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GEOMETRISCHE OPTIK I
Schulversuchspraktikum WS 2002 2003
Jetzinger AnamariaMatNr 9755276
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Inhaltsverzeichnis
1 Mond und Sonnenfinsternis
11 Theoretische Grundlagen zur Mond und Sonnenfinsternis
111 Der Mondlauf112 Die Mondfinsternis113 Sonnenfinsternis
12 Experimente
13 Mitschrift
2Reflexion des Lichtes
21 Theoretische Grundlagen
22 Experimente
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr 222 Reflexion des Lichtes diffus223 Reflexionsgesetz
23 Mitschrift
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 Der ebene Spiegel 312 Der Konkavspiegel313 Der Konvexspiegel
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels322 Der Konkavspiegel323 Der Konvexspiegel324 Katakaustik - Parabolspiegel325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang326 Konkavspiegelgleichung - Konstruktion von Konkavspiegelbildern
33 Mitschrift
4 Lernziele
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Geometrische Optik 1
Mond und SonnenfinsternisReflexionSpiegel
Literatur
Praktikum physikalischer DemonstrationBeschreibung zu den SchulversuchenPhysik 2 Klasse Sexl - Raab - StreeruwitzPhysik 2 Klasse SchreinerPhysik 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 gehoumlrt zum Lehrplan der vierten und sechsten Klasse Realgymnasiums
Die Experimente wurden am 17102002 und am 24102002 durchgefuumlhrt
In den vorigen Stunden wurden mit den Schuumllern folgende Themenbereiche behandelt
Ausbreitung des Lichtes Das Prinzip der Umkehrbarkeit des Lichtweges Licht und Schatten Kernschatten und Halbschatten
Vor der Einfuumlhrung des neuen Stoffes sollen mit den Schuumllern die Themen bdquo Ausbreitung des Lichtesldquo und bdquoDas Prinzip der Umkehrbarkeit des Lichtwegesldquo wiederholt werden
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1 Mond und Sonnenfinsternis
11 Theoretische Grundlagen zur Mond und Sonnenfinsternis
111 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 51deg gegen die Erbahnebene ( Ekliptik ) geneigt Deshalb schneiden sich diese beiden EbenenDer Lauf des Mondes ist in vier Phasen eingeteilt In jeder Mondphase zeigt der Mond eine andere Lichtgestalt die wir von der Erde aus sehen koumlnnen Diese verschiedenen Lichtgestalten entstehen durch die wechselnde Stellung von Sonne Mond und Erde
Mondphase Erklaumlrung Sichtbarkeit
1 Neumond Die unbeleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Unsichtbar ( tags am Himmel )
2 erstes Viertel zunehmender Halbmond Abends erste Nachthaumllfte
3 Vollmond Die voll beleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Ganze Nacht
4 letztes Viertel abnehmender Halbmond Morgens zweite Nachthaumllfte
Mondphasen von der Erde aus betrachtet
Quelle httpwwwzumdedwu
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112 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 Zusaumltzlich muss noch eine Voraussetzung erfuumlllt werden und zwar Sonne Mond und Erde muumlssen in einer Linie liegen Das ist aber nicht immer der Fall da die Mondebene um 51deg gegen die Erdbahnebene ( Ekliptik ) geneigt ist
Quelle httpwwwzumdedwu
Bei einer Mondfinsternis unterscheidet man folgende Faumllle
1Halbschatten-Mondfinsternis
Der Vollmond taucht nur in den Halbschatten ein und zieht am Kernschatten wobei
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2Partielle Mondfinsternis
Der Mond wird zum Teil vom Kernschatten getroffen
3 Totale Mondfinsternis
Der Mond taucht vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Quelle httpwwwzumdedwu
113 Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur bei Vollmond stattfinden dh der Mond muss sich zwischen Sonne und Erde befinden Zusaumltzlich muumlssen noch Sonne Mond und Erde in einer Linie liegen
Quelle httpwwwzumdedwu
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12 Experimente
Sonnen- und Mondfinsternis
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchtePrismentisch3 Stativreitergroszlige Kugel kleine Kugel
Aufbau und Durchfuumlhrung
Die Richtleuchte beleuchtet eine groszlige Kugel die auf dem Prismentisch liegt Die kleine Kugel kann auf beliebige Punkte eines Kreises um die groszlige Kugel gebracht werden Dabei stellt die groszlige Kugel die Erde und die kleine Kugel den Mond dar Der Abstand zwischen den Kugeln sollte ca 10 cm betragenDie Effekte koumlnnen sehr schoumln beobachtet werden wenn man anstatt der Richtleute zwei kleine Kerzen verwendet werden Die Kerzen sollen die gleiche Groumlszlige haben
Bei dem Versuch wird folgendes beobachtet
a) Mondphasen
Der Beobachter befindet sich auf der Erde Dabei beobachtet er die kleine KugelEs lassen sich die verschiedenen Phasen des Mondes erkennen
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b) Sonnenfinsternis
Die kleine Kugel befindet sich zwischen der Lichtquelle und der groszligen Kugel Die kleine Kugel wirft einen Kernschatten auf die groszlige 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 groszligen Kugel dann ist sie im Kernschatten der groszligen Kugel nicht zu sehen
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13 Mitschrift
Der Mondlauf
Der Mond bewegt sich auf einer elliptischen Bahn um die Erde Der Lauf des Mondes ist in vier Phasen eingeteilt
Mondphase Erklaumlrung Sichtbarkeit
1 Neumond Die unbeleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Unsichtbar ( tags am Himmel )
2 erstes Viertel zunehmender Halbmond Abends erste Nachthaumllfte
3 Vollmond Die voll beleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Ganze Nacht
4 letztes Viertel abnehmender Halbmond Morgens zweite Nachthaumllfte
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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 vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur beim Vollmond stattfinden Sonne Mond und Erde muumlssen in einer Linie liegen
2 Reflexion des Lichtes
21 Theoretische Grundlagen
Wenn Licht an der Grenze eines Mediums auf ein anderes trifft so wird es voumlllig oder teilweise zuruumlckgeworfen Dieses Phaumlnomen wird Reflexion genannt Die folgendeAbbildung zeigt einen Strahl der auf eine glatte Grenzflaumlche zweier Medien trifft
Quelle httpwwwphysikfu-berlin
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An dieser Stelle ist die Erklaumlrung zweier Begriffe notwendig
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftretenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Es gilt das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Wenn zum Beispiel Licht auf eine Wasseroberflaumlche trifft so wird ein Teil des Lichtes transmittiert und ein Teil reflektiert Der Anteil der Energie der an der Oberflaumlche reflektiert wird haumlngt 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 Fuumlr Luft hat sie den Wert 1 und fuumlr Glas 15 Bei der Reflexion ist die Unterscheidung zwischen regulaumlrer und diffuser Reflexion wichtigDie Reflexion an einer glatten Oberflaumlche wird als regulaumlre Reflexion bezeichnetWenn das Licht auf eine unregelmaumlszligige Oberflaumlche faumlllt dann wird sie in verschiedenen Richtungen reflektiert Diese Art der Reflexion heiszligt diffuse Reflexion Das Reflexionsgesetz gilt sowohl fuumlr die regulaumlre als auch fuumlr die diffuse Reflexion
22 Experimente
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr 222 Reflexion des Lichtes diffus223 Reflexionsgesetz
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )PlanspiegelPrismentisch3 StativreiterGlasscheibeNetzanschlussgeraumltWeiszliger SchirmBlende
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Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min)
Der Versuch beschreibt die Reflexion an einer glatten Oberflaumlche
Den Versuch haben wir zunaumlchst ohne die Verwendung des Prismentisches und der Glasscheiben durchgefuumlhrt Das Licht der Richtleuchte faumlllt auf den Planspiegel Es wird in sich selbst reflektiert An dem weiszligen 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 Groumlszlige des Lichtflecks auf dem Schirm von der Oumlffnung der Blende abhaumlngig 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 weiszligen Schirm hinter der Richtleuchte erscheint ein Lichtfleck in der Form des Spiegels aber schwaumlcher als beim ersten Versuch
Mit Hilfe dieses Versuches ist erkennbar dass das Glas weniger Licht reflektiert als der Spiegel
222 Reflexion des Lichtes diffus
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )Planspiegel2 StativreiterSilberpapier
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Aufbau und Durchfuumlhrung( Dauer 5 Min)
Der Aufbau ist wie bei dem Versuch Reflexion Hier wird der Spiegel mit dem zerknitterten Silberpapier abgedeckt Das Licht der Lichtleuchte faumlllt auf den Spiegel Das zerknitterte Papier reflektiert auch das Licht aber nicht in eine Richtung Das Licht wird in vielen Richtungen zerstreut
Erklaumlrungen
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
223 Reflexionsgesetz
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( mit Kondensator )SpaltLinse + 200 mm3 StativreiterWeiszliger SchirmOptische ScheibeSpiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
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Aufbau und Durchfuumlhrung( 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 Oberflaumlche 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 Laumlngsrichtung zur Schiene gebracht und das Planspiegelmodell so eingesetzt dass der Lichtstrahl auf der waagrechten Achse der optischen Scheibe entlanglaumluft und den Spiegel streift An der optischen Scheibe laumlsst sich die Groumlszlige des Einfallswinkels und des Reflexionswinkels ablesen Sie sind gleich
Einfallswinkel Reflexionswinkel15deg30deg45deg60deg
15deg30deg45deg60deg
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 20deg gedreht Sowohl der Einfallswinkel als auch der Reflexionswinkel aumlndern sich gleichzeitig um 20deg Der reflektiere Strahl wandert auf der Ebene der Scheibe um 40deg
