei Verwendung einer dünnen Linse. Werden die beiden Schlitzblenden entfernt, erhält man zwei achsenparallel einfallende Lichtbündel. Nach dem Durchgang durch die optische Linse erkennt man die Diakaustik. O 37 NTL - innoSYSTEM Schiebt man nun die beiden Schlitzblenden mit 5 Schlitzen ein und dreht dann die Linse um, erkennt man eine Verringerung der Brennweite. Die Erklärung erfolgt aus der Lage der beiden Hauptebenen bei Plankonvexlinsen. O 37 NTL - innoSYSTEM DIE BRECHENDE WIRKUNG VON SAMMEL- UND ZERSTREUUNGSLINSE AUF DIVERGENTE LICHTSTRAHLEN Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 3 und 5 Schlitzen 1 Modellkörper halbkreisförmig 1 Modellkörper plankonkav Zunächst wird mittels des Overheadstiftes die optische Achse eingezeichnet. Die Leuchte (Stift gezogen) und der Modellkörper halbkreisförmig (Konvexlinse) werden symmetrisch zur optischen Achse der Abbildung entsprechend aufgestellt. In die Leuchte wird die Schlitzblende mit drei Spalten eingeschoben. Der mittlere Lichtstrahl verläuft ungebrochen in der optischen Achse. Die beiden anderen Lichtstrahlen werden beim Durchgang durch die optische Linse gebrochen. Die Lichtstrahlen schneiden einander in einem Punkt auf der optischen Achse. Hinweis: Der Ausgangspunkt dieser drei Lichtstrahlen ist ein Gegenstandspunkt, der Schnittpunkt der gebrochenen Lichtstrahlen ein reeller Bildpunkt. Die Leuchte wird entlang der optischen Achse näher an die Konvexlinse herangeschoben. Der Schnittpunkt der gebrochenen Lichtstrahlen entfernt sich dabei immer mehr von der Linse. Hinweis: Je mehr sich der Gegenstandspunkt der Linse nähert, desto weiter entfernt sich der Bildpunkt von ihr. Die Leuchte wird soweit herangeschoben, daß das divergent einfallende Lichtbündel nach dem Durchgang durch die Linse achsenparallel wird. Vom Brennpunkt her kommende Lichtstrahlen werden durch eine Konvexlinse achsenparallel gebrochen. Hinweis: Ist der Gegenstandspunkt mit dem Brennpunkt der Sammellinse ident, rückt der Bildpunkt ins Unendliche. Nähert man die Leuchte weiter der Sammellinse, reicht ihre Brechkraft nicht aus, um konvergenten Strahlenverlauf zu erzielen, die Lichtstrahlen bleiben auch nach der Brechung divergent. O 38 NTL - innoSYSTEM Befindet sich ein Gegenstandspunkt zwischen Brennpunkt und Konvexlinse, so gibt es keinen reellen Bildpunkt. Verwendet man statt der Konvexlinse eine Konkavlinse und wiederholt den Versuch, so erkennt man, dass eine Konkavlinse divergent einfallende Lichtstrahlen nur zerstreuen kann. Mittels einer Konkavlinse kann kein Gegenstandspunkt als reeller Bildpunkt abgebildet werden. O 38 NTL - innoSYSTEM LINSENSYSTEME Material: 1 Modellkörper plankonkav 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchten Xenon 2 Blenden mit 3 und 5 Schlitzen 2 Modellkörper plankonvex 1 Modellkörper halbkreisförmig Zwei Sammellinsen verschieben den Brennpunkt: In die Leuchte wird eine Blende mit 3 Schlitzen eingesetzt. Die eine Plankonvexlinse wird symmetrisch zum mittleren Lichtstrahl eingesetzt, sodass dieser die optische Achse darstellt. Diese Linse wird soweit verschoben, dass die Lichtstrahlen vom Brennpunkt her kommen, die gebrochenen Lichststrahlen also achsenparallel verlaufen. Die zweite Plankonvexlinse wird der Abbildung entsprechend ganz knapp an die erste herangebracht. Die parallelen Lichtstrahlen werden so gebrochen, dass sie durch einen Brennpunkt verlaufen. Wird diese zweite plankonvexe Linse der Abbildung entsprechend von der ersten Linse weggeschoben, so verschiebt sich mit ihr der Brennpunkt ohne Änderung der Brennweite mit. Hinweis: Dieses Linsensystem wird in der Praxis oft als Kondensorlinse zur Ausleuchtung von z.B. Dias verwendet. Dünne Linsen - Dicke Linsen: Zunächst wird die optische Achse mittels eines Overheadstiftes eingezeichnet. Symmetrisch zur optischen Achse werden die beiden Leuchten und eine Plankonvexlinse der Abbildung entsprechend aufgestellt. In