1) Lichtstrahlung

Optik
1) Lichtstrahlung
1.1) Lichtstrahl
D: Ein Lichtstrahl ist ein sehr feines Lichtbündel, das sich in einem homogenen Medium
geradlinig und mit konstanter Geschwindigkeit ausbreitet.
B: 5 feine Lichtbündel an optischer Wand
B: Ein gleichmässig zusammengesetzter Stoff wie reines Wasser ist ein homogenes Medium
B: Ein Laserstrahl breitet sich geradlinig und gleichförmig aus.
E: Umkehrbarkeit
F: Es spielt keine Rolle, ob die Lichtquelle links oder rechts angebracht ist. Die Lichtwege
bleiben dieselben, nur die Richtung ändert sich.
S: Der Lichtweg ist umkehrbar.
1.2) Schatten
1.2.1) punktförmige Lichtquelle
Objekt
Lichtquelle
Leinwand
F: Es entsteht ein dunkler scharfer Schatten
1
Wand
1.2.2) ausgedehnte Lichtquelle
F: Es entstehen ein dunkler Kernschatten und halbdunkle Halbschatten
S: Eine ausgedehnte Lichtquelle verhält sich wie unzählige punktförmige Lichtquellen.
E: Modell Sonne-Erde-Mond
A: Konstruieren Sie die Schatten bei einer Mondfinsternis.
A: Konstruieren Sie die Schatten bei einer Sonnenfinsternis.
A: Kommt es jeden Monat zu einer Mond- und einer Sonnenfinsternis?
2
Erdbahn
F: Die Mondbahnebene ist zur Erdbahnebene geneigt.
F: Die Ausrichtung der Mondbahnebene bleibt im Laufe eines Jahres erhalten.
S: Finsternisse sind nur zweimal pro Jahr möglich (rote Linie).
A: Wie kommen die Mondphasen zustande?
E: Modell Sonne-Erde-Mond
E: SuS mit Styroporkugeln und Proki
Anblick von der Erde aus gesehen:
A: Wie kann man sich zu- und abnehmende Mondphase merken?
A: Gilt diese Regel auch, wenn Sie auf der südlichen Erdhalbkugel sind?
3
1.3) Lichtgeschwindigkeit c
A: Ist das Licht unendlich schnell?
E: Jupitermond Io (Beobachtungen von Olaf Römer um 1700)
Situation A:
Situation B:
F: Io taucht in Situation B immer später hinter dem Jupiter auf als in Situation A.
F: Das Licht benötigt also in Situation B jeweils eine gewisse Zeit, um von Position 1 nach
Position 2 zu gelangen.
S: Die Lichtgeschwindigkeit c ist endlich und beträgt rund 300'000
.
c = 299‘792‘458
D: Zehnerpotenzen 108 = 100’000’000
A: Notieren Sie den Wert für c in Zehnerpotenzschreibweise.
S: (Fast) jede physikalische Grösse hat eine Einheit.
D: Die Geschwindigkeit v ist Strecke s pro Zeit t
[v] =
A: Wie lange dauert es, bis ein Lichtstrahl von der Sonne bei der Erde ankommt
(s = 1.496 ∙ 1011 m)?
4
2) Lichtreflexion
2.1) Definitionen
E: optische Wand
ebener Spiegel
D: Das Lot ist eine Gerade, die senkrecht (90°) zur reflektierenden Fläche steht.
D: Der Einfallswinkel 1 ist der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und dem Lot.
D: Der Ausfallswinkel R ist der Winkel zwischen dem ausfallenden Lichtstrahl und dem
Lot.
2.2) Reflexionsgesetz
S: Der Einfallswinkel ist immer gleich gross wie der Ausfallswinkel: 1 = R
A: Zeichnen Sie den weiteren Verlauf der Lichtstrahlen ein
a)
b)
A: Was fällt bei Situation b) auf?
A: Spielt dabei der Einfallswinkel eine Rolle?
E: Doppelspiegel und Laser
A: Wie müssten 3 Spiegel angeordnet werden, damit ein beliebig einfallender Lichtstrahl
wieder in dieselbe Richtung zurückgeworfen wird?
B: Katzenaugen am Velo, Retroreflektoren auf dem Mond, Kristalle in Bodenmarkierungen
A: Wie sieht das reflektierte Bild in Situation b) aus?
