Jetzinger
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GEOMETRISCHE OPTIK I Schulversuchspraktikum WS 2002 / 2003 Jetzinger Anamaria Mat.Nr. 9755276 Inhaltsverzeichnis 1. Mond und Sonnenfinsternis 1.1 Theoretische Grundlagen zur Mond und Sonnenfinsternis 1.1.1 Der Mondlauf 1.1.2 Die Mondfinsternis 1.1.3 Sonnenfinsternis 1.2 Experimente 1.3 Mitschrift 2.Reflexion des Lichtes 2.1 Theoretische Grundlagen 2.2 Experimente 2.2.1 Reflexion des Lichtes: regulär 2.2.2 Reflexion des Lichtes: diffus 2.2.3 Reflexionsgesetz 2.3 Mitschrift 3.Spiegel 3.1 Theoretische Grundlagen 3.1.1 Der ebene Spiegel 3.1.2 Der Konkavspiegel 3.1.3 Der Konvexspiegel 3.2 Experimente 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 Das virtuelle Bild des Spiegels Der Konkavspiegel Der Konvexspiegel Katakaustik - Parabolspiegel Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang Konkavspiegelgleichung - Konstruktion von Konkavspiegelbildern 3.3 Mitschrift 4. Lernziele 1 Geometrische Optik 1 Mond und Sonnenfinsternis Reflexion Spiegel Literatur Praktikum physikalischer Demonstration Beschreibung zu den Schulversuchen Physik 2. Klasse Sexl - Raab - Streeruwitz Physik 2. Klasse Schreiner Physik 4. Klasse Gollenz - Konrad - Stuzka - Eder Optik ist die Lehre vom Licht. Sie befasst sich mit den Ereignissen, die vom Auge wahrgenommen werden. Das Thema gehört zum Lehrplan der vierten und sechsten Klasse Realgymnasiums. Die Experimente wurden am 17.10.2002 und am 24.10.2002 durchgeführt. In den vorigen Stunden wurden mit den Schülern folgende Themenbereiche behandelt: Ausbreitung des Lichtes Das Prinzip der Umkehrbarkeit des Lichtweges Licht und Schatten Kernschatten und Halbschatten Vor der Einführung des neuen Stoffes sollen mit den Schülern die Themen „ Ausbreitung des Lichtes“ und „Das Prinzip der Umkehrbarkeit des Lichtweges“ wiederholt werden. 2 1. Mond und Sonnenfinsternis 1.1 Theoretische Grundlagen zur Mond und Sonnenfinsternis 1.1.1 Der Mondlauf Der Mond bewegt sich auf einer elliptischen Bahn um die Erde. In seiner Umlaufbahn umrundet der Mond die Erde ca. alle 28 Tage. Die Ebene, auf der sich der Mond bewegt, nennt man Mondebene. Sie ist um 5,1° gegen die Erbahnebene ( Ekliptik ) geneigt. Deshalb schneiden sich diese beiden Ebenen. Der Lauf des Mondes ist in vier Phasen eingeteilt. In jeder Mondphase zeigt der Mond eine andere Lichtgestalt, die wir von der Erde aus sehen können. Diese verschiedenen Lichtgestalten entstehen durch die wechselnde Stellung von Sonne, Mond und Erde. Mondphase Erklärung Sichtbarkeit 1. Neumond Die unbeleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt Unsichtbar ( tags am Himmel ) zunehmender Halbmond Abends, erste Nachthälfte Die voll beleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt Ganze Nacht abnehmender Halbmond Morgens, zweite Nachthälfte 2. erstes Viertel 3. Vollmond 4. letztes Viertel Mondphasen von der Erde aus betrachtet: Quelle: http://www.zum.de/dwu 3 1.1.2 Die Mondfinsternis Wir wissen, dass sich der Mond um die Erde dreht und dass sich gleichzeitig die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne bewegt. Falls sich der Mond im Erdschatten befindet, so liegt eine Mondfinsternis vor. Zusätzlich muss noch eine Voraussetzung erfüllt werden und zwar Sonne, Mond und Erde müssen in einer Linie liegen. Das ist aber nicht immer der Fall, da die Mondebene um 5,1° gegen die Erdbahnebene ( Ekliptik ) geneigt ist. Quelle: http://www.zum.de/dwu Bei einer Mondfinsternis unterscheidet man folgende Fälle: 1.Halbschatten-Mondfinsternis: Der Vollmond taucht nur in den Halbschatten ein und zieht am Kernschatten wobei. 4 2.Partielle Mondfinsternis: Der Mond wird zum Teil vom Kernschatten getroffen. 