Bei dem Aufbau ist es ziemlich schwierig die optische Scheibe so zu fixieren dass man sie problemlos drehen kann
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23 Mitschrift
Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schuumller folgende Informationen im Heft dokumentiert haben
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Regulaumlre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten OberflaumlcheDiffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmaumlszligigen Oberflaumlche Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 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 moumlchten Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander als kaumlmen 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 wuumlrdenDie 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
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321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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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322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
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Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
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323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 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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Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung 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 uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
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Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
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Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
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FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
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Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
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Inhaltsverzeichnis
1 Mond und Sonnenfinsternis
11 Theoretische Grundlagen zur Mond und Sonnenfinsternis
111 Der Mondlauf112 Die Mondfinsternis113 Sonnenfinsternis
12 Experimente
13 Mitschrift
2Reflexion des Lichtes
21 Theoretische Grundlagen
22 Experimente
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr 222 Reflexion des Lichtes diffus223 Reflexionsgesetz
23 Mitschrift
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 Der ebene Spiegel 312 Der Konkavspiegel313 Der Konvexspiegel
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels322 Der Konkavspiegel323 Der Konvexspiegel324 Katakaustik - Parabolspiegel325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang326 Konkavspiegelgleichung - Konstruktion von Konkavspiegelbildern
33 Mitschrift
4 Lernziele
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Geometrische Optik 1
Mond und SonnenfinsternisReflexionSpiegel
Literatur
Praktikum physikalischer DemonstrationBeschreibung zu den SchulversuchenPhysik 2 Klasse Sexl - Raab - StreeruwitzPhysik 2 Klasse SchreinerPhysik 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 gehoumlrt zum Lehrplan der vierten und sechsten Klasse Realgymnasiums
Die Experimente wurden am 17102002 und am 24102002 durchgefuumlhrt
In den vorigen Stunden wurden mit den Schuumllern folgende Themenbereiche behandelt
Ausbreitung des Lichtes Das Prinzip der Umkehrbarkeit des Lichtweges Licht und Schatten Kernschatten und Halbschatten
Vor der Einfuumlhrung des neuen Stoffes sollen mit den Schuumllern die Themen bdquo Ausbreitung des Lichtesldquo und bdquoDas Prinzip der Umkehrbarkeit des Lichtwegesldquo wiederholt werden
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1 Mond und Sonnenfinsternis
11 Theoretische Grundlagen zur Mond und Sonnenfinsternis
111 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 51deg gegen die Erbahnebene ( Ekliptik ) geneigt Deshalb schneiden sich diese beiden EbenenDer Lauf des Mondes ist in vier Phasen eingeteilt In jeder Mondphase zeigt der Mond eine andere Lichtgestalt die wir von der Erde aus sehen koumlnnen Diese verschiedenen Lichtgestalten entstehen durch die wechselnde Stellung von Sonne Mond und Erde
Mondphase Erklaumlrung Sichtbarkeit
1 Neumond Die unbeleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Unsichtbar ( tags am Himmel )
2 erstes Viertel zunehmender Halbmond Abends erste Nachthaumllfte
3 Vollmond Die voll beleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Ganze Nacht
4 letztes Viertel abnehmender Halbmond Morgens zweite Nachthaumllfte
Mondphasen von der Erde aus betrachtet
Quelle httpwwwzumdedwu
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112 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 Zusaumltzlich muss noch eine Voraussetzung erfuumlllt werden und zwar Sonne Mond und Erde muumlssen in einer Linie liegen Das ist aber nicht immer der Fall da die Mondebene um 51deg gegen die Erdbahnebene ( Ekliptik ) geneigt ist
Quelle httpwwwzumdedwu
Bei einer Mondfinsternis unterscheidet man folgende Faumllle
1Halbschatten-Mondfinsternis
Der Vollmond taucht nur in den Halbschatten ein und zieht am Kernschatten wobei
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2Partielle Mondfinsternis
Der Mond wird zum Teil vom Kernschatten getroffen
3 Totale Mondfinsternis
Der Mond taucht vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Quelle httpwwwzumdedwu
113 Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur bei Vollmond stattfinden dh der Mond muss sich zwischen Sonne und Erde befinden Zusaumltzlich muumlssen noch Sonne Mond und Erde in einer Linie liegen
Quelle httpwwwzumdedwu
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12 Experimente
Sonnen- und Mondfinsternis
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchtePrismentisch3 Stativreitergroszlige Kugel kleine Kugel
Aufbau und Durchfuumlhrung
Die Richtleuchte beleuchtet eine groszlige Kugel die auf dem Prismentisch liegt Die kleine Kugel kann auf beliebige Punkte eines Kreises um die groszlige Kugel gebracht werden Dabei stellt die groszlige Kugel die Erde und die kleine Kugel den Mond dar Der Abstand zwischen den Kugeln sollte ca 10 cm betragenDie Effekte koumlnnen sehr schoumln beobachtet werden wenn man anstatt der Richtleute zwei kleine Kerzen verwendet werden Die Kerzen sollen die gleiche Groumlszlige haben
Bei dem Versuch wird folgendes beobachtet
a) Mondphasen
Der Beobachter befindet sich auf der Erde Dabei beobachtet er die kleine KugelEs lassen sich die verschiedenen Phasen des Mondes erkennen
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b) Sonnenfinsternis
Die kleine Kugel befindet sich zwischen der Lichtquelle und der groszligen Kugel Die kleine Kugel wirft einen Kernschatten auf die groszlige 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 groszligen Kugel dann ist sie im Kernschatten der groszligen Kugel nicht zu sehen
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13 Mitschrift
Der Mondlauf
Der Mond bewegt sich auf einer elliptischen Bahn um die Erde Der Lauf des Mondes ist in vier Phasen eingeteilt
Mondphase Erklaumlrung Sichtbarkeit
1 Neumond Die unbeleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Unsichtbar ( tags am Himmel )
2 erstes Viertel zunehmender Halbmond Abends erste Nachthaumllfte
3 Vollmond Die voll beleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Ganze Nacht
4 letztes Viertel abnehmender Halbmond Morgens zweite Nachthaumllfte
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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 vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur beim Vollmond stattfinden Sonne Mond und Erde muumlssen in einer Linie liegen
2 Reflexion des Lichtes
21 Theoretische Grundlagen
Wenn Licht an der Grenze eines Mediums auf ein anderes trifft so wird es voumlllig oder teilweise zuruumlckgeworfen Dieses Phaumlnomen wird Reflexion genannt Die folgendeAbbildung zeigt einen Strahl der auf eine glatte Grenzflaumlche zweier Medien trifft
Quelle httpwwwphysikfu-berlin
10
An dieser Stelle ist die Erklaumlrung zweier Begriffe notwendig
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftretenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Es gilt das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Wenn zum Beispiel Licht auf eine Wasseroberflaumlche trifft so wird ein Teil des Lichtes transmittiert und ein Teil reflektiert Der Anteil der Energie der an der Oberflaumlche reflektiert wird haumlngt 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 Fuumlr Luft hat sie den Wert 1 und fuumlr Glas 15 Bei der Reflexion ist die Unterscheidung zwischen regulaumlrer und diffuser Reflexion wichtigDie Reflexion an einer glatten Oberflaumlche wird als regulaumlre Reflexion bezeichnetWenn das Licht auf eine unregelmaumlszligige Oberflaumlche faumlllt dann wird sie in verschiedenen Richtungen reflektiert Diese Art der Reflexion heiszligt diffuse Reflexion Das Reflexionsgesetz gilt sowohl fuumlr die regulaumlre als auch fuumlr die diffuse Reflexion
22 Experimente
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr 222 Reflexion des Lichtes diffus223 Reflexionsgesetz
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )PlanspiegelPrismentisch3 StativreiterGlasscheibeNetzanschlussgeraumltWeiszliger SchirmBlende
11
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min)
Der Versuch beschreibt die Reflexion an einer glatten Oberflaumlche
Den Versuch haben wir zunaumlchst ohne die Verwendung des Prismentisches und der Glasscheiben durchgefuumlhrt Das Licht der Richtleuchte faumlllt auf den Planspiegel Es wird in sich selbst reflektiert An dem weiszligen 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 Groumlszlige des Lichtflecks auf dem Schirm von der Oumlffnung der Blende abhaumlngig 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 weiszligen Schirm hinter der Richtleuchte erscheint ein Lichtfleck in der Form des Spiegels aber schwaumlcher als beim ersten Versuch