die beiden Leuchten werden je eine Blende mit 5 Schlitzen eingeschoben, sodass zehn achsenparallele Lichtstrahlen entstehen. Vor die eine Plankonvexlinse wird zuerst die zweite Plankonvexlinse, dann der Halbkreiskörper gesetzt. Damit wird zunächst eine dünne, dann eine dicke Bikonvexlinse gebildet. Die Lage der beiden Brennpunkte wird verglichen. Dicke Linsen haben die größere Brechkraft. O 39 NTL - innoSYSTEM Linse verschieben - Brennweite ändern: Die beiden Plankonvexlinsen bilden zunächst eine symmetrische Bikonvexlinse (Abbildung). Der Brennpunkt wird eingezeichnet. Dann wird die eine Plankonvexlinse der Abbildung entsprechend verschoben. Je größer der Abstand zwischen den beiden Linsen wird, desto stärker werden die Lichtstrahlen gebrochen, desto kleiner wird die Brennweite des Linsensystems. Die Brechkraft der dicken Linse überwiegt: Zunächst wird die optische Achse eingezeichnet. Symmetrisch zur optischen Achse werden die beiden Leuchten und die Plankonkavlinse der Abbildung entsprechend angebracht. Die folgenden Versuche werden zunächst mit, dann ohne Schlitzblenden durchgeführt. Die Konkavlinse hat zerstreuende Wirkung. Setzt man den Halbkreiskörper als Plankonvexlinse an die Konkavlinse an, überwiegt die Brechkraft der Sammellinse. Der Brennfleck wird markiert. Der Halbkreiskörper wird gegen eine dünne Plankonvexlinse ausgetauscht. Die Brechkraft dieser Sammellinse entspricht etwa der Brechkraft der Zerstreuungslinse. Die Brennweite des Linsensystems ist groß, es tritt insgesamt fast keine Brechung auf. Schiebt man die Plankonvexlinse von der Zerstreuungslinse weg, so verkleinert sich die Brennweite des Linsensystems. O 39 NTL - innoSYSTEM BESONDERE STRAHLEN AN EINER SAMMELLINSE Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 2 Modellkörper plankonvex Aus zwei Plankonvexlinsen wird eine Bikonvexlinse gebildet. Die Leuchte wird so aufgestellt, dass in der Plattenmitte ein waagrechter Lichtstrahl verläuft. Dieser dient als optische Achse und wird eingezeichnet. Die Bikonvexlinse wird symmetrisch zur optischen Achse aufgestellt (Abstände laut Abbildung). Die Lage der Sammellinse wird eingezeichnet. Die Leuchte wird so verschoben, dass ein achsenparallel einfallender Lichtstrahl entsteht. Nach zweimaliger Brechung an der Linse schneidet dieser gebrochene Lichtstrahl die optische Achse im Brennpunkt. Der Strahlengang wird eingezeichnet (Skizze). Der Brennpunkt wird auf die andere Seite der Sammellinse übertragen. Die Leuchte wird so verschoben, dass der Lichtstrahl durch den Brennpunkt einfällt. Nach zweimaliger Brechung verläuft der gebrochene Lichtstrahl achsenparallel. Auch dieser Strahlengang wird eingezeichnet. Die Leuchte wird nun so verschoben, dass der Lichtstrahl den Mittelpunkt der Sammellinse durchsetzt. Dieser Mittelpunktstrahl wird so gebrochen, dass er lediglich etwas parallel verschoben wird. Auch dieser Lichtstrahl wird eingezeichnet. Als Ergebnis wird der Verlauf von Mittelpunktstrahl, Brennpunktstrahl und achsenparallel einfallendem Lichtstrahl bei einer Sammellinse erhalten. O 40 NTL - innoSYSTEM BESONDERE STRAHLENGÄNGE AN EINER PLANKONVEXLINSE Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 1 Modellkörper plankonvex Die Leuchte wird so aufgestellt, dass in der Plattenmitte ein waagrechter Lichtstrahl verläuft. Dieser dient als optische Achse und wird eingezeichnet. Die Plankonvexlinse wird symmetrisch zur optischen Achse aufgestellt (Entfernungen laut Abbildung). Die Lage der Plankonvexlinse wird eingezeichnet. Die Leuchte wird so verschoben, dass ein achsenparallel einfallender Lichtstrahl entsteht. Nach zweimaliger Brechung schneidet er die optische Achse in einem Brennpunkt. Der Verlauf des Lichtstrahls wird eingezeichnet. Nun wird die Leuchte so nach unten verschoben, dass der Lichtstrahl durch den einen Brennpunkt einfällt und daher nach zweimaliger Brechung achsenparallel austritt. Auch dieser