5
2.3) Spiegelbilder
E: Gegenstand vor Spiegel
F: Es sieht so aus, als stünde das Objekt hinter dem Spiegel, und zwar in demselben Abstand
zum Spiegel.
A: Konstruieren Sie in folgender Situation das Spiegelbild.
A: Wie verläuft ein von der Spitze des Gegenstandes ausgehender Lichtstrahl?
A: Sie stehen im Punkt A. In welcher Richtung sehen Sie jeweils das Bild des
Gegenstandes B?
A
A
B
B
A: Zeichnen Sie jeweils den von B ausgehenden Lichtstrahl ein, den Sie bei A empfangen.
A: Kann die Person in folgender Situation ihre Füsse im Wandspiegel sehen?
6
E: Vergleichen Sie Ihr Spiegelbild in einem ebenen Spiegel und in einem gegen Sie
gewölbten Löffel. Was fällt auf?
A: Wie werden die parallel einfallenden Lichtstrahlen reflektiert?
F: Die Lichtstrahlen werden aufgefächert und scheinen vom Punkt F aus zu kommen.
A: Konstruieren Sie das Spiegelbild des Gegenstandes.
Gegenstand
E: Was passiert, wenn Sie den Löffel umdrehen?
Fall A: Das Bild wird kleiner und steht auf dem Kopf, wenn der Gegenstand fern ist.
Fall B: Das Bild wird grösser und steht aufrecht, wenn der Gegenstand nahe ist.
7
A: Wie werden die parallel einfallenden Lichtstrahlen reflektiert?
F: Die Lichtstrahlen werden im Punkt F gebündelt
A: Konstruieren Sie für folgende Fälle das Spiegelbild.
Fall A)
G
Fall B)
8
3) Optische Abbildung
3.1) Camera Obscura
E: Lochkamera
F: Das Bild steht auf dem Kopf.
A: Konstruieren Sie den Strahlengang.
D: Die Blende ist eine kreisrunde in ihrem Durchmesser variierbare Öffnung.
A: Was passiert mit dem Bild bei grosser Blendenöffnung?
A: Was passiert bei kleiner Blendenöffnung?
9
3.2) Abbildungsmassstab A
E: Lochkamera
A: Was passiert, wenn der Gegenstand von der Blende entfernt wird?
D: Der Abbildungsmassstab A ist gleich dem Verhältnis zwischen Bildgrösse B und
Gegenstandsgrösse G.
A: Berechnen Sie den Abbildungsmassstab, wenn der Gegenstand 5 cm und sein Bild 8 cm
hoch sind.
S: Die Einheiten können in den Formeln wie Variablen in der Mathematik behandelt werden.
A: Welchem Verhältnis entspricht der Abbildungsmassstab auch noch?
G
B
D: Die Bildweite b gibt die Distanz von Bild zur Blende an.
D: Die Gegenstandsweite g gibt die Distanz vom Gegenstand zur Blende an.
S: Es gilt
A: Mit einer Lochkamera wird aus 20 m Entfernung ein 8 m hoher Baum auf dem Schirm
abgebildet. Wie hoch ist das Bild, wenn der Schirm 15 cm hinter der Blende steht?
10
4) Lichtbrechung
4.1) Brechzahl n
A: Ist das Licht immer gleich schnell?
F: Der Wert auf Seite 4 gilt nur für einen Lichtstrahl im Vakuum.
S: Dringt der Lichtstrahl in ein Medium ein, wird die Lichtgeschwindigkeit kleiner.
Vakuum
Medium
D: Die Geschwindigkeit cM ist die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium.
D: Die Brechzahl n gibt an, um wie viel sich die Lichtgeschwindigkeit ändert.
F: n hat keine Einheit.
S: Es gilt
A: Berechnen Sie die Lichtgeschwindigkeit in der Luft (nVakuum-Luft = 1.00027).
4.2) Brechungsgesetz
S: Dringt der Lichtstrahl von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium,
verkleinert sich die Lichtgeschwindigkeit noch einmal.
Medium 1
Medium 2
(optisch dünn) (optisch dicht)
D: Die Brechzahl n12 gibt an, um wie viel sich die Lichtgeschwindigkeit beim Übergang vom
optisch dünneren Medium 1 ins optisch dichtere Medium 2 ändert.