Mit Hilfe dieses Versuches ist erkennbar dass das Glas weniger Licht reflektiert als der Spiegel
222 Reflexion des Lichtes diffus
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )Planspiegel2 StativreiterSilberpapier
12
Aufbau und Durchfuumlhrung( Dauer 5 Min)
Der Aufbau ist wie bei dem Versuch Reflexion Hier wird der Spiegel mit dem zerknitterten Silberpapier abgedeckt Das Licht der Lichtleuchte faumlllt auf den Spiegel Das zerknitterte Papier reflektiert auch das Licht aber nicht in eine Richtung Das Licht wird in vielen Richtungen zerstreut
Erklaumlrungen
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
223 Reflexionsgesetz
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( mit Kondensator )SpaltLinse + 200 mm3 StativreiterWeiszliger SchirmOptische ScheibeSpiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
13
Aufbau und Durchfuumlhrung( 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 Oberflaumlche 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 Laumlngsrichtung zur Schiene gebracht und das Planspiegelmodell so eingesetzt dass der Lichtstrahl auf der waagrechten Achse der optischen Scheibe entlanglaumluft und den Spiegel streift An der optischen Scheibe laumlsst sich die Groumlszlige des Einfallswinkels und des Reflexionswinkels ablesen Sie sind gleich
Einfallswinkel Reflexionswinkel15deg30deg45deg60deg
15deg30deg45deg60deg
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 20deg gedreht Sowohl der Einfallswinkel als auch der Reflexionswinkel aumlndern sich gleichzeitig um 20deg Der reflektiere Strahl wandert auf der Ebene der Scheibe um 40deg
Bei dem Aufbau ist es ziemlich schwierig die optische Scheibe so zu fixieren dass man sie problemlos drehen kann
14
23 Mitschrift
Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schuumller folgende Informationen im Heft dokumentiert haben
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Regulaumlre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten OberflaumlcheDiffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmaumlszligigen Oberflaumlche Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 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 moumlchten Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander als kaumlmen 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 wuumlrdenDie folgende Skizze zeigt die Konstruktion der Abbildung eines Pfeils an einem ebenen Spiegel
15
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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 Der zentrale Strahl Er ist auf dem optischen Mittelpunkt des Spiegels orientiert und wird in sich selbst reflektiert
16
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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
17
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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
18
322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
19
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
20
323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
2
Geometrische Optik 1
Mond und SonnenfinsternisReflexionSpiegel
Literatur
Praktikum physikalischer DemonstrationBeschreibung zu den SchulversuchenPhysik 2 Klasse Sexl - Raab - StreeruwitzPhysik 2 Klasse SchreinerPhysik 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 gehoumlrt zum Lehrplan der vierten und sechsten Klasse Realgymnasiums
Die Experimente wurden am 17102002 und am 24102002 durchgefuumlhrt
In den vorigen Stunden wurden mit den Schuumllern folgende Themenbereiche behandelt
Ausbreitung des Lichtes Das Prinzip der Umkehrbarkeit des Lichtweges Licht und Schatten Kernschatten und Halbschatten
Vor der Einfuumlhrung des neuen Stoffes sollen mit den Schuumllern die Themen bdquo Ausbreitung des Lichtesldquo und bdquoDas Prinzip der Umkehrbarkeit des Lichtwegesldquo wiederholt werden
3
1 Mond und Sonnenfinsternis
11 Theoretische Grundlagen zur Mond und Sonnenfinsternis
111 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 51deg gegen die Erbahnebene ( Ekliptik ) geneigt Deshalb schneiden sich diese beiden EbenenDer Lauf des Mondes ist in vier Phasen eingeteilt In jeder Mondphase zeigt der Mond eine andere Lichtgestalt die wir von der Erde aus sehen koumlnnen Diese verschiedenen Lichtgestalten entstehen durch die wechselnde Stellung von Sonne Mond und Erde
Mondphase Erklaumlrung Sichtbarkeit
1 Neumond Die unbeleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Unsichtbar ( tags am Himmel )
2 erstes Viertel zunehmender Halbmond Abends erste Nachthaumllfte
3 Vollmond Die voll beleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Ganze Nacht
4 letztes Viertel abnehmender Halbmond Morgens zweite Nachthaumllfte
Mondphasen von der Erde aus betrachtet
Quelle httpwwwzumdedwu
4
112 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 Zusaumltzlich muss noch eine Voraussetzung erfuumlllt werden und zwar Sonne Mond und Erde muumlssen in einer Linie liegen Das ist aber nicht immer der Fall da die Mondebene um 51deg gegen die Erdbahnebene ( Ekliptik ) geneigt ist
Quelle httpwwwzumdedwu
Bei einer Mondfinsternis unterscheidet man folgende Faumllle
1Halbschatten-Mondfinsternis
Der Vollmond taucht nur in den Halbschatten ein und zieht am Kernschatten wobei
5
2Partielle Mondfinsternis
Der Mond wird zum Teil vom Kernschatten getroffen
3 Totale Mondfinsternis
Der Mond taucht vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Quelle httpwwwzumdedwu
113 Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur bei Vollmond stattfinden dh der Mond muss sich zwischen Sonne und Erde befinden Zusaumltzlich muumlssen noch Sonne Mond und Erde in einer Linie liegen
Quelle httpwwwzumdedwu
6
12 Experimente
Sonnen- und Mondfinsternis
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchtePrismentisch3 Stativreitergroszlige Kugel kleine Kugel
Aufbau und Durchfuumlhrung
Die Richtleuchte beleuchtet eine groszlige Kugel die auf dem Prismentisch liegt Die kleine Kugel kann auf beliebige Punkte eines Kreises um die groszlige Kugel gebracht werden Dabei stellt die groszlige Kugel die Erde und die kleine Kugel den Mond dar Der Abstand zwischen den Kugeln sollte ca 10 cm betragenDie Effekte koumlnnen sehr schoumln beobachtet werden wenn man anstatt der Richtleute zwei kleine Kerzen verwendet werden Die Kerzen sollen die gleiche Groumlszlige haben
Bei dem Versuch wird folgendes beobachtet
a) Mondphasen
Der Beobachter befindet sich auf der Erde Dabei beobachtet er die kleine KugelEs lassen sich die verschiedenen Phasen des Mondes erkennen
7
b) Sonnenfinsternis
Die kleine Kugel befindet sich zwischen der Lichtquelle und der groszligen Kugel Die kleine Kugel wirft einen Kernschatten auf die groszlige 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 groszligen Kugel dann ist sie im Kernschatten der groszligen Kugel nicht zu sehen
8
13 Mitschrift
Der Mondlauf
Der Mond bewegt sich auf einer elliptischen Bahn um die Erde Der Lauf des Mondes ist in vier Phasen eingeteilt
Mondphase Erklaumlrung Sichtbarkeit
1 Neumond Die unbeleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Unsichtbar ( tags am Himmel )
2 erstes Viertel zunehmender Halbmond Abends erste Nachthaumllfte
3 Vollmond Die voll beleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Ganze Nacht
4 letztes Viertel abnehmender Halbmond Morgens zweite Nachthaumllfte
9
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 vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur beim Vollmond stattfinden Sonne Mond und Erde muumlssen in einer Linie liegen
2 Reflexion des Lichtes
21 Theoretische Grundlagen
Wenn Licht an der Grenze eines Mediums auf ein anderes trifft so wird es voumlllig oder teilweise zuruumlckgeworfen Dieses Phaumlnomen wird Reflexion genannt Die folgendeAbbildung zeigt einen Strahl der auf eine glatte Grenzflaumlche zweier Medien trifft
Quelle httpwwwphysikfu-berlin
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An dieser Stelle ist die Erklaumlrung zweier Begriffe notwendig
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftretenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Es gilt das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Wenn zum Beispiel Licht auf eine Wasseroberflaumlche trifft so wird ein Teil des Lichtes transmittiert und ein Teil reflektiert Der Anteil der Energie der an der Oberflaumlche reflektiert wird haumlngt 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 Fuumlr Luft hat sie den Wert 1 und fuumlr Glas 15 Bei der Reflexion ist die Unterscheidung zwischen regulaumlrer und diffuser Reflexion wichtigDie Reflexion an einer glatten Oberflaumlche wird als regulaumlre Reflexion bezeichnetWenn das Licht auf eine unregelmaumlszligige Oberflaumlche faumlllt dann wird sie in verschiedenen Richtungen reflektiert Diese Art der Reflexion heiszligt diffuse Reflexion Das Reflexionsgesetz gilt sowohl fuumlr die regulaumlre als auch fuumlr die diffuse Reflexion
22 Experimente
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr 222 Reflexion des Lichtes diffus223 Reflexionsgesetz
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )PlanspiegelPrismentisch3 StativreiterGlasscheibeNetzanschlussgeraumltWeiszliger SchirmBlende
11
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min)
Der Versuch beschreibt die Reflexion an einer glatten Oberflaumlche
Den Versuch haben wir zunaumlchst ohne die Verwendung des Prismentisches und der Glasscheiben durchgefuumlhrt Das Licht der Richtleuchte faumlllt auf den Planspiegel Es wird in sich selbst reflektiert An dem weiszligen 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 Groumlszlige des Lichtflecks auf dem Schirm von der Oumlffnung der Blende abhaumlngig 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 weiszligen Schirm hinter der Richtleuchte erscheint ein Lichtfleck in der Form des Spiegels aber schwaumlcher als beim ersten Versuch