Strahlenverlauf wird eingezeichnet. Jetzt wird die Leuchte so verschoben, dass der Lichtstrahl durch den Mittelpunkt der Plankonvexlinse verläuft. Der Lichtstrahl wird beim Durchgang durch die Sammellinse insgesamt lediglich parallel verschoben. Auch dieser Lichtstrahl wird eingezeichnet. Insgesamt wird der Verlauf der drei besonderen Lichtstrahlen, nämlich des Brennpunktstrahls, des Mittelpunktstrahls und des achsenparallel einfallenden Lichtstrahls, erhalten. O 41 NTL - innoSYSTEM BESONDERE STRAHLENGÄNGE AN EINER KONKAVLINSE Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 1 Modellkörper plankonkav Die Leuchte wird so aufgestellt, dass in der Plattenmitte ein waagrechter Lichtstrahl verläuft. Dieser wird eingezeichnet und dient als optische Achse. Die Plankonkavlinse wird in der Plattenmitte zur optischen Achse symmetrisch aufgestellt, ihre Lage wird eingezeichnet. Die Leuchte wird so verschoben, dass der Lichtstrahl die Linsenmitte durchsetzt. Nach dem Durchgang durch die Linse ist der ausfallende Lichtstrahl zum einfallenden Lichtstrahl lediglich parallel verschoben. Der Verlauf des Lichtstrahls wird eingezeichnet. Die Leuchte wird jetzt so verschoben, dass ein achsenparallel einfallender Lichtstrahl entsteht. Nach zweimaliger Brechung weist die Richtung des Lichtstrahls von der optischen Achse weg. Der Lichtstrahl wird eingezeichnet. Wird der Lichtstrahl nach hinten verlängert, so schneidet er die optische Achse im virtuellen Brennpunkt. Die Leuchte wird so verschoben, dass der Lichtstrahl nach Brechung an der Plankonkavlinse achsenparallel verläuft. Auch dieser Strahlenverlauf wird eingezeichnet. Wird der einfallende Lichtstrahl verlängert, so schneidet diese Verlängerung die optische Achse im virtuellen Brennpunkt. Insgesamt wird der Verlauf der besonderen Lichtstrahlen (Brennpunktstrahl, Mittelpunktstrahl, achsenparallel einfallender Lichtstrahl) an einer Plankonkavlinse erhalten. O 42 NTL - innoSYSTEM DER STRAHLENGANG BEI DER BILDKONSTRUKTION AN EINER SAMMELLINSE Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 2 Modellkörper plankonvex In der Mitte der Platte wird die optische Achse eingezeichnet. Aus den Plankonvexlinsen wird eine Bikonvexlinse gebildet, sie wird 34 cm vom rechten Rand der Aufbauplatte symmetrisch zur optischen Achse angebracht. Die Lage der Sammellinse wird eingezeichnet. In 17 cm Entfernung vom linken Scheitel der Linse wird ein Gegenstand G1 der Gegenstandsgröße G1= 5 cm eingezeichnet. Die Leuchte wird so aufgestellt, dass ein achsenparallel einfallender Lichtstrahl durch die Spitze von G1 verläuft. Der einfallende und der gebrochene Strahl werden eingezeichnet. Dann wird die Leuchte so verschoben, dass ein Mittelpunktstrahl durch die Spitze des Gegenstandes verläuft. Auch dieser Strahlenverlauf wird eingezeichnet. Hinweis: Beide Lichtstrahlen können bei diesem Experiment mit Hilfe zweier Leuchten gleichzeitig sichtbar gemacht werden. Im Schnittpunkt der beiden Lichtstrahlen entsteht ein reelles, vergrößertes und verkehrtes Bild, da die beiden gebrochenen Lichtstrahlen einander schneiden und so einen reellen Bildpunkt markieren. Das Bild B1 wird eingezeichnet. Sodann wird ein Gegenstand G2 in 10 cm Entfernung von G1 eingezeichnet. Die Leuchte wird so verschoben, dass mittels des Mittelpunktstrahles, der wieder eingezeichnet wird, das Bild B2 ermittelt werden kann. Auch dieses reelle Bild wird eingezeichnet. Durch diesen Versuch kann ermittelt werden: Je größer die Gegenstandsweite, desto kleiner die Bildweite. Je größer die Gegenstandsweite, desto kleiner die Bildgröße. O 43 NTL - innoSYSTEM Der Versuch zeigt die Entstehung eines aufrechten, scheinbaren und vergrößerten Bildes (Lupenwirkung). Zunächst wird die optische Achse eingezeichnet, ebenso die Lage der Sammellinse, welche in der rechten Hälfte der Aufbauplatte symmetrisch zur optischen Achse angebracht wird. Der Gegenstand G (G = 5 cm) wird in 5 