3. Totale Mondfinsternis: Der Mond taucht vollständig in den Kernschatten der Erde ein. Quelle: http://www.zum.de/dwu 1.1.3 Sonnenfinsternis Die Sonnenfinsternis kann nur bei Vollmond stattfinden d.h. der Mond muss sich zwischen Sonne und Erde befinden. Zusätzlich müssen noch Sonne, Mond und Erde in einer Linie liegen. Quelle: http://www..zum.de/dwu 5 1.2 Experimente Sonnen- und Mondfinsternis Materialien Schiene 1000 mm Richtleuchte Prismentisch 3 Stativreiter große Kugel kleine Kugel Aufbau und Durchführung Die Richtleuchte beleuchtet eine große Kugel, die auf dem Prismentisch liegt. Die kleine Kugel kann auf beliebige Punkte eines Kreises um die große Kugel gebracht werden. Dabei stellt die große Kugel die Erde und die kleine Kugel den Mond dar. Der Abstand zwischen den Kugeln sollte ca. 10 cm betragen. Die Effekte können sehr schön beobachtet werden, wenn man anstatt der Richtleute zwei kleine Kerzen verwendet werden. Die Kerzen sollen die gleiche Größe haben. Bei dem Versuch wird folgendes beobachtet: a.) Mondphasen Der Beobachter befindet sich auf der Erde. Dabei beobachtet er die kleine Kugel. Es lassen sich die verschiedenen Phasen des Mondes erkennen. 6 b.) Sonnenfinsternis Die kleine Kugel befindet sich zwischen der Lichtquelle und der großen Kugel. Die kleine Kugel wirft einen Kernschatten auf die große Kugel. Wenn sich der Beobachter in dem Bereich dieses Schattens auf der Erde befindet, so kann er die Sonne nicht sehen. c.) Mondfinsternis Befindet sich die kleine Kugel hinter der großen Kugel, dann ist sie im Kernschatten der großen Kugel nicht zu sehen. 7 1.3 Mitschrift Der Mondlauf Der Mond bewegt sich auf einer elliptischen Bahn um die Erde. Der Lauf des Mondes ist in vier Phasen eingeteilt. Mondphase Erklärung Sichtbarkeit 1. Neumond Die unbeleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt Unsichtbar ( tags am Himmel ) zunehmender Halbmond Abends, erste Nachthälfte Die voll beleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt Ganze Nacht abnehmender Halbmond Morgens, zweite Nachthälfte 2. erstes Viertel 3. Vollmond 4. letztes Viertel 8 Mondfinsternis 1. Halbschatten-Mondfinsternis: Der Vollmond taucht nur in den Halbschatten ein und zieht am Kernschatten wobei. 2. Partielle Mondfinsternis: Der Mond wird zum Teil vom Kernschatten getroffen. 3. Totale Mondfinsternis: Der Mond taucht vollständig in den Kernschatten der Erde ein. Sonnenfinsternis Die Sonnenfinsternis kann nur beim Vollmond stattfinden. Sonne, Mond und Erde müssen in einer Linie liegen. 2. Reflexion des Lichtes 2.1 Theoretische Grundlagen Wenn Licht an der Grenze eines Mediums auf ein anderes trifft, so wird es völlig oder teilweise zurückgeworfen. Dieses Phänomen wird Reflexion genannt. Die folgende Abbildung zeigt einen Strahl, der auf eine glatte Grenzfläche zweier Medien trifft. Quelle: http://www.physik.fu-berlin 9 An dieser Stelle ist die Erklärung zweier Begriffe notwendig: Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftretenden Strahl und dem auf der Grenzfläche errichteten Lot. Reflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem Lot. Einfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene. Es gilt das Reflexionsgesetz: Der Einfallswinkel ist gleich groß wie der Reflexionswinkel. Einfallender Strahl, reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene. Wenn zum Beispiel, Licht auf eine Wasseroberfläche trifft, so wird ein Teil des Lichtes transmittiert und ein Teil reflektiert. Der Anteil der Energie, der an der Oberfläche reflektiert wird, hängt von mehreren Faktoren ab. Zwei davon sind der Einfallswinkel und die Brechzahl des jeweiligen Mediums. Die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium ist durch die Brechzahl charakterisiert. Für Luft hat sie den Wert 1 und für Glas 1,5. Bei der Reflexion ist die Unterscheidung zwischen regulärer und diffuser Reflexion wichtig. Die Reflexion an einer glatten Oberfläche wird als reguläre Reflexion bezeichnet. Wenn das Licht auf eine unregelmäßige Oberfläche fällt, dann wird sie in verschiedenen Richtungen reflektiert. Diese Art der Reflexion heißt diffuse Reflexion. Das Reflexionsgesetz gilt sowohl für die reguläre als auch für die diffuse Reflexion. .2.2 Experimente 2.2.1 Reflexion des Lichtes: regulär 2.2.2 Reflexion des Lichtes: diffus 2.2.3 Reflexionsgesetz 2.2.1 Reflexion des Lichtes: regulär Materialien Schiene 1000 mm Richtleuchte ( ohne Kondensator ) Planspiegel Prismentisch 3 Stativreiter Glasscheibe Netzanschlussgerät Weißer Schirm Blende 10 Aufbau und Durchführung ( Dauer 5 Min.) Der Versuch beschreibt die