Mit Hilfe dieses Versuches ist erkennbar dass das Glas weniger Licht reflektiert als der Spiegel
222 Reflexion des Lichtes diffus
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )Planspiegel2 StativreiterSilberpapier
12
Aufbau und Durchfuumlhrung( Dauer 5 Min)
Der Aufbau ist wie bei dem Versuch Reflexion Hier wird der Spiegel mit dem zerknitterten Silberpapier abgedeckt Das Licht der Lichtleuchte faumlllt auf den Spiegel Das zerknitterte Papier reflektiert auch das Licht aber nicht in eine Richtung Das Licht wird in vielen Richtungen zerstreut
Erklaumlrungen
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
223 Reflexionsgesetz
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( mit Kondensator )SpaltLinse + 200 mm3 StativreiterWeiszliger SchirmOptische ScheibeSpiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
13
Aufbau und Durchfuumlhrung( 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 Oberflaumlche 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 Laumlngsrichtung zur Schiene gebracht und das Planspiegelmodell so eingesetzt dass der Lichtstrahl auf der waagrechten Achse der optischen Scheibe entlanglaumluft und den Spiegel streift An der optischen Scheibe laumlsst sich die Groumlszlige des Einfallswinkels und des Reflexionswinkels ablesen Sie sind gleich
Einfallswinkel Reflexionswinkel15deg30deg45deg60deg
15deg30deg45deg60deg
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 20deg gedreht Sowohl der Einfallswinkel als auch der Reflexionswinkel aumlndern sich gleichzeitig um 20deg Der reflektiere Strahl wandert auf der Ebene der Scheibe um 40deg
Bei dem Aufbau ist es ziemlich schwierig die optische Scheibe so zu fixieren dass man sie problemlos drehen kann
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23 Mitschrift
Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schuumller folgende Informationen im Heft dokumentiert haben
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Regulaumlre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten OberflaumlcheDiffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmaumlszligigen Oberflaumlche Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 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 moumlchten Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander als kaumlmen 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 wuumlrdenDie 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 Der zentrale Strahl Er ist auf dem optischen Mittelpunkt des Spiegels orientiert und wird in sich selbst reflektiert
16
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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
17
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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
18
322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
19
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
20
323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
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FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
3
1 Mond und Sonnenfinsternis
11 Theoretische Grundlagen zur Mond und Sonnenfinsternis
111 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 51deg gegen die Erbahnebene ( Ekliptik ) geneigt Deshalb schneiden sich diese beiden EbenenDer Lauf des Mondes ist in vier Phasen eingeteilt In jeder Mondphase zeigt der Mond eine andere Lichtgestalt die wir von der Erde aus sehen koumlnnen Diese verschiedenen Lichtgestalten entstehen durch die wechselnde Stellung von Sonne Mond und Erde
Mondphase Erklaumlrung Sichtbarkeit
1 Neumond Die unbeleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Unsichtbar ( tags am Himmel )
2 erstes Viertel zunehmender Halbmond Abends erste Nachthaumllfte
3 Vollmond Die voll beleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Ganze Nacht
4 letztes Viertel abnehmender Halbmond Morgens zweite Nachthaumllfte
Mondphasen von der Erde aus betrachtet
Quelle httpwwwzumdedwu
4
112 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 Zusaumltzlich muss noch eine Voraussetzung erfuumlllt werden und zwar Sonne Mond und Erde muumlssen in einer Linie liegen Das ist aber nicht immer der Fall da die Mondebene um 51deg gegen die Erdbahnebene ( Ekliptik ) geneigt ist
Quelle httpwwwzumdedwu
Bei einer Mondfinsternis unterscheidet man folgende Faumllle
1Halbschatten-Mondfinsternis
Der Vollmond taucht nur in den Halbschatten ein und zieht am Kernschatten wobei
5
2Partielle Mondfinsternis
Der Mond wird zum Teil vom Kernschatten getroffen
3 Totale Mondfinsternis
Der Mond taucht vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Quelle httpwwwzumdedwu
113 Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur bei Vollmond stattfinden dh der Mond muss sich zwischen Sonne und Erde befinden Zusaumltzlich muumlssen noch Sonne Mond und Erde in einer Linie liegen
Quelle httpwwwzumdedwu
6
12 Experimente
Sonnen- und Mondfinsternis
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchtePrismentisch3 Stativreitergroszlige Kugel kleine Kugel
Aufbau und Durchfuumlhrung
Die Richtleuchte beleuchtet eine groszlige Kugel die auf dem Prismentisch liegt Die kleine Kugel kann auf beliebige Punkte eines Kreises um die groszlige Kugel gebracht werden Dabei stellt die groszlige Kugel die Erde und die kleine Kugel den Mond dar Der Abstand zwischen den Kugeln sollte ca 10 cm betragenDie Effekte koumlnnen sehr schoumln beobachtet werden wenn man anstatt der Richtleute zwei kleine Kerzen verwendet werden Die Kerzen sollen die gleiche Groumlszlige haben
Bei dem Versuch wird folgendes beobachtet
a) Mondphasen
Der Beobachter befindet sich auf der Erde Dabei beobachtet er die kleine KugelEs lassen sich die verschiedenen Phasen des Mondes erkennen
7
b) Sonnenfinsternis
Die kleine Kugel befindet sich zwischen der Lichtquelle und der groszligen Kugel Die kleine Kugel wirft einen Kernschatten auf die groszlige 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 groszligen Kugel dann ist sie im Kernschatten der groszligen Kugel nicht zu sehen
8
13 Mitschrift
Der Mondlauf
Der Mond bewegt sich auf einer elliptischen Bahn um die Erde Der Lauf des Mondes ist in vier Phasen eingeteilt
Mondphase Erklaumlrung Sichtbarkeit
1 Neumond Die unbeleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Unsichtbar ( tags am Himmel )
2 erstes Viertel zunehmender Halbmond Abends erste Nachthaumllfte
3 Vollmond Die voll beleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Ganze Nacht
4 letztes Viertel abnehmender Halbmond Morgens zweite Nachthaumllfte
9
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 vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur beim Vollmond stattfinden Sonne Mond und Erde muumlssen in einer Linie liegen
2 Reflexion des Lichtes
21 Theoretische Grundlagen
Wenn Licht an der Grenze eines Mediums auf ein anderes trifft so wird es voumlllig oder teilweise zuruumlckgeworfen Dieses Phaumlnomen wird Reflexion genannt Die folgendeAbbildung zeigt einen Strahl der auf eine glatte Grenzflaumlche zweier Medien trifft
Quelle httpwwwphysikfu-berlin
10
An dieser Stelle ist die Erklaumlrung zweier Begriffe notwendig
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftretenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Es gilt das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Wenn zum Beispiel Licht auf eine Wasseroberflaumlche trifft so wird ein Teil des Lichtes transmittiert und ein Teil reflektiert Der Anteil der Energie der an der Oberflaumlche reflektiert wird haumlngt 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 Fuumlr Luft hat sie den Wert 1 und fuumlr Glas 15 Bei der Reflexion ist die Unterscheidung zwischen regulaumlrer und diffuser Reflexion wichtigDie Reflexion an einer glatten Oberflaumlche wird als regulaumlre Reflexion bezeichnetWenn das Licht auf eine unregelmaumlszligige Oberflaumlche faumlllt dann wird sie in verschiedenen Richtungen reflektiert Diese Art der Reflexion heiszligt diffuse Reflexion Das Reflexionsgesetz gilt sowohl fuumlr die regulaumlre als auch fuumlr die diffuse Reflexion
22 Experimente
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr 222 Reflexion des Lichtes diffus223 Reflexionsgesetz
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )PlanspiegelPrismentisch3 StativreiterGlasscheibeNetzanschlussgeraumltWeiszliger SchirmBlende
11
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min)
Der Versuch beschreibt die Reflexion an einer glatten Oberflaumlche
Den Versuch haben wir zunaumlchst ohne die Verwendung des Prismentisches und der Glasscheiben durchgefuumlhrt Das Licht der Richtleuchte faumlllt auf den Planspiegel Es wird in sich selbst reflektiert An dem weiszligen 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 Groumlszlige des Lichtflecks auf dem Schirm von der Oumlffnung der Blende abhaumlngig 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 weiszligen Schirm hinter der Richtleuchte erscheint ein Lichtfleck in der Form des Spiegels aber schwaumlcher als beim ersten Versuch
Mit Hilfe dieses Versuches ist erkennbar dass das Glas weniger Licht reflektiert als der Spiegel
222 Reflexion des Lichtes diffus
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )Planspiegel2 StativreiterSilberpapier
12
Aufbau und Durchfuumlhrung( Dauer 5 Min)
Der Aufbau ist wie bei dem Versuch Reflexion Hier wird der Spiegel mit dem zerknitterten Silberpapier abgedeckt Das Licht der Lichtleuchte faumlllt auf den Spiegel Das zerknitterte Papier reflektiert auch das Licht aber nicht in eine Richtung Das Licht wird in vielen Richtungen zerstreut
Erklaumlrungen
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
223 Reflexionsgesetz