S: Es gilt
n12 =
A: Berechnen Sie c in Wasser, wenn der Lichtstrahl aus der Luft kam (nLuft-Wasser = 1.333).
11
A: Was geschieht, wenn der Lichtstrahl nicht senkrecht zur Übergangsfläche vom optisch
dünnen Medium (hier Luft) ins optisch dichte Medium (hier Plexiglas) einfällt?
E: optische Wand
S: Der Lichtstrahl wird zum Lot hin gebrochen, da cPlexiglas < cLuft
E: zwei parallele Laserstrahlen aus Luft in Wasser
Lot
12
E: Einfallswinkel ändern
optisch dünn
optisch dicht
D: Der Einfallswinkel 1 ist der Winkel zwischen einfallendem Lichtstrahl und dem Lot.
D: Der Brechungswinkel 2 ist der Winkel zwischen gebrochenem Lichtstrahl und dem Lot.
S: 1 hängt von 2 ab
Brechung am Übergang Luft-Wasser
Brechungswinkel
in Grad
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Einfallswinkel (in Grad)
A: Ein Lichtstrahl bewegt sich nach dem Übergang Luft-Wasser unter einem Winkel von 35°
zum Lot fort. Unter welchem Winkel fiel er aufs Wasser?
S: Beim Übergang des Lichtstrahls vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium gilt:
1 > 2
13
A: Was passiert, wenn der Lichtstrahl vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium
wechselt?
optisch dünn
optisch dicht
F: Der Strahl wird vom Lot weg gebrochen.
S: Beim Übergang vom dichteren ins dünnere Medium gilt: 1 < 2
E: Geraden Stab in Wasser eintauchen
F: Es sieht so aus, als ob der Stab nach oben geknickt wäre
A: Zeichnen Sie den Strahlengang der Stabspitze
14
A: Was passiert, wenn der Einfallswinkel einen gewissen Wert überschreitet?
E: Totalreflexion
F: Der gesamte Lichtstrahl wird an der Wasserunterseite gemäss Reflexionsgesetz reflektiert
→ Totalreflexion
D: Der Grenzwinkel G ist der Winkel, ab welchem es zur Totalreflexion kommt.
B: G,Wasser,Luft = 49° (s. Graphik auf Seite 13)
B: Luftspiegelung
F: Heisse Luft knapp über dem Boden ist optisch dünner als höher gelegene Luftschicht.
Flach einfallende Lichtstrahlen werden an der Übergansschicht totalreflektiert.
15
5.) Linsen
5.1) Sammellinsen
B: Sammellinse aus optischer Wand
F: Eine Sammellinse ist in der Mitte dicker als am Rand.
D: Die optische Achse ist jene Gerade, die durch die Mitte der Linse geht und senkrecht zur
Linsenebene steht.
A: Was passiert mit zur optischen Achse parallel einfallenden Lichtstrahlen?
optische Achse
F: Der Mittelpunktsstrahl durchdringt eine Sammellinse ohne Richtungsänderung.
F: Die achsennahen Strahlen werden gemäss Brechungsgesetz zweimal in dieselbe Richtung
gebrochen und dadurch gebündelt.
D: Der Brennpunkt F (Fokus) ist der Punkt, wo die gebündelten Strahlen zusammenlaufen.
F: Anstatt die Brechung an der Vorder- und Rückseite der Linse zu konstruieren, zeichnen wir
zur Vereinfachung die Strahlen bis zur Mittelebene und knicken sie dort nur einmal ab:
D: Die Brennweite f ist die Distanz vom Brennpunkt zur Mittelebene.
16
E: Lupe und Leuchtstoffröhre
F: Wie bei der Lochkamera kann auch eine Sammellinse ein Bild eines Gegenstandes
erzeugen.
A: Konstruieren Sie das Bild des Gegenstandes
G
F
S: Jeder Strahl, der durch den Mittelpunkt der Linse geht, ändert seine Richtung nicht.
A: Was passiert mit dem Bild, wenn der Gegenstand immer näher zur Linse hin rückt?
G1
G2
G3
G4
F2
F1
F: B wird immer grösser und befindet sich weiter weg von der Mittelebene
F: Falls Gegenstand im diesseitigen Brennpunkt steht, kreuzen sich die beiden Strahlen nie.