Reflexion an einer glatten Oberfläche. Den Versuch haben wir zunächst ohne die Verwendung des Prismentisches und der Glasscheiben durchgeführt. Das Licht der Richtleuchte fällt auf den Planspiegel. Es wird in sich selbst reflektiert. An dem weißen Schirm, hinter der Richtleuchte, erscheint ein Lichtfleck in der Form des Spiegels. Wir haben dann eine Blende zwischen der Lichtleuchte und dem Schirm eingebaut. Man kann beobachten, dass die Größe des Lichtflecks auf dem Schirm von der Öffnung der Blende abhängig ist. Im zweiten Schritt werden der Prismentisch und die Glasscheibe verwendet. Der Spiegel wird in seiner Lagerung so gedreht, dass das aufgefangene Licht auf die Glasscheibe geworfen wird. Auf dem weißen Schirm, hinter der Richtleuchte, erscheint ein Lichtfleck in der Form des Spiegels aber schwächer als beim ersten Versuch. Mit Hilfe dieses Versuches ist erkennbar, dass das Glas weniger Licht reflektiert als der Spiegel. 2.2.2 Reflexion des Lichtes: diffus Materialien Schiene 1000 mm Richtleuchte ( ohne Kondensator ) Planspiegel 2 Stativreiter Silberpapier 11 Aufbau und Durchführung( Dauer 5 Min.) Der Aufbau ist wie bei dem Versuch " Reflexion ". Hier wird der Spiegel mit dem zerknitterten Silberpapier abgedeckt. Das Licht der Lichtleuchte fällt auf den Spiegel. Das zerknitterte Papier reflektiert auch das Licht aber nicht in eine Richtung. Das Licht wird in vielen Richtungen zerstreut. Erklärungen Das zerknitterte Papier kann man sich als eine Menge kleiner, uneinheitlich ausgerichteter Spiegel vorstellen. Sie reflektieren das aufgefangene Licht nicht in eine einheitliche Richtung, sondern zerstreut. 2.2.3 Reflexionsgesetz Materialien Schiene 1000 mm Richtleuchte ( mit Kondensator ) Spalt Linse + 200 mm 3 Stativreiter Weißer Schirm Optische Scheibe Spiegelmodell Netzanschlussgerät 12 Aufbau und Durchführung( Dauer 10 Min.) Der waagrechte Spalt wird mit Hilfe der Richtleuchte mit dem Kondensator beleuchtet. Das Licht wird mit einer Linse + 200 mm auf die Oberfläche der optischen Scheibe abgebildet. Die optische Scheibe ist am Schirm befestigt. Sie steht am Anfang quer zur Richtung der Schiene. Jetzt wird die optische Scheibe in Längsrichtung zur Schiene gebracht und das Planspiegelmodell so eingesetzt, dass der Lichtstrahl auf der waagrechten Achse der optischen Scheibe entlangläuft und den Spiegel streift. An der optischen Scheibe lässt sich die Größe des Einfallswinkels und des Reflexionswinkels ablesen. Sie sind gleich. Einfallswinkel 15° 30° 45° 60° Reflexionswinkel 15° 30° 45° 60° Nun wird die optische Scheibe in verschiedenen Richtungen gedreht. Der Verlauf des Strahls wird in Bezug auf das Lot in jeder Stellung gemessen. Es wird folgendes beobachtet: Die Scheibe wird angenommen um 20° gedreht. Sowohl der Einfallswinkel als auch der Reflexionswinkel ändern sich gleichzeitig um 20°. Der reflektiere Strahl wandert auf der Ebene der Scheibe um 40°. Bei dem Aufbau ist es ziemlich schwierig die optische Scheibe so zu fixieren, dass man sie problemlos drehen kann. 13 2.3 Mitschrift Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schüler folgende Informationen im Heft dokumentiert haben: Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzfläche errichteten Lot. Reflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem Lot. Einfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene. Das Reflexionsgesetz: Der Einfallswinkel ist gleich groß wie der Reflexionswinkel. Einfallender Strahl, reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene. Reguläre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten Oberfläche. Diffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmäßigen Oberfläche. Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert. 3.Spiegel 3.1 Theoretische Grundlagen 3.1.1 Der ebene Spiegel Das Licht, das von einer Punktquelle P ausgeht wird an dem ebenen Spiegel reflektiert. Im Punkt P befindet sich auch der Gegenstand, den wir beobachten möchten. Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander, als kämen sie vom einen Punkt hinter dem Spiegel. Der Punkt B hat vom Spiegel den gleichen Abstand wie der Punkt P. Der Beobachter sieht das virtuelle Bild des Gegenstandes, weil keine wirklichen Strahlen von ihm ausgehen. Der Beobachter kann die reflektierten Strahlen nicht von solchen unterscheiden, die bei Abwesenheit des Spiegels von einer Punktquelle am Ort des Bildes ausgehen würden. Die folgende Skizze zeigt die Konstruktion der Abbildung eines Pfeils an einem ebenen Spiegel. 14 Aus der Skizze kann man die Eigenschaften des virtuellen Bildes erkennen. Das virtuelle Bild hat den gleichen Abstand zum Spiegel wie der Gegenstand. Es ist ebenso groß wie dieser und steht aufrecht. 3.1.2 Der Konkavspiegel Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflächen (sphärische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ). An dieser Stelle möchte ich einige Begriffe erklären. Der Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Krümmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels. Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heißt Brennweite f. Die Brennweite ist gleich dem halben Krümmungsradius r. Die Bildweite b ist die Strecke vom optischen Mittelpunkt des Spiegels bis zum Bildpunkt B. Die Gegenstandsweite g ist die Strecke von O bis zum Gegenstandpunkt P. Konstruktion des Spiegelbildes Das von einem Konkavspiegel erzeugte Bild lässt sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren. Die Hauptstrahlen sind: 1. Der achsenparallele Strahl. Er verläuft nach der Reflexion durch den Brennpunkt. 2. Der Brennpunktsstrahl. Er verläuft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert. 3. Der radiale Strahl. Er verläuft durch den Krümmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert. 4. Der zentrale Strahl. Er ist auf dem optischen Mittelpunkt des Spiegels orientiert und wird in sich selbst reflektiert. 15 Strahlen, die auf einen Konkavspiegel parallel zur optischen Achse fallen, werden im Brennpunkt F gesammelt. Mit Hilfe eines Konkavspiegels kann man sowohl reelle als auch virtuelle Bilder erzeugen. Der Konkavspiegel sammelt das Licht. 3.1.3 Der Konvexspiegel Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel, deren Außenseite spiegelt. Konstruktion des Spiegelbildes Mit Hilfe eines Konvexspiegels kann man nur virtuelle Bilder erzeugen. Das Bild ist aufrecht, verkleinert und liegt hinter dem Spiegel. Der Konvexspiegel zerstreut das Licht. 3.2 Experimente 3.2.1 Das virtuelle Bild des Spiegels 3.2.2 Der Konkavspiegel 3.2.3 Der Konvexspiegel 3.2.4 Katakaustik – Parabolspiegel 3.2.5 Reflexion am Konkavspiegel – Strahlengang 3.2.6 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern 16 3.2.1 Das virtuelle Bild des Spiegels Materialien Glasscheibe 40 cm Fuß Zentimetermaß 2 gleiche Kerzen weißer Schirm Aufbau und Durchführung ( 3 Min. ) Glasscheibe und Zentimetermaß bilden einen rechten Winkel. Zwei gleiche Kerzen werden vor und hinter der Scheibe so aufgestellt, dass sich das Spiegelbild der vorderen Kerze mit der hinteren Kerze deckt. Die vordere Kerze wird entzündet. Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weißen Schirm das Spiegelbild aufzufangen. Ergebnisse Für den Beobachter, der durch die Scheibe sieht, scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen. Das Spiegelbild der brennenden Kerze lässt sich mit dem Schirm nicht auffangen. Erklärungen Die Lichtstrahlen gehen von der brennenden Kerze G aus. Sie werden an der Glasscheibe reflektiert und treffen dann ins Auge des Beobachters. Der Beobachter glaubt, dass sich hinter dem Spiegel noch eine Kerze befindet. Er kann nicht erkennen, ob die Lichtstrahlen von der brennenden Kerze oder von der Kerze hinter dem Spiegel kommen. 17 3.2.2 Der Konkavspiegel Materialien Schiene 1000 mm Richtleuchte mit Kondensator Linse + 100 mm Irisblende Linse + 300 mm 4 Stativreiter weißer Schirm optische Scheibe Vierspaltblende Hohlspiegelmodell Netzanschlussgerät 18 Aufbau und Durchführung ( Dauer 10 Min ) Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse + 100 mm beleuchtet die Irisblende. Die Linse + 300 mm befindet sich hinter der Irisblende. Sie macht das Lichtbündel parallel. Das parallele Lichtbündel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell, das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist. Durch Ausprobieren wird der Krümmungsradius des Konkavspiegels ermittelt. Ergebnisse Die parallelen Strahlen werden vom Konkavspiegel so reflektiert, dass sie sich in einem Punkt vor dem Spiegel schneiden. Dieser Punkt liegt auf der optischen Achse, in der Mitte zwischen O und M. Er ist der Brennpunkt F. Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells beträgt 50 mm. Der Krümmungsradius des Konkavspiegels beträgt 100 mm. Bei dem Versuch wird auch beobachtet, dass die Lichtstrahlen zueinander streben. Der konvexe Spiegel sammelt das Licht. Er macht das Licht konvergent. Erklärungen Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels, dessen Innenseite spiegelt. Der Mittelpunkt der Kugel, von der der Spiegel ein Teil ist, heißt Krümmungsmittelpunkt. 19 3.2.3 Der Konvexspiegel Materialien Schiene 1000 mm Richtleuchte Kondensator Linse +100 mm Irisblende 4 Stativreiter weißer Schirm optische Scheibe Konvexspiegelmodell Vierspaltblende Aufbau und Durchführung ( Dauer 5 Min ) Der Aufbau und der Versuch entsprechen dem vorhergehenden ( Konkavspiegel ), nur dass hier ein Konvexspiegel verwendet wird. Ergebnisse Die parallelen Strahlen werden vom konvexen Spiegel so reflektiert, als kämen sie von einem Punkt der in der rückwärtigen Verlängerung der reflektierten Strahlen hinter dem Spiegel liegt. Dieser Punkt liegt auf dem Rand der optischen Scheibe. Er ist der scheinbare Brennpunkt des Konvexspiegels. Er liegt auf der optischen Achse zwischen O und M. Auch in diesem Versuch beträgt die Brennweite 50 mm. Der Krümmungsradius des Konvexspiegels beträgt 100 mm. Man beobachtet, dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben. Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht. Er macht das Licht divergent. 20 Erklärungen Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels, dessen Außenseite spiegelt. Der Mittelpunkt der Spiegelfläche ist der optische Mittelpunkt. 3.2.4 Katakaustik - Parabolspiegel Materialien Schiene Richtleuchte Kondensator Linse + 100 mm Irisblende Linse + 300 mm 4 Stativreiter Vierspaltblende weißer Schirm optische Scheibe Plexiglas-Halbkreisscheibe Aufbaureiter Netzanschlussgerät Aufbau und Durchführung ( Dauer 5 Min ) Der Aufbau und die Durchführung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen. Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt. Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet. 21 Ergebnisse Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion überdecken und eine helle Kurve ausbilden, die eine Spitze im Brennpunkt hat. Dieses Phänomen konnten wir, bei der Durchführung des Versuches nicht sehr gut beobachten. Erklärungen Als Konkavspiegel wird in diesem Versuch das gesamte Halbkreismodell eines Kugelspiegels verwendet. Die achsfernen Strahlen werden nicht zum Brennpunkt hin reflektiert. Die Gesamtheit aller reflektierten Strahlen bildet eine Brennlinie aus, die von beiden Seiten kommend im Brennpunkt mündet. Diese Brennlinie heißt Katakaustik. Etymologisch betrachtet, leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache. Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab. Bei sphärischen Spiegeln schneiden sich nur die achsnahen Strahlen exakt im Brennpunkt. Sollen auch die achsfernen Strahlen durch den Brennpunkt gehen, so wird der Rand des Spiegels nach außen gebogen. Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel. Spiegel dieser Art heißen Parabolspiegel. Mit Hilfe eines Parabolspiegels lässt sich die sphärische Aberration vermeiden. 3.2.5 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang Materialien Schiene 1000 mm Spalt Linse + 100 mm 2 Halter für Rundeinsatz 3 Stativreiter weißer Schirm optische Scheibe Konkavspiegelmodell Aufbaureiter Vierspaltblende Netzanschlussgerät 22 Aufbau und Durchführung ( Dauer 8 Min ) Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt. Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt. Sie macht das Lichtbündel parallel. Das parallele Lichtbündel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell, das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist. Durch Drehung der optischen Scheibe wird der Lichtstrahl a) als achsenparalleler Strahl b) als Brennpunktstrahl durch den Brennpunkt c) als Mittelpunktstrahl durch den Krümmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt. Ergebnisse Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen 23 Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen Erklärungen Die achsenparallelen Strahlen werden im Brennpunkt reflektiert. Wegen der Umkehrbarkeit des Lichtweges werden bei der Reflexion die Strahlen, die vom Brennpunkt kommen, als Parallelstrahlen den Konkavspiegel verlassen. Die Mittelpunktstrahlen treffen senkrecht auf die Kugelfläche des Spiegels auf. Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zurückgeworfen. 3.2.6 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern Materialien Schiene 1000 mm Richtleuchte mit Kondensator Linse + 100 mm Irisblende Linse + 300 mm 6 Stativreiter weißer Schirm 24 Fuß Konkavspiegel + 500 mm F-Blende Aufbau und Durchführung ( Dauer 10 Min ) Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende. Die Linse + 300 mm macht das Lichtbündel parallel. Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht. Der Konkavspiegel fängt das Bild des F auf. Die Brennweite f beträgt 500 mm. Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen. Ergebnisse Beim Konkavspiegel hängen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab. Befindet sich der Gegenstand außerhalb der Brennweite des Konkavspiegels, dann wird ein reelles, umgekehrtes Bild erzeugt. Das Bild kann entweder verkleinert, gleich groß oder vergrößert sein und liegt außerhalb der Brennweite. 25 Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite, entsteht ein virtuelles, aufrechtes und vergrößertes Bild hinter dem Spiegel. Die Konkavspiegelgleichung lautet: 1 1 1 g b f 3.3 Mitschrift Der ebene Spiegel Der ebene Spiegel erzeugt immer ein virtuelles Bild. Eigenschaften dieses virtuellen Bildes Das virtuelle Bild hat den gleichen Abstand zum Spiegel wie der Gegenstand. Es ist ebenso groß wie dieser und steht aufrecht. Wie kann ein virtuelles Bild erklärt werden ? Ein Betrachter hat den Eindruck, dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkämen. Der Konkavspiegel Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflächen (sphärische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ). Strahlen, die parallel zur optischen Achse auf einen Konkavspiegel fallen, werden im Brennpunkt F reflektiert. Den Abstand des Brennpunktes F vom optischen Mittelpunkt des Spiegels nennt man Brennweite f. Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M – optischer Mittelpunkt O. Bei sphärischen Spiegeln schneiden sich nur die achsnahen Strahlen exakt im Brennpunkt. Konstruktion des Spiegelbildes Zur Bildkonstruktion benutzt man die folgenden Strahlen: 1. Der achsenparallele Strahl. Er verläuft nach der Reflexion durch den Brennpunkt. 2. Der Brennpunktsstrahl. Er verläuft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert. 26 3. Der radiale Strahl. Er verläuft durch den Krümmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert. 4. Der zentrale Strahl. Er ist auf dem optischen Mittelpunkt des Spiegels orientiert und wird in sich selbst reflektiert. Mit Hilfe eines Konkavspiegels kann man sowohl reelle als auch virtuelle Bilder erzeugen. Der Konkavspiegel sammelt das Licht. Der Konvexspiegel Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel, deren Außenseite spiegelt. Mit Hilfe eines Konvexspiegels kann man nur virtuelle Bilder erzeugen. Das Bild ist aufrecht, verkleinert und liegt hinter dem Spiegel. Der Konvexspiegel zerstreut das Licht. 4. Lernziele Nach der Bearbeitung dieser Themenbereiche: Sollen die Schüler in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben. Sie müssen die diffuse und die reguläre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklären können. Sie sollen anhand von Experimenten die Strahlengänge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklären und auch selbst zeichnen können. Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein. Sie müssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhängen verstanden haben. 27