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( mit Kondensator )SpaltLinse + 200 mm3 StativreiterWeiszliger SchirmOptische ScheibeSpiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
13
Aufbau und Durchfuumlhrung( 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 Oberflaumlche 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 Laumlngsrichtung zur Schiene gebracht und das Planspiegelmodell so eingesetzt dass der Lichtstrahl auf der waagrechten Achse der optischen Scheibe entlanglaumluft und den Spiegel streift An der optischen Scheibe laumlsst sich die Groumlszlige des Einfallswinkels und des Reflexionswinkels ablesen Sie sind gleich
Einfallswinkel Reflexionswinkel15deg30deg45deg60deg
15deg30deg45deg60deg
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 20deg gedreht Sowohl der Einfallswinkel als auch der Reflexionswinkel aumlndern sich gleichzeitig um 20deg Der reflektiere Strahl wandert auf der Ebene der Scheibe um 40deg
Bei dem Aufbau ist es ziemlich schwierig die optische Scheibe so zu fixieren dass man sie problemlos drehen kann
14
23 Mitschrift
Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schuumller folgende Informationen im Heft dokumentiert haben
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Regulaumlre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten OberflaumlcheDiffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmaumlszligigen Oberflaumlche Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 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 moumlchten Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander als kaumlmen 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 wuumlrdenDie folgende Skizze zeigt die Konstruktion der Abbildung eines Pfeils an einem ebenen Spiegel
15
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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
17
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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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322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
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Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
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323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 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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Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
4
112 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 Zusaumltzlich muss noch eine Voraussetzung erfuumlllt werden und zwar Sonne Mond und Erde muumlssen in einer Linie liegen Das ist aber nicht immer der Fall da die Mondebene um 51deg gegen die Erdbahnebene ( Ekliptik ) geneigt ist
Quelle httpwwwzumdedwu
Bei einer Mondfinsternis unterscheidet man folgende Faumllle
1Halbschatten-Mondfinsternis
Der Vollmond taucht nur in den Halbschatten ein und zieht am Kernschatten wobei
5
2Partielle Mondfinsternis
Der Mond wird zum Teil vom Kernschatten getroffen
3 Totale Mondfinsternis
Der Mond taucht vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Quelle httpwwwzumdedwu
113 Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur bei Vollmond stattfinden dh der Mond muss sich zwischen Sonne und Erde befinden Zusaumltzlich muumlssen noch Sonne Mond und Erde in einer Linie liegen
Quelle httpwwwzumdedwu
6
12 Experimente
Sonnen- und Mondfinsternis
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchtePrismentisch3 Stativreitergroszlige Kugel kleine Kugel
Aufbau und Durchfuumlhrung
Die Richtleuchte beleuchtet eine groszlige Kugel die auf dem Prismentisch liegt Die kleine Kugel kann auf beliebige Punkte eines Kreises um die groszlige Kugel gebracht werden Dabei stellt die groszlige Kugel die Erde und die kleine Kugel den Mond dar Der Abstand zwischen den Kugeln sollte ca 10 cm betragenDie Effekte koumlnnen sehr schoumln beobachtet werden wenn man anstatt der Richtleute zwei kleine Kerzen verwendet werden Die Kerzen sollen die gleiche Groumlszlige haben
Bei dem Versuch wird folgendes beobachtet
a) Mondphasen
Der Beobachter befindet sich auf der Erde Dabei beobachtet er die kleine KugelEs lassen sich die verschiedenen Phasen des Mondes erkennen
7
b) Sonnenfinsternis
Die kleine Kugel befindet sich zwischen der Lichtquelle und der groszligen Kugel Die kleine Kugel wirft einen Kernschatten auf die groszlige 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 groszligen Kugel dann ist sie im Kernschatten der groszligen Kugel nicht zu sehen
8
13 Mitschrift
Der Mondlauf
Der Mond bewegt sich auf einer elliptischen Bahn um die Erde Der Lauf des Mondes ist in vier Phasen eingeteilt
Mondphase Erklaumlrung Sichtbarkeit
1 Neumond Die unbeleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Unsichtbar ( tags am Himmel )
2 erstes Viertel zunehmender Halbmond Abends erste Nachthaumllfte
3 Vollmond Die voll beleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Ganze Nacht
4 letztes Viertel abnehmender Halbmond Morgens zweite Nachthaumllfte
9
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 vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur beim Vollmond stattfinden Sonne Mond und Erde muumlssen in einer Linie liegen
2 Reflexion des Lichtes
21 Theoretische Grundlagen
Wenn Licht an der Grenze eines Mediums auf ein anderes trifft so wird es voumlllig oder teilweise zuruumlckgeworfen Dieses Phaumlnomen wird Reflexion genannt Die folgendeAbbildung zeigt einen Strahl der auf eine glatte Grenzflaumlche zweier Medien trifft
Quelle httpwwwphysikfu-berlin
10
An dieser Stelle ist die Erklaumlrung zweier Begriffe notwendig
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftretenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Es gilt das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Wenn zum Beispiel Licht auf eine Wasseroberflaumlche trifft so wird ein Teil des Lichtes transmittiert und ein Teil reflektiert Der Anteil der Energie der an der Oberflaumlche reflektiert wird haumlngt 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 Fuumlr Luft hat sie den Wert 1 und fuumlr Glas 15 Bei der Reflexion ist die Unterscheidung zwischen regulaumlrer und diffuser Reflexion wichtigDie Reflexion an einer glatten Oberflaumlche wird als regulaumlre Reflexion bezeichnetWenn das Licht auf eine unregelmaumlszligige Oberflaumlche faumlllt dann wird sie in verschiedenen Richtungen reflektiert Diese Art der Reflexion heiszligt diffuse Reflexion Das Reflexionsgesetz gilt sowohl fuumlr die regulaumlre als auch fuumlr die diffuse Reflexion
22 Experimente
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr 222 Reflexion des Lichtes diffus223 Reflexionsgesetz
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )PlanspiegelPrismentisch3 StativreiterGlasscheibeNetzanschlussgeraumltWeiszliger SchirmBlende
11
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min)
Der Versuch beschreibt die Reflexion an einer glatten Oberflaumlche
Den Versuch haben wir zunaumlchst ohne die Verwendung des Prismentisches und der Glasscheiben durchgefuumlhrt Das Licht der Richtleuchte faumlllt auf den Planspiegel Es wird in sich selbst reflektiert An dem weiszligen 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 Groumlszlige des Lichtflecks auf dem Schirm von der Oumlffnung der Blende abhaumlngig 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 weiszligen Schirm hinter der Richtleuchte erscheint ein Lichtfleck in der Form des Spiegels aber schwaumlcher als beim ersten Versuch
Mit Hilfe dieses Versuches ist erkennbar dass das Glas weniger Licht reflektiert als der Spiegel
222 Reflexion des Lichtes diffus
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )Planspiegel2 StativreiterSilberpapier
12
Aufbau und Durchfuumlhrung( Dauer 5 Min)
Der Aufbau ist wie bei dem Versuch Reflexion Hier wird der Spiegel mit dem zerknitterten Silberpapier abgedeckt Das Licht der Lichtleuchte faumlllt auf den Spiegel Das zerknitterte Papier reflektiert auch das Licht aber nicht in eine Richtung Das Licht wird in vielen Richtungen zerstreut
Erklaumlrungen
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
223 Reflexionsgesetz
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( mit Kondensator )SpaltLinse + 200 mm3 StativreiterWeiszliger SchirmOptische ScheibeSpiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
13
Aufbau und Durchfuumlhrung( 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 Oberflaumlche 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 Laumlngsrichtung zur Schiene gebracht und das Planspiegelmodell so eingesetzt dass der Lichtstrahl auf der waagrechten Achse der optischen Scheibe entlanglaumluft und den Spiegel streift An der optischen Scheibe laumlsst sich die Groumlszlige des Einfallswinkels und des Reflexionswinkels ablesen Sie sind gleich
Einfallswinkel Reflexionswinkel15deg30deg45deg60deg
15deg30deg45deg60deg
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 20deg gedreht Sowohl der Einfallswinkel als auch der Reflexionswinkel aumlndern sich gleichzeitig um 20deg Der reflektiere Strahl wandert auf der Ebene der Scheibe um 40deg
Bei dem Aufbau ist es ziemlich schwierig die optische Scheibe so zu fixieren dass man sie problemlos drehen kann
14
23 Mitschrift
Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schuumller folgende Informationen im Heft dokumentiert haben
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Regulaumlre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten OberflaumlcheDiffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmaumlszligigen Oberflaumlche Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 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 moumlchten Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander als kaumlmen 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 wuumlrdenDie folgende Skizze zeigt die Konstruktion der Abbildung eines Pfeils an einem ebenen Spiegel