cm Entfernung vom linken Scheitel der Linse, also in einfacher Brennweite, eingezeichnet. Die Leuchte wird so angebracht, dass ein achsenparallel einfallender Lichtstrahl durch die Spitze des Gegenstandes G verläuft. Der Verlauf des einfallenden und des gebrochenen Lichtstrahles wird eingezeichnet. Dann wird die Leuchte so verschwenkt, dass ein Mittelpunktstrahl durch die Spitze des Gegenstandes verläuft. Auch dieser Lichtstrahl wird eingezeichnet. Man erkennt, dass die beiden gebrochenen Lichtstrahlen einander nicht schneiden. Es kann also kein reeller Bildpunkt, sondern nur ein Lichtfleck entstehen. Werden die beiden gebrochenen Lichtstrahlen verlängert, so schneiden diese Verlängerungen einander in einem Punkt. Das Auge erkennt an dieser Stelle, da es die Lichtbrechung an der Linse nicht wahrnimmt, einen scheinbaren Bildpunkt, der die Spitze des aufrechten, scheinbaren und vergrößerten Bildes darstellt. O 43 NTL - innoSYSTEM DER STRAHLENGANG BEI DER BILDKONSTRUKTION AN EINER ZERSTREUUNGSLINSE Material: 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 2 Blenden mit 1 und 2 Schlitzen 1 Pfeil, l = 80 mm 1 Modellkörper plankonkav Zunächst wird die optische Achse eingezeichnet. Die Plankonkavlinse wird symmetrisch zur optischen Achse im rechten Teil der Grundplatte aufgestellt. Der Abbildung entsprechend wird ein Gegenstand der Gegenstandsgröße G = 80 mm fixiert und die Lage der Konkavlinse eingezeichnet. Die eine Leuchte wird so postiert, dass ein achsenparallel einfallender Strahl durch die Spitze von G verläuft. Der Verlauf des Lichtstrahls wird eingezeichnet. Mit der zweiten Leuchte wird ein durch die Spitze von G verlaufender Mittelpunktsstrahl erzeugt. Auch dieser Verlauf des Lichtstrahles wird eingezeichnet. Die beiden Lichtstrahlen haben keinen reellen Schnittpunkt, weshalb kein reeller Bildpunkt existieren kann. Werden die beiden gebrochenen Lichtstrahlen in Blickrichtung des Auges verlängert, ergibt sich ein Schnittpunkt. Dieser stellt die Spitze eines scheinbaren, weil nur vom Auge erkannten Bildes dar. Das Auge erkennt die Brechung des Lichtes an der Konkavlinse nicht und folgt den Lichtstrahlen in gerader Richtung. Wird der Gegenstand näher zur Linse hin verschoben, wird das scheinbare Bild größer, ohne jemals die Gegenstandsgröße zu erreichen. Wird der Gegenstand von der Konkavlinse weg verschoben, wird die Bildgröße kleiner. O 44 NTL - innoSYSTEM DIE AKKOMODATION DES AUGES Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 3 und 5 Schlitzen 1 Modellkörper halbkreisförmig 1 Modellkörper plankonvex Die Leuchte mit Schlitzblende wird an den linken Rand der Aufbauplatte gestellt. Sie wird so ausgerichtet, dass der mittlere Lichtstrahl waagrecht verläuft. Dieser Lichtstrahl dient als optische Achse und wird eingezeichnet. Der Stift wird gezogen, sodass ein divergentes Strahlenbündel aus drei Lichtstrahlen entsteht. In der Entfernung von 33 cm wird der Halbkreiskörper - er dient als Sammellinse - symmetrisch zur optischen Achse aufgestellt. Die Lichtquelle dient als Gegenstandspunkt, der Halbkreiskörper als Augenlinse. Die Augenlinse sammelt die Lichtstrahlen im Brennpunkt F; er dient als „gelber Fleck“ des Auges. Das „Augenmodell“ wird eingezeichnet. In der gegebenen Position sieht das Auge den Gegenstand scharf. O 45 NTL - innoSYSTEM Die Leuchte wird an das Augenmodell herangeschoben (Abbildung), die Gegenstandsweite also geringer. Statt eines scharfen Bildpunktes entsteht auf der Netzhaut ein Lichtfleck, das Auge erkennt wegen der unscharfen Abbildung den Gegenstand nur verschwommen. In diesem Fall erhöht das Auge seine Brechkraft durch Vergrößerung der Linsenkrümmung. Im Versuch wird dies durch Zugeben der Plankonvexlinse simuliert. Der Gegenstand wird jetzt wieder scharf auf die Netzhaut abgebildet. O 45 NTL - innoSYSTEM AUGENFEHLER UND DEREN BEHEBUNG KURZSICHTIGKEIT Material: 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 