F: Wie bei der Lochkamera gibt es Bild- und Gegenstandsgrösse, sowie Bild- und
Gegenstandsweite, wobei die Mittelebene die Position der Blende einnimmt.
S: Es gelten dieselben Gesetzmässigkeiten wie beim Abbildungsmassstab einer Lochkamera
(vergl. S. 10).
A: Ein Fotoamateur hat 3 cm hohe Dias und eine Projektionswand von 1.5 m Höhe. Wie weit
sind die Dias von der Projektionslinse entfernt, wenn diese 5.1 m weit weg von der
Projektionswand ist?
17
S: Zusätzlich zum Abbildungsmassstab gilt die Linsenformel
A: Leiten sie die Linsenformel her.
G
F
A: Ein 3cm hoher Gegenstand befindet sich 9cm vor einer Sammellinse mit Brennweite 5 cm.
Berechnen Sie die Bildweite.
5.2) Zerstreuungslinsen
B: Linse aus optischer Wand
F: Eine Zerstreuungslinse ist in der Mitte dünner als am Rand.
A: Was passiert mit zur optischen Achse parallel einfallenden Lichtstrahlen?
F: Der Mittelpunktsstrahl durchdringt eine Zerstreuungslinse ohne Richtungsänderung.
18
F: Die achsennahen Strahlen werden gemäss Brechungsgesetz zweimal in dieselbe Richtung
gebrochen und dabei zerstreut.
E: optische Wand
F: Die gebrochenen Strahlen scheinen aus dem Punkt F zu kommen.
S: Zerstreuungslinsen haben negative Brennweiten.
E: Zerstreuungslinse und Leuchtstoffröhre
F: Im Gegensatz zur Sammellinse kann man mit einer Zerstreuungslinse alleine kein reelles
Bild erzeugen. Aber man kann sie für Linsenkombinationen einsetzen.
B: Feldstecher
5.3) Linsenkombinationen
A: Wo liegt der Brennpunkt der folgenden Linsenkombinationen?
F1
o.A.
F: Der Brennpunkt der Linsenkombination liegt näher bei den Linsen.
o.A.
F1
F: Der Brennpunkt der Linsenkombination entfernt sich von den Linsen.
S: Stehen zwei Linsen im Abstand d, gilt:
D: f = Brennweite der Linsenkombination
A: Eine Linse L1 mit Brennweite 8 cm wird 20 cm von einer Linse mit -4cm Brennweite
aufgestellt. Berechnen Sie die Brennweite der Linsenkombination.
19
6) Das menschliche Auge
6.1) Aufbau und Funktion
F: Linse bündelt Licht auf Netzhaut.
F: Netzhaut: Lichtempfindliche Elemente leiten elektrische Impulse zum Sehnerv
F: Sehnerv: leitet elektrische Impulse zum Hirn weiter.
F: Iris: reguliert einfallende Lichtmenge (Blende).
F: Blinder Fleck: lichtunempfindliche Stelle der Netzhaut
E: Taschenlampe in Auge
F: Bei Vergrösserung der Lichtmenge verkleinert sich die Pupille
E: Blinder Fleck. Punkt 10 cm von Kreuz, linkes Auge zu, rechtes Auge auf linken Punkt
fixieren, Heft ausstrecken und langsam annähern.
F: Wenn das Kreuz verschwindet, bündeln sich Lichtstrahlen genau im Blinden Fleck.
6.2) Sehfehler
S: Kurzsichtige Personen sehen auf kurze Distanzen scharf.
F: Der Brennpunkt der Lichtstrahlen liegt vor der Netzhaut.
S: Kurzsichtigkeit behebt man durch Zerstreuungslinsen
20
S: Weitsichtige Personen sehen auf weite Distanzen scharf.
F: Der Brennpunkt der Lichtstrahlen liegt hinter der Netzhaut.
S: Weitsichtigkeit behebt man durch Sammellinsen.
S: Bei Brillen und Kontaktlinsen gibt man nicht die Brennweite an, sondern die so genannte
Brechkraft D.
D: Die Brechkraft D ist der Kehrwert der Brennweite.
[D] = dpt (Dioptrie) =
A: Ein normalsichtiges Auge hat eine Brennweite von 2.3 cm. Berechnen Sie die Brechkraft
der Augenlinse.