15
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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 Der zentrale Strahl Er ist auf dem optischen Mittelpunkt des Spiegels orientiert und wird in sich selbst reflektiert
16
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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
17
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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
18
322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
19
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
20
323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
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Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
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3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
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2Partielle Mondfinsternis
Der Mond wird zum Teil vom Kernschatten getroffen
3 Totale Mondfinsternis
Der Mond taucht vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Quelle httpwwwzumdedwu
113 Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur bei Vollmond stattfinden dh der Mond muss sich zwischen Sonne und Erde befinden Zusaumltzlich muumlssen noch Sonne Mond und Erde in einer Linie liegen
Quelle httpwwwzumdedwu
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12 Experimente
Sonnen- und Mondfinsternis
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchtePrismentisch3 Stativreitergroszlige Kugel kleine Kugel
Aufbau und Durchfuumlhrung
Die Richtleuchte beleuchtet eine groszlige Kugel die auf dem Prismentisch liegt Die kleine Kugel kann auf beliebige Punkte eines Kreises um die groszlige Kugel gebracht werden Dabei stellt die groszlige Kugel die Erde und die kleine Kugel den Mond dar Der Abstand zwischen den Kugeln sollte ca 10 cm betragenDie Effekte koumlnnen sehr schoumln beobachtet werden wenn man anstatt der Richtleute zwei kleine Kerzen verwendet werden Die Kerzen sollen die gleiche Groumlszlige haben
Bei dem Versuch wird folgendes beobachtet
a) Mondphasen
Der Beobachter befindet sich auf der Erde Dabei beobachtet er die kleine KugelEs lassen sich die verschiedenen Phasen des Mondes erkennen
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b) Sonnenfinsternis
Die kleine Kugel befindet sich zwischen der Lichtquelle und der groszligen Kugel Die kleine Kugel wirft einen Kernschatten auf die groszlige 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 groszligen Kugel dann ist sie im Kernschatten der groszligen Kugel nicht zu sehen
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13 Mitschrift
Der Mondlauf
Der Mond bewegt sich auf einer elliptischen Bahn um die Erde Der Lauf des Mondes ist in vier Phasen eingeteilt
Mondphase Erklaumlrung Sichtbarkeit
1 Neumond Die unbeleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Unsichtbar ( tags am Himmel )
2 erstes Viertel zunehmender Halbmond Abends erste Nachthaumllfte
3 Vollmond Die voll beleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Ganze Nacht
4 letztes Viertel abnehmender Halbmond Morgens zweite Nachthaumllfte
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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 vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur beim Vollmond stattfinden Sonne Mond und Erde muumlssen in einer Linie liegen
2 Reflexion des Lichtes
21 Theoretische Grundlagen
Wenn Licht an der Grenze eines Mediums auf ein anderes trifft so wird es voumlllig oder teilweise zuruumlckgeworfen Dieses Phaumlnomen wird Reflexion genannt Die folgendeAbbildung zeigt einen Strahl der auf eine glatte Grenzflaumlche zweier Medien trifft
Quelle httpwwwphysikfu-berlin
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An dieser Stelle ist die Erklaumlrung zweier Begriffe notwendig
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftretenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Es gilt das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Wenn zum Beispiel Licht auf eine Wasseroberflaumlche trifft so wird ein Teil des Lichtes transmittiert und ein Teil reflektiert Der Anteil der Energie der an der Oberflaumlche reflektiert wird haumlngt 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 Fuumlr Luft hat sie den Wert 1 und fuumlr Glas 15 Bei der Reflexion ist die Unterscheidung zwischen regulaumlrer und diffuser Reflexion wichtigDie Reflexion an einer glatten Oberflaumlche wird als regulaumlre Reflexion bezeichnetWenn das Licht auf eine unregelmaumlszligige Oberflaumlche faumlllt dann wird sie in verschiedenen Richtungen reflektiert Diese Art der Reflexion heiszligt diffuse Reflexion Das Reflexionsgesetz gilt sowohl fuumlr die regulaumlre als auch fuumlr die diffuse Reflexion
22 Experimente
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr 222 Reflexion des Lichtes diffus223 Reflexionsgesetz
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )PlanspiegelPrismentisch3 StativreiterGlasscheibeNetzanschlussgeraumltWeiszliger SchirmBlende
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Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min)
Der Versuch beschreibt die Reflexion an einer glatten Oberflaumlche
Den Versuch haben wir zunaumlchst ohne die Verwendung des Prismentisches und der Glasscheiben durchgefuumlhrt Das Licht der Richtleuchte faumlllt auf den Planspiegel Es wird in sich selbst reflektiert An dem weiszligen 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 Groumlszlige des Lichtflecks auf dem Schirm von der Oumlffnung der Blende abhaumlngig 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 weiszligen Schirm hinter der Richtleuchte erscheint ein Lichtfleck in der Form des Spiegels aber schwaumlcher als beim ersten Versuch
Mit Hilfe dieses Versuches ist erkennbar dass das Glas weniger Licht reflektiert als der Spiegel
222 Reflexion des Lichtes diffus
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )Planspiegel2 StativreiterSilberpapier
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Aufbau und Durchfuumlhrung( Dauer 5 Min)
Der Aufbau ist wie bei dem Versuch Reflexion Hier wird der Spiegel mit dem zerknitterten Silberpapier abgedeckt Das Licht der Lichtleuchte faumlllt auf den Spiegel Das zerknitterte Papier reflektiert auch das Licht aber nicht in eine Richtung Das Licht wird in vielen Richtungen zerstreut
Erklaumlrungen
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
223 Reflexionsgesetz
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( mit Kondensator )SpaltLinse + 200 mm3 StativreiterWeiszliger SchirmOptische ScheibeSpiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
13
Aufbau und Durchfuumlhrung( 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 Oberflaumlche 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 Laumlngsrichtung zur Schiene gebracht und das Planspiegelmodell so eingesetzt dass der Lichtstrahl auf der waagrechten Achse der optischen Scheibe entlanglaumluft und den Spiegel streift An der optischen Scheibe laumlsst sich die Groumlszlige des Einfallswinkels und des Reflexionswinkels ablesen Sie sind gleich
Einfallswinkel Reflexionswinkel15deg30deg45deg60deg
15deg30deg45deg60deg
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 20deg gedreht Sowohl der Einfallswinkel als auch der Reflexionswinkel aumlndern sich gleichzeitig um 20deg Der reflektiere Strahl wandert auf der Ebene der Scheibe um 40deg
Bei dem Aufbau ist es ziemlich schwierig die optische Scheibe so zu fixieren dass man sie problemlos drehen kann
14
23 Mitschrift
Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schuumller folgende Informationen im Heft dokumentiert haben
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Regulaumlre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten OberflaumlcheDiffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmaumlszligigen Oberflaumlche Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 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 moumlchten Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander als kaumlmen 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 wuumlrdenDie folgende Skizze zeigt die Konstruktion der Abbildung eines Pfeils an einem ebenen Spiegel
15
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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 Der zentrale Strahl Er ist auf dem optischen Mittelpunkt des Spiegels orientiert und wird in sich selbst reflektiert
16
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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
17
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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
18
322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
19
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
20
323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
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FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
6
12 Experimente
Sonnen- und Mondfinsternis
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchtePrismentisch3 Stativreitergroszlige Kugel kleine Kugel
Aufbau und Durchfuumlhrung
Die Richtleuchte beleuchtet eine groszlige Kugel die auf dem Prismentisch liegt Die kleine Kugel kann auf beliebige Punkte eines Kreises um die groszlige Kugel gebracht werden Dabei stellt die groszlige Kugel die Erde und die kleine Kugel den Mond dar Der Abstand zwischen den Kugeln sollte ca 10 cm betragenDie Effekte koumlnnen sehr schoumln beobachtet werden wenn man anstatt der Richtleute zwei kleine Kerzen verwendet werden Die Kerzen sollen die gleiche Groumlszlige haben
Bei dem Versuch wird folgendes beobachtet
a) Mondphasen
Der Beobachter befindet sich auf der Erde Dabei beobachtet er die kleine KugelEs lassen sich die verschiedenen Phasen des Mondes erkennen