2 Magnetleuchte Xenon 2 Blenden mit 3 und 5 Schlitzen 1 Modellkörper halbkreisförmig 1 Modellkörper plankonkav Zunächst wird eine optische Achse eingezeichnet. Symmetrisch zu ihr werden der Skizze entsprechend zwei Leuchten mit Schlitzblenden angeordnet. Es entstehen insgesamt sechs achsenparallele Lichtstrahlen. In 30 cm Entfernung wird der Halbkreiskörper, der als Augenlinse dient, angeordnet. Die von einem weit entfernten Gegenstand herkommenden Lichtstrahlen werden beim normalsichtigen Auge im Punkt F, der auf der Netzhaut liegt, gesammelt. In diesem Punkt ist der Gegenstand scharf abgebildet. Das Auge von kurzsichtigen Menschen ist zu lang ausgebildet. Im Versuch wird dieser Umstand durch eine gekrümmte Linie (laut Abbildung in etwa 23 cm Entfernung von der Augenlinse) markiert. Statt des Bildpunktes erscheint ein Lichtfleck, das kurzsichtige Auge erkennt weit entfernte Körper nur unscharf. O 46 NTL - innoSYSTEM Dieser Sehfehler wird durch eine Brille, deren Brillengläser aus Konkavlinsen bestehen, behoben. Im Versuch wird eine laut Abbildung vor das Augenmodell gesetzte Plankonkavlinse zur Korrektur verwendet. Die Plankonkavlinse zerstreut das (fast) achsenparallel einfallende Licht etwas. Das System KonkavlinseAugenlinse korrigiert den Bildpunkt in die richtige Lage auf die Netzhaut. O 46 NTL - innoSYSTEM AUGENFEHLER UND DEREN BEHEBUNG WEITSICHTIGKEIT Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 3 und 5 Schlitzen 1 Modellkörper halbkreisförmig 1 Modellkörper plankonvex Die Leuchte (Stift gezogen) wird mit einer Blende mit 3 Schlitzen versehen und am linken Rand der Aufbauplatte so aufgestellt, dass der mittlere der drei Strahlen waagrecht verläuft. Er bildet die optische Achse. In 26 cm Entfernung von der Leuchte wird der Halbkreiskörper als Augenlinse angebracht. Die vom Gegenstandspunkt herkommenden divergenten Lichtstrahlen werden im Bildpunkt F, der auf der Netzhaut des Auges liegt, gesammelt. Das normalsichtige Auge wird eingezeichnet. Das weitsichtige Auge ist im Vergleich zum normalsichtigen Auge zu kurz ausgebildet. Der Abbildung entsprechend wird ein Modell eines weitsichtigen Auges eingezeichnet. Der Gegenstandspunkt wird nicht scharf, sondern als Lichtfleck auf der Netzhaut abgebildet. O 47 NTL - innoSYSTEM Wird eine Sammellinse als Brillenglas verwendet, erhöht sich die Brechkraft des Linsensystems BrilleAuge. Im Versuch wird eine Plankonvexlinse unmittelbar vor den Modellkörper halbkreisförmig gesetzt. Nun wird der Gegenstandspunkt wieder als exakter Bildpunkt auf die Netzhaut abgebildet. O 47 NTL - innoSYSTEM STRAHLENGANG IN DER SPIEGELREFLEXKAMERA Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 3 und 5 Schlitzen 1 Modellkörper plankonvex 1 Modellkörper Prisma Eine Leuchte, von der drei parallele Lichtstrahlen ausgehen, wird am linken Rand der Aufbauplatte aufgestellt. Diese Anordnung soll den Lichteinfall von einem weit entfernten Gegenstand darstellen. Der Abbildung entsprechend wird die Plankonvexlinse aufgestellt. Sie symbolisiert die Objektivlinse des Fotoapparates. Bei richtiger Einstellung wird der weit entfernte Gegenstand praktisch als Punkt scharf auf dem fotografischen Film abgebildet. Die Position des Films wird eingezeichnet. Um den richtigen Bildausschnitt zu finden bedient man sich des Suchers. Die bei der Spiegelreflexkamera verwendete Technik wird gezeigt. Bevor die einfallenden Lichtstrahlen den Film erreichen, werden sie von einem unter 45° geneigten Planspiegel nach oben abgelenkt und von einem totalreflektierendem Prisma in das Auge des Betrachters umgelenkt. Dazu wird das rechtwinkeliggleichschenkelige Prisma der Abbildung entsprechend angebracht. Dann wird der Planspiegel postiert, sodass die Lichtstrahlen nach oben reflektiert und an der Hypotenuse des Umlenkprismas total reflektiert werden (Abbildung). Beim Betätigen des Auslösers wird der Planspiegel weggeschwenkt, sodass