Jetzinger

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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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