7
b) Sonnenfinsternis
Die kleine Kugel befindet sich zwischen der Lichtquelle und der groszligen Kugel Die kleine Kugel wirft einen Kernschatten auf die groszlige 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 groszligen Kugel dann ist sie im Kernschatten der groszligen Kugel nicht zu sehen
8
13 Mitschrift
Der Mondlauf
Der Mond bewegt sich auf einer elliptischen Bahn um die Erde Der Lauf des Mondes ist in vier Phasen eingeteilt
Mondphase Erklaumlrung Sichtbarkeit
1 Neumond Die unbeleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Unsichtbar ( tags am Himmel )
2 erstes Viertel zunehmender Halbmond Abends erste Nachthaumllfte
3 Vollmond Die voll beleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Ganze Nacht
4 letztes Viertel abnehmender Halbmond Morgens zweite Nachthaumllfte
9
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 vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur beim Vollmond stattfinden Sonne Mond und Erde muumlssen in einer Linie liegen
2 Reflexion des Lichtes
21 Theoretische Grundlagen
Wenn Licht an der Grenze eines Mediums auf ein anderes trifft so wird es voumlllig oder teilweise zuruumlckgeworfen Dieses Phaumlnomen wird Reflexion genannt Die folgendeAbbildung zeigt einen Strahl der auf eine glatte Grenzflaumlche zweier Medien trifft
Quelle httpwwwphysikfu-berlin
10
An dieser Stelle ist die Erklaumlrung zweier Begriffe notwendig
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftretenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Es gilt das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Wenn zum Beispiel Licht auf eine Wasseroberflaumlche trifft so wird ein Teil des Lichtes transmittiert und ein Teil reflektiert Der Anteil der Energie der an der Oberflaumlche reflektiert wird haumlngt 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 Fuumlr Luft hat sie den Wert 1 und fuumlr Glas 15 Bei der Reflexion ist die Unterscheidung zwischen regulaumlrer und diffuser Reflexion wichtigDie Reflexion an einer glatten Oberflaumlche wird als regulaumlre Reflexion bezeichnetWenn das Licht auf eine unregelmaumlszligige Oberflaumlche faumlllt dann wird sie in verschiedenen Richtungen reflektiert Diese Art der Reflexion heiszligt diffuse Reflexion Das Reflexionsgesetz gilt sowohl fuumlr die regulaumlre als auch fuumlr die diffuse Reflexion
22 Experimente
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr 222 Reflexion des Lichtes diffus223 Reflexionsgesetz
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )PlanspiegelPrismentisch3 StativreiterGlasscheibeNetzanschlussgeraumltWeiszliger SchirmBlende
11
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min)
Der Versuch beschreibt die Reflexion an einer glatten Oberflaumlche
Den Versuch haben wir zunaumlchst ohne die Verwendung des Prismentisches und der Glasscheiben durchgefuumlhrt Das Licht der Richtleuchte faumlllt auf den Planspiegel Es wird in sich selbst reflektiert An dem weiszligen 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 Groumlszlige des Lichtflecks auf dem Schirm von der Oumlffnung der Blende abhaumlngig 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 weiszligen Schirm hinter der Richtleuchte erscheint ein Lichtfleck in der Form des Spiegels aber schwaumlcher als beim ersten Versuch
Mit Hilfe dieses Versuches ist erkennbar dass das Glas weniger Licht reflektiert als der Spiegel
222 Reflexion des Lichtes diffus
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )Planspiegel2 StativreiterSilberpapier
12
Aufbau und Durchfuumlhrung( Dauer 5 Min)
Der Aufbau ist wie bei dem Versuch Reflexion Hier wird der Spiegel mit dem zerknitterten Silberpapier abgedeckt Das Licht der Lichtleuchte faumlllt auf den Spiegel Das zerknitterte Papier reflektiert auch das Licht aber nicht in eine Richtung Das Licht wird in vielen Richtungen zerstreut
Erklaumlrungen
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
223 Reflexionsgesetz
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( mit Kondensator )SpaltLinse + 200 mm3 StativreiterWeiszliger SchirmOptische ScheibeSpiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
13
Aufbau und Durchfuumlhrung( 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 Oberflaumlche 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 Laumlngsrichtung zur Schiene gebracht und das Planspiegelmodell so eingesetzt dass der Lichtstrahl auf der waagrechten Achse der optischen Scheibe entlanglaumluft und den Spiegel streift An der optischen Scheibe laumlsst sich die Groumlszlige des Einfallswinkels und des Reflexionswinkels ablesen Sie sind gleich
Einfallswinkel Reflexionswinkel15deg30deg45deg60deg
15deg30deg45deg60deg
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 20deg gedreht Sowohl der Einfallswinkel als auch der Reflexionswinkel aumlndern sich gleichzeitig um 20deg Der reflektiere Strahl wandert auf der Ebene der Scheibe um 40deg
Bei dem Aufbau ist es ziemlich schwierig die optische Scheibe so zu fixieren dass man sie problemlos drehen kann
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23 Mitschrift
Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schuumller folgende Informationen im Heft dokumentiert haben
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Regulaumlre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten OberflaumlcheDiffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmaumlszligigen Oberflaumlche Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 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 moumlchten Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander als kaumlmen 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 wuumlrdenDie 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
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321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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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322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
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Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
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323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 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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Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
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Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
7
b) Sonnenfinsternis
Die kleine Kugel befindet sich zwischen der Lichtquelle und der groszligen Kugel Die kleine Kugel wirft einen Kernschatten auf die groszlige 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 groszligen Kugel dann ist sie im Kernschatten der groszligen Kugel nicht zu sehen
8
13 Mitschrift
Der Mondlauf
Der Mond bewegt sich auf einer elliptischen Bahn um die Erde Der Lauf des Mondes ist in vier Phasen eingeteilt
Mondphase Erklaumlrung Sichtbarkeit
1 Neumond Die unbeleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Unsichtbar ( tags am Himmel )
2 erstes Viertel zunehmender Halbmond Abends erste Nachthaumllfte
3 Vollmond Die voll beleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Ganze Nacht
4 letztes Viertel abnehmender Halbmond Morgens zweite Nachthaumllfte
9
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 vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur beim Vollmond stattfinden Sonne Mond und Erde muumlssen in einer Linie liegen
2 Reflexion des Lichtes
21 Theoretische Grundlagen
Wenn Licht an der Grenze eines Mediums auf ein anderes trifft so wird es voumlllig oder teilweise zuruumlckgeworfen Dieses Phaumlnomen wird Reflexion genannt Die folgendeAbbildung zeigt einen Strahl der auf eine glatte Grenzflaumlche zweier Medien trifft
Quelle httpwwwphysikfu-berlin
10
An dieser Stelle ist die Erklaumlrung zweier Begriffe notwendig
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftretenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Es gilt das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Wenn zum Beispiel Licht auf eine Wasseroberflaumlche trifft so wird ein Teil des Lichtes transmittiert und ein Teil reflektiert Der Anteil der Energie der an der Oberflaumlche reflektiert wird haumlngt 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 Fuumlr Luft hat sie den Wert 1 und fuumlr Glas 15 Bei der Reflexion ist die Unterscheidung zwischen regulaumlrer und diffuser Reflexion wichtigDie Reflexion an einer glatten Oberflaumlche wird als regulaumlre Reflexion bezeichnetWenn das Licht auf eine unregelmaumlszligige Oberflaumlche faumlllt dann wird sie in verschiedenen Richtungen reflektiert Diese Art der Reflexion heiszligt diffuse Reflexion Das Reflexionsgesetz gilt sowohl fuumlr die regulaumlre als auch fuumlr die diffuse Reflexion
22 Experimente
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr 222 Reflexion des Lichtes diffus223 Reflexionsgesetz
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )PlanspiegelPrismentisch3 StativreiterGlasscheibeNetzanschlussgeraumltWeiszliger SchirmBlende
11
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min)
Der Versuch beschreibt die Reflexion an einer glatten Oberflaumlche
Den Versuch haben wir zunaumlchst ohne die Verwendung des Prismentisches und der Glasscheiben durchgefuumlhrt Das Licht der Richtleuchte faumlllt auf den Planspiegel Es wird in sich selbst reflektiert An dem weiszligen 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 Groumlszlige des Lichtflecks auf dem Schirm von der Oumlffnung der Blende abhaumlngig 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 weiszligen Schirm hinter der Richtleuchte erscheint ein Lichtfleck in der Form des Spiegels aber schwaumlcher als beim ersten Versuch
Mit Hilfe dieses Versuches ist erkennbar dass das Glas weniger Licht reflektiert als der Spiegel
222 Reflexion des Lichtes diffus