die vom Gegenstand her einfallenden Lichtstrahlen auf den Film treffen. O 48 NTL - innoSYSTEM DER STRAHLENGANG IM DIAPROJEKTOR Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 2 Modellkörper plankonvex 1 Modellkörper halbkreisförmig Die optische Achse wird eingezeichnet. Der Abbildung entsprechend werden die beiden Plankonvexlinsen und der Halbkreiskörper, der als Modell der Abbildungslinse dient, aufgebaut. Der Stift an der Leuchte wird gezogen, sodaß ein divergentes Lichtbündel entsteht. Nach Einschalten des Lichtes wird der Strahlengang betrachtet: Die beiden Plankonvexlinsen dienen als Kondensor (Lichtsammler). Sie gewährleisten die optimale Ausleuchtung des Dias (Gegenstand einzeichnen). Des weiteren ist zu erkennen, dass der Kondensor die Lampenwendel in die Abbildungslinse abbildet (verflochtene Abbildung). Die Abbildungslinse erzeugt in der Folge ein aufrechtes, reelles und vergrößertes Bild des Dias auf der Leinwand. Wird der Kondensor entfernt, erkennt man sofort die schlechte Ausleuchtung des Dias durch das von der Lampe her kommende divergente Lichtbündel. O 49 NTL - innoSYSTEM MODELL EINER LUPE Material: 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 2 Blenden mit 1 und 2 Schlitzen 1 Modellkörper plankonvex 1 Modellkörper halbkreisförmig Zunächst wird in der Mitte der Aufbauplatte die optische Achse eingezeichnet. Die waagrecht liegende Leuchte wird am linken Rand, die Plankonvexlinse und der Halbkreiskörper, der als Konvexlinse kleiner Brennweite dient, werden der Abbildung entsprechend aufgebaut. Der Gegenstand G (Gegenstandsgröße G = 5 cm) wird eingezeichnet. Zunächst kann nur die Plankonvexlinse in der Funktion als Lupe verwendet werden. Die Spitze des Gegenstandes G wird durch den Schnittpunkt zweier Lichtstrahlen, die von den beiden Leuchten herkommen, fixiert. Die Lage dieser Plankonvexlinse und der Verlauf der Lichtstrahlen vor und nach der Brechung wird eingezeichnet. Die Verlängerung der beiden gebrochenen Lichtstrahlen ergibt den Standort des virtuellen Bildes B. Nun wird der Halbkreiskörper als Modell einer Augenlinse aufgebaut. Werden die Leuchten eingeschaltet, erkennt man die Entstehung des Bildes B1 in der Netzhaut des Auges. Wird die Position der Augenlinse eingezeichnet und der Schnittpunkt mit der optischen Achse (Abbildung) als Pupille bezeichnet, können die beiden Sehwinkel α und β eingezeichnet werden. α ist der Winkel zwischen der optischen Achse und der Verbindungslinie Gegenstandsspitze-Pupille, β ist der Winkel, den die optische Achse mit der Verbindungslinie Pupille-Spitze des Bildes einschließt. Die Lupe vergrößert den Sehwinkel; β ist stets größer als α. Hinweis: Die Lupe wird normalerweise im Grenzfall g fast gleich f benutzt, sodass die gebrochenen Strahlen nahezu parallel auf das Auge treffen. Das Bild wird dadurch mit fast entspanntem Auge betrachtet. O 50 NTL - innoSYSTEM MODELL EINES MIKROSKOPS Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 2 Modellkörper plankonvex 1 Modellkörper halbkreisförmig Zunächst wird die optische Achse eingezeichnet, aus den beiden Plankonvexlinsen wird eine Bikonvexlinse gebildet. Objektiv, Okular und die Leuchte werden der Skizze entsprechend aufgestellt. Der Ausgangspunkt der beiden divergenten Lichtstrahlen dient als Gegenstandspunkt. Das Objektiv erzeugt vom Gegenstandspunkt einen reellen Bildpunkt B, den das Okular auf die Netzhaut des Auges abbildet. Die beiden aus dem Okular austretenden Lichtstrahlen verlaufen annähernd parallel, sodass das Auge in nahezu entspannter Stellung betrachten kann. Werden diese Lichtstrahlen verlängert, läßt sich erkennen, dass das Mikroskop die Aufgabe hat, den Sehwinkel zu vergrößern. O 51 NTL - innoSYSTEM MODELL EINES ASTRONOMISCHEN FERNROHRES Material: 1 Modellkörper halbkreisförmig 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 3 und 5 Schlitzen 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 1 Modellkörper plankonvex Zunächst wird die optische Achse eingezeichnet. Leuchte, Objektiv und Okular werden der Abbildung entsprechend aufgestellt. Die parallel von der Leuchte ausgehenden Lichtstrahlen zeigen, dass das Licht von einem weit entfernten Gegenstand her kommt. Die im Vergleich zum Okular langbrennweitige Sammellinse des Objektivs erzeugt einen reellen Bildpunkt praktisch im Brennpunkt des Objektivs. Dieser wird durch das Okular auf die Netzhaut des Auges abgebildet. Die parallel austretenden Lichtstrahlen ermöglichen es dem Auge, den Gegenstand in entspannter Stellung zu betrachten. Werden diese Lichtstrahlen verlängert, ist der durch das Fernrohr vergrößerte Sehwinkel zu erkennen. Der zweite Versuch, der wiederum der Abbildung entsprechend aufgebaut wird, zeigt, dass die Brennpunkte der beiden Sammellinsen zusammenfallen: es handelt sich um ein telezentrisches System, die Länge des Fernrohres ergibt sich aus der Summe der einzelnen Brennweiten. Nur so bleibt ein parallel einfallendes Strahlenbündel nach Durchgang durch das optische System parallel. Zudem zeigt sich, dass der Durchmesser des Lichtbündels verkleinert wird, die Leuchtdichte steigt. Gegenstände, die mit dem freiem Auge nicht gesehen werden können, sind aus diesem Grund mit dem Fernrohr beobachtbar. O 52 NTL - innoSYSTEM MODELL EINES GALILEISCHEN FERNROHRES Material: 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Overheadstift, wasserlöslich Lineal 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 3 und 5 Schlitzen 1 Modellkörper plankonvex 1 Modellkörper plankonkav Zunächst wird die optische Achse eingezeichnet. Leuchte, Objektiv und Okular werden der Abbildung entsprechend aufgestellt. Die von der Leuchte her kommenden parallelen Lichtstrahlen stellen die von einem relativ weit entfernten Gegenstand her kommenden Lichtstrahlen dar. Sie fallen unter dem Sehwinkel α ein. Das Objektiv sammelt die Lichtstrahlen. Bevor sie im Gegenstandspunkt vereinigt werden, werden sie von der Konkavlinse zerstreut, sodass sie aus ihr parallel austreten. Diese Lichtstrahlen fallen in das Auge ein und werden mit entspanntem Auge betrachtet. Es zeigt sich, dass das Fernrohr den Sehwinkel vergrößert (β > α). Der zweite Versuch stellt das Galileische Fernrohr als telezentrisches System dar. Parallel einfallende Strahlen treten nach Durchgang durch dieses optische System wieder parallel aus. Der Durchmesser des Strahlenbündels ist verkleinert, weshalb die Leuchtdichte vergrößert wird. Die Fernrohrlänge ist der Differenz der beiden Brennweiten gleich, da der rückwärtige Brennpunkt der Sammellinse mit dem vorderen Brennpunkt der Zerstreuungslinse zusammenfällt. O 53 NTL - innoSYSTEM FARBZERSTREUUNG (DISPERSION) Material: 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 1 Glasprisma 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung Die Leuchte mit Blende mit 1 Schlitz wird am linken unteren Rand der Aufbauplatte aufgestellt. Der „weiße“ Lichtstrahl fällt durch das knapp davor aufgestellte optische Prisma. Der Lichtstrahl spaltet sich beim Durchgang durch das Prisma in die Spektralfarben auf, wobei rot am wenigsten, violett am stärksten abgelenkt wird. O 54 NTL - innoSYSTEM SPEKTRALFARBEN SIND NICHT WEITER ZERLEGBAR Material: 1 Modellkörper Prisma 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 1 Glasprisma Die Leuchte wird am unteren linken Rand der Aufbauplatte aufgestellt. Der „weiße" Lichtstrahl wird beim Durchgang durch das optische Prisma in die Spektralfarben zerlegt. Der Abbildung entsprechend wird eine weitere Prismenkante in den Strahlengang geschoben. Die einzelnen Lichtstrahlen des Spektrums werden einerseits gebrochen andererseits reflektiert. In keinem der beiden Fälle ist eine weitere Aufspaltung der Spektralfarben zu erkennen. Spektralfarben können also nicht mehr weiter zerlegt werden. Hinweis: Durch Drehung des rechtwinkelig-gleichschenkeligen