A: Ein fehlsichtiges Auge habe eine um 1 mm zu grosse Brennweite. Berechnen Sie die
Brechkraft der Augenlinse und die Brechkraft der Korrekturlinse.
21
7) Optische Instrumente
7.1) Lupe
A: Was machen Sie, um die Schrift auf einem entfernten Plakat besser lesen zu können?
F: Durch Annäherung vergrössern wir den so genannten Sehwinkel eines Gegenstandes.
D: Der Sehwinkel  ist der Winkel, unter dem man die äusersten Punkte eines Gegenstandes
erkennt.
F: Das Bild auf der Netzhaut steht auf dem Kopf. Unser Hirn korrigiert dies.
A: Was passiert, wenn in mittlerer Distanz (Armlänge) vor dem Auge eine Sammellinse
(Lupe) angebracht wird?
F: Die Lupe vergrössert sich der Sehwinkel scheinbar.
A: Wie stark vergrössert eine Lupe den Sehwinkel?
S: Es gilt
wobei: VL = Vergrösserung der Lupe
S = deutliche Sehweite = 0.25m
fL = Brennweite der Lupe
D: Die deutliche Sehweite s ist die Distanz, in der wir ein Objekt noch ohne grosse
Anstrengung, d.h. ohne die Form der Augenlinse stark zu verändern, betrachten können.
A: Wie stark vergrössert eine Lupe mit 15 cm Brennweite?
22
7.2) Mikroskop
A: Wie kann man den Sehwinkel von ganz nahen Objekten nochmals vergrössern?
F: Man vergrössert den Gegenstand mit einer kleiner Sammellinse (Objektiv) und vergrössert
das Bild mit einer mittelgrossen Lupe (Okular) nochmals.
Objektiv
Okular
D: Das Objektiv ist die dem Gegenstand zugewandte Linse, das Okular die dem Auge
zugewandte Linse.
A: Wie stark vergrössert ein Mikroskop den Sehwinkel?
S: Es gilt
wobei:
VL = Vergrösserung des Mikroskops
t =Abstand der beiden Brennpunkte
fOb = Brennweite des Objektivs
fOk = Brennweite des Okulars
A: Wie weit sind die Brennpunkte bei einem Mikroskop mit 100-facher Vergrösserung
entfernt, wenn das Objektiv eine Brennweite von 2 cm und das Okular eine Brennweite von
5 cm aufweisen?
7.3) Linsenfernrohr (Refraktor)
A: Wie kann man den Sehwinkel von sehr weit entfernten Gegenständen (z.B. Mond)
vergrössern?
F: Das Licht wird mit einer grossen Sammellinse gebündelt und mit einer mittelgrossen Lupe
vergrössert.
B: Kepler-Fernrohr
23
S: Beim Linsenfernrohr fallen die Brennpunkte von Objektiv und Okular zusammen.
A: Wie stark vergrössert ein Linsenfernrohr den Sehwinkel?
S: Es gilt
wobei:
VF = Vergrösserung des Linsenfernrohrs
A: Was für ein Okular muss man in ein Fernrohr mit Objektivbrennweite 2 m einsetzen, um
eine 100-fache Vergrösserung zu erzielen?
F: Das Bild beim Kepler-Fernrohr steht auf dem Kopf (Punktspiegelung).
A: Wie könnte man dies verhindern?
F: Das Bild beim Galilei-Fernrohr steht aufrecht.
7.4) Spiegelfernrohr (Reflektor)
S: Anstelle einer grossen Objektivlinse kann ein Hohlspiegel verwendet werden.
B: Newton-Fernrohr
B: Cassegrain-Fernrohr
F: Auch das Bild im Cassegrain-Fernrohr steht auf dem Kopf.
24
8) Farben
8.1) Farbspektrum
E: weissen Lichtstrahl durch Prisma schicken
Glasprisma
F: Weisses Licht ist eine Mischung aus Strahlen mit unterschiedlicher Brechzahl. Blaue
Strahlen werden stärker gebrochen als rote, d.h. die Lichtgeschwindigkeit im Prisma ist für
rote Strahlen grösser als für blaue.
F: Das Spektrum geht bei Infrarot und Ultraviolett unsichtbar für unser Auge weiter.