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )Planspiegel2 StativreiterSilberpapier
12
Aufbau und Durchfuumlhrung( Dauer 5 Min)
Der Aufbau ist wie bei dem Versuch Reflexion Hier wird der Spiegel mit dem zerknitterten Silberpapier abgedeckt Das Licht der Lichtleuchte faumlllt auf den Spiegel Das zerknitterte Papier reflektiert auch das Licht aber nicht in eine Richtung Das Licht wird in vielen Richtungen zerstreut
Erklaumlrungen
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
223 Reflexionsgesetz
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( mit Kondensator )SpaltLinse + 200 mm3 StativreiterWeiszliger SchirmOptische ScheibeSpiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
13
Aufbau und Durchfuumlhrung( 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 Oberflaumlche 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 Laumlngsrichtung zur Schiene gebracht und das Planspiegelmodell so eingesetzt dass der Lichtstrahl auf der waagrechten Achse der optischen Scheibe entlanglaumluft und den Spiegel streift An der optischen Scheibe laumlsst sich die Groumlszlige des Einfallswinkels und des Reflexionswinkels ablesen Sie sind gleich
Einfallswinkel Reflexionswinkel15deg30deg45deg60deg
15deg30deg45deg60deg
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 20deg gedreht Sowohl der Einfallswinkel als auch der Reflexionswinkel aumlndern sich gleichzeitig um 20deg Der reflektiere Strahl wandert auf der Ebene der Scheibe um 40deg
Bei dem Aufbau ist es ziemlich schwierig die optische Scheibe so zu fixieren dass man sie problemlos drehen kann
14
23 Mitschrift
Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schuumller folgende Informationen im Heft dokumentiert haben
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Regulaumlre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten OberflaumlcheDiffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmaumlszligigen Oberflaumlche Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 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 moumlchten Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander als kaumlmen 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 wuumlrdenDie folgende Skizze zeigt die Konstruktion der Abbildung eines Pfeils an einem ebenen Spiegel
15
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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 Der zentrale Strahl Er ist auf dem optischen Mittelpunkt des Spiegels orientiert und wird in sich selbst reflektiert
16
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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
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321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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
18
322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
19
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
20
323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
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Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
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FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
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Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
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3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
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13 Mitschrift
Der Mondlauf
Der Mond bewegt sich auf einer elliptischen Bahn um die Erde Der Lauf des Mondes ist in vier Phasen eingeteilt
Mondphase Erklaumlrung Sichtbarkeit
1 Neumond Die unbeleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Unsichtbar ( tags am Himmel )
2 erstes Viertel zunehmender Halbmond Abends erste Nachthaumllfte
3 Vollmond Die voll beleuchtete Seite des Mondes ist der Erde zugekehrt
Ganze Nacht
4 letztes Viertel abnehmender Halbmond Morgens zweite Nachthaumllfte
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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 vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur beim Vollmond stattfinden Sonne Mond und Erde muumlssen in einer Linie liegen
2 Reflexion des Lichtes
21 Theoretische Grundlagen
Wenn Licht an der Grenze eines Mediums auf ein anderes trifft so wird es voumlllig oder teilweise zuruumlckgeworfen Dieses Phaumlnomen wird Reflexion genannt Die folgendeAbbildung zeigt einen Strahl der auf eine glatte Grenzflaumlche zweier Medien trifft
Quelle httpwwwphysikfu-berlin
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An dieser Stelle ist die Erklaumlrung zweier Begriffe notwendig
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftretenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Es gilt das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Wenn zum Beispiel Licht auf eine Wasseroberflaumlche trifft so wird ein Teil des Lichtes transmittiert und ein Teil reflektiert Der Anteil der Energie der an der Oberflaumlche reflektiert wird haumlngt 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 Fuumlr Luft hat sie den Wert 1 und fuumlr Glas 15 Bei der Reflexion ist die Unterscheidung zwischen regulaumlrer und diffuser Reflexion wichtigDie Reflexion an einer glatten Oberflaumlche wird als regulaumlre Reflexion bezeichnetWenn das Licht auf eine unregelmaumlszligige Oberflaumlche faumlllt dann wird sie in verschiedenen Richtungen reflektiert Diese Art der Reflexion heiszligt diffuse Reflexion Das Reflexionsgesetz gilt sowohl fuumlr die regulaumlre als auch fuumlr die diffuse Reflexion
22 Experimente
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr 222 Reflexion des Lichtes diffus223 Reflexionsgesetz
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )PlanspiegelPrismentisch3 StativreiterGlasscheibeNetzanschlussgeraumltWeiszliger SchirmBlende
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Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min)
Der Versuch beschreibt die Reflexion an einer glatten Oberflaumlche
Den Versuch haben wir zunaumlchst ohne die Verwendung des Prismentisches und der Glasscheiben durchgefuumlhrt Das Licht der Richtleuchte faumlllt auf den Planspiegel Es wird in sich selbst reflektiert An dem weiszligen 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 Groumlszlige des Lichtflecks auf dem Schirm von der Oumlffnung der Blende abhaumlngig 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 weiszligen Schirm hinter der Richtleuchte erscheint ein Lichtfleck in der Form des Spiegels aber schwaumlcher als beim ersten Versuch
Mit Hilfe dieses Versuches ist erkennbar dass das Glas weniger Licht reflektiert als der Spiegel
222 Reflexion des Lichtes diffus
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )Planspiegel2 StativreiterSilberpapier
12
Aufbau und Durchfuumlhrung( Dauer 5 Min)
Der Aufbau ist wie bei dem Versuch Reflexion Hier wird der Spiegel mit dem zerknitterten Silberpapier abgedeckt Das Licht der Lichtleuchte faumlllt auf den Spiegel Das zerknitterte Papier reflektiert auch das Licht aber nicht in eine Richtung Das Licht wird in vielen Richtungen zerstreut
Erklaumlrungen
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
223 Reflexionsgesetz
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( mit Kondensator )SpaltLinse + 200 mm3 StativreiterWeiszliger SchirmOptische ScheibeSpiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
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Aufbau und Durchfuumlhrung( 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 Oberflaumlche 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 Laumlngsrichtung zur Schiene gebracht und das Planspiegelmodell so eingesetzt dass der Lichtstrahl auf der waagrechten Achse der optischen Scheibe entlanglaumluft und den Spiegel streift An der optischen Scheibe laumlsst sich die Groumlszlige des Einfallswinkels und des Reflexionswinkels ablesen Sie sind gleich
Einfallswinkel Reflexionswinkel15deg30deg45deg60deg
15deg30deg45deg60deg
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 20deg gedreht Sowohl der Einfallswinkel als auch der Reflexionswinkel aumlndern sich gleichzeitig um 20deg Der reflektiere Strahl wandert auf der Ebene der Scheibe um 40deg
Bei dem Aufbau ist es ziemlich schwierig die optische Scheibe so zu fixieren dass man sie problemlos drehen kann
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23 Mitschrift
Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schuumller folgende Informationen im Heft dokumentiert haben
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Regulaumlre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten OberflaumlcheDiffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmaumlszligigen Oberflaumlche Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 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 moumlchten Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander als kaumlmen 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 wuumlrdenDie 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 Der zentrale Strahl Er ist auf dem optischen Mittelpunkt des Spiegels orientiert und wird in sich selbst reflektiert
16
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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
17
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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
18
322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
19
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
20
323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
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FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
9
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 vollstaumlndig in den Kernschatten der Erde ein
Sonnenfinsternis
Die Sonnenfinsternis kann nur beim Vollmond stattfinden Sonne Mond und