Prismas kann die Intensität des reflektierten oder des gebrochenen Farbanteiles ebenso wie die Farbsättigung beeinflusst werden. O 55 NTL - innoSYSTEM SAMMLUNG DER SPEKTRALFARBEN ZU WEISS Material: 1 Modellkörper plankonvex 1 Modellkörper halbkreisförmig 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 1 Glasprisma Die Leuchte mit Blende mit 1 Schlitz wird am unteren linken Rand der Aufbauplatte aufgestellt. Mit dem Prisma wird ein kontinuierliches Spektrum erzeugt. Aus der Plankonvexlinse und dem Halbkreiskörper wird eine Bikonvexlinse gebildet und der Abbildung entsprechend aufgestellt. Die Spektralfarben werden beim Durchgang durch die Sammellinse zu einer Mischfarbe gesammelt. Die Mischfarbe ist bei Vorliegen eines kontinuierlichen Spektrums weiß. O 56 NTL - innoSYSTEM DIE MISCHFARBE DES DURCHGELASSENEN LICHTES Material: 1 Modellkörper plankonvex 1 Modellkörper halbkreisförmig 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 2 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 1 Glasprisma Am unteren linken Rand der Aufbauplatte wird eine Leuchte mit Einfachspalt aufgestellt. Mit Hilfe des optischen Prismas wird ein kontinuierliches Spektrum erzeugt. Der Abbildung entsprechend bringt man dann eine Bikonvexlinse bestehend aus Plankonvexlinse und Halbkreiskörper in den Strahlengang. Es ergibt sich die Mischfarbe weiß. In der Folge wird mit der Kante des Spalts die Spektralfarbe violett, dann der Bereich violett-blau usw. abgedeckt. Die durch die Linse gebrochenen Farbanteile ergeben dann die Mischfarbe des durchgelassenen Lichtes. Der Versuch kann vom roten Bereich her kommend wiederholt werden beziehungsweise kann der Spalt so in den Strahlengang gebracht werden, dass nur ein mittlerer Teil der Spektralfarben durchgelassen wird. O 57 NTL - innoSYSTEM KOMPLEMENTÄRFARBEN Material: 1 Modellkörper plankonvex 1 Modellkörper halbkreisförmig 1 Lampentrafo 2 Verbindungsleitungen 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Blende mit 1 und 2 Schlitzen 1 Glasprisma 1 Modellkörper Prisma Mittels Leuchte und Prisma wird ein kontinuierliches Spektrum erzeugt. Aus der Plankonvexlinse und dem Halbkreiskörper wird eine Bikonvexlinse gebildet, die der Skizze entsprechend aufgebaut wird. Die Bikonvexlinse sammelt die Spektralfarben zu weiß. Zwischen Prisma und Linse wird das rechtwinkeliggleichschenkelige Prisma der Abbildung entsprechend beispielsweise in den roten Bereich des Spektrums eingebracht. Durch Brechung an diesem Prisma wird dieser spektrale Bereich ausgelenkt. Nach Durchgang durch die Sammellinse werden zwei Komplementärfarben erhalten. Schiebt man das Prisma weiter durch den Spektralbereich durch, erhält man weitere Paare von Komplementärfarben. Hinweis: Dieser Vorgang kann auch im violetten Bereich begonnen werden. O 58 NTL - innoSYSTEM SUBTRAKTIVE FARBMISCHUNG Material: Farbfilterscheiben, subtraktiv, Satz von 3 Stück Die drei Farbfilterscheiben mit den subtarktiven Grundfarben cyan, magenta und gelb werden, der Abbildung entsprechend, teilweise überlappend gegen eine helle Fläche gehalten. Im Überlappungsbereich ergeben sich die additiven Grundfarben rot, blau und grün O 59 NTL - innoSYSTEM ADDITIVE FARBMISCHUNG Material: 1 Spiegel, Demo, Satz von 3 Stück 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung 1 Aufbauplatte komplett 1 Magnetleuchte Xenon 1 Dreifarbenfilter additiv, rot, blau, grün 1 Projektionskeil Das Dreifarbenfilter additiv wird vor die Magnetleuchte geschoben. Durch den gezogenen Stift tritt aus der Leuchte eindivergierendes Lichtbündel in den drei additiven Grundfarben rot, blau und grün aus. Mit Hilfe der drei Spiegel werden, der Abbildung entsprechend, die einzelnen Farbkegel auf dem Projektionskeil überlagert. Auf diese Weise erhält man die drei subtraktiven Grundfarben cyan, magenta und gelb. Dort, wo alle drei additiven Farben zusammenfallen, entsteht weiß. O 60 NTL - innoSYSTEM