E: Spektralfarben durch Sammellinse bündeln
F: Alle Spektralfarben zusammengemischt ergeben wiederum weisses Licht.
E: drei Grundfarben mischen
F: Weisses Licht lässt sich auch durch Mischen dreier Grundfarben erzeugen.
25
8.2) Additive Farbmischung
A: Was passiert, wenn man nur zwei Grundfarben mischt?
rot + grün =
, blau + rot =
, blau + grün =
F: Diese Art der Farbmischung ist anders als beim Malkasten (s. Kap. 8.3).
S: Bei der additiven Farbmischung entsteht durch Überlagerung von Lichtstrahlen mit
verschiedenen Farben eine Mischfarbe.
B: Röhrenbildschirm eines Farbfernsehers
F: Durch Variieren der Anteile dreier Grundfarben können sämtliche Farben des Spektrums
additiv gemischt werden.
S: Als Faustregel gilt: Zwei nahe beieinander liegende Spektralfarben haben als Mischfarbe
eine dazwischenliegende Spektralfarbe.
B: rot + grün = gelb
8.3) Subtraktive Farbmischung
A: Was passiert, wenn man aus dem weissen Licht eine einzelne Farbe herausnimmt?
F: Die restlichen Farben mischen sich zur Komplementärfarbe der fehlenden Farbe
B: rot – grün, gelb – violett, blau – orange
F: Komplementärfarben ergeben einen starken Kontrast und „harmonieren“ nicht gut
zusammen.
B: violett und gelb
26
A: Warum erscheint eine Rose rot?
F: Sie verschluckt das grüne Licht. Der reflektierte Rest ergibt gemischt die
Komplementärfarbe rot.
S: Welche Farben von der Oberfläche eines Körpers verschluckt bzw. reflektiert werden,
hängt vom atomaren Aufbau des Gegenstandes ab.
B: Intensitätsdiagramme
rot
v
b
gr
gelb
ge o
r
v
b
gr
blau
ge o
r
v
b
gr
ge o
A: Was resultiert, wenn man eine rote und eine blaue Malfarbe vermischt?
F: Es entsteht eine Substanz, die grünes und oranges Licht verschluckt. Resultat: violett
B: Diagramm zu violett
v
b
gr
ge
o
r
v
b
gr
ge o
r
S: Beim Malkasten lassen sich aus den Grundfarben gelb, blau und rot alle anderen Farben
subtraktiv mischen.
A: Auf welche drei Arten kann der Farbeindruck gelb entstehen?
- spektralreines gelb aus dem Spektrum isolieren
- spektralreines grün und rot additiv mischen
- Subtraktion der Komplementärfarbe violett aus dem weissen Licht.
F: Unser Auge kann keine der drei Farbeindrücke unterscheiden. Erst ein Prisma würde die
entsprechende Entstehungsart erkennen lassen.
27
r
9) Optische Naturphänomene
9.1) Regenbogen
S: Um einen Regenbogen zu sehen, muss man mit dem Rücken zur Sonne in eine Regenwand
blicken.
F: Bei günstigen Verhältnissen entstehen ein Haupt- und ein schwächerer dafür grösserer
Nebenregenbogen.
A: Wie entsteht der Hauptregenbogen?
Regentropf
F: Der weisse Lichtstrahl wird beim Eintritt in den Tropfen gebrochen und in Spektralfarben
zerlegt. Die farbigen Strahlen werden dann an der Innenseite des Tropfes totalreflektiert und
beim Austritt aus dem Tropfen ein zweites Mal gebrochen.
F: Der Regenbogen ist eine Kombination aus Lichtbrechung und Reflexion.
28
A: Wie entsteht der Nebenregenbogen?
F: Die farbigen Strahlen werden an der Tropfinnenseite zweimal total reflektiert.
A: Erklären Sie die Reihenfolge der Farben im Haupt- und Nebenregenbogen.
F: Die verschiedenen Farben kommen aus unterschiedlichen Regenzonen.
S: Fällt das Sonnenlicht horizontal ein, bildet der Hauptregenbogen beim Beobachter einen
Winkel von 42°, der Nebenregenbogen einen Winkel von 51°.
A: Was passiert, wenn wir auf den Regenbogen zugehen?
29
9.2) Abendrot
E: Weisses Licht durch milchiges Wasser
F: Der vorher weisse Glühdraht erscheint rötlich.
S: Die Lichtstrahlen werden an den Milchtropfen gestreut (abgelenkt). Die blauen stärker als
die roten.
A: Warum erscheint die Sonne am Abend rot, am Mittag hingegen gelblich-weiss?
Erde
F: Die Lichtstrahlen werden an den Luftmolekülen und Staubteilchen in der Atmosphäre
gestreut. Je dicker die Luftschicht, desto weniger blaue Lichtstrahlen können jene
durchdringen.
9.3) Himmelblau
A: Wer sieht die beim Beobachter des Abendrots gestreuten
"fehlenden" blauen Lichtstrahlen?
30
9.4) Farbinterferenz
A: Wie entstehen die unterschiedlichen Farben an Seifenblasen?
F: Die Seifenblasenhaut verstärkt bzw. schwächt einzelne Farbanteile ab.
F: Einen weissen Lichtstrahl können wir uns als Welle mit verschiedenen Wellenlängen
vorstellen.
E: Seilwelle
D: Die Wellenlänge ist die Distanz zwischen zwei Wellenbergen (oder Wellentälern).
B:
rot
gelb
blau
S: Die Wellenlänge bestimmt die Farbe des Lichtstrahls.
S: Weisses Licht besteht aus einem Gemisch von verschiedenen Wellen mit unterschiedlichen
Wellenlängen.
A: Was passiert, wenn sich zwei Wellen überlagern?
31
B: Zwei identische Wasserwellen laufen aufeinander zu und treffen sich bei einem
schwimmenden Korkzapfen.
Fall A) Es treffen immer Wellenberge auf Wellenberge bzw. Wellentäler auf Wellentäler:
F: Die Wellenberge türmen sich zu doppelt so hohen Bergen auf, die Täler werden doppelt so
tief.
Fall B) Es treffen immer Berge auf Täler und Täler auf Berge:
F: Berge und Täler löschen sich gegenseitig aus.
Fall C) Berge bzw. Täler treffen versetzt zueinander ein:
F: Je nach Grad der Versetzung (Phase) werden sich die Wellen verstärken oder
abschwächen.
A: Was passiert, wenn ein weisser Lichtstrahl auf die Seifenblasenhaut trifft?
F: Ein Teil des Lichtes wird an der Oberfläche der Haut reflektiert. Wellenberge als
Wellenberge und Wellentäler als Wellentäler
F: Ein anderer Teil dringt in die Haut ein und wird an der Innenseite der Haut reflektiert.
Berge als Täler und Täler als Berge.
32
S: Entspricht die Dicke der Haut gerade der Wellenlänge eines bestimmten Lichtstrahls,
beträgt der Versetzungsgrad der beiden reflektierten Wellen gerade eine halbe Wellenlänge.
D.h. sie löschen sich gegenseitig aus (Fall B).
F: Die zu der entsprechenden Wellenlänge gehörende Farbe fehlt im reflektierten Licht.
S: Entspricht die Dicke der Haut gerade einer halben Wellenlänge, beträgt die Versetzung
gerade eine ganze Wellenlänge (Fall A).
F: Die entsprechende Farbe hat sich noch verstärkt.
F: Andere Farben, deren Wellenlängen nicht der Dicke der Haut entsprechen, werden etwas
abgeschwächt oder etwas verstärkt (Fall C)
S: Je nach Dicke der Seifenschicht werden andere Farben verstärkt oder abgeschwächt.
A: Wie kommen die Farben bei einer CD zustande?
F: Auch hier werden je nach Wellenlänge und Einfallswinkel die Wellen unterschiedlich stark
versetzt und damit verstärkt oder abgeschwächt.
33
A: Wie kommen so genannte überzählige Bögen im Regenbogen zustande?
F: Infolge unterschiedlicher Lichtwege für die Strahlen ein und derselben Farbe kommt es zu
Versetzungen und damit Interferenzen. Würde man beispielsweise nur gelbes Licht in eine
Regenwand schicken, bestünde der Regenbogen aus mehreren immer schwächer werdenden
gelben Bögen.
F: Der Regenbogen ist somit ein Phänomen aus Lichtbrechung, Reflexion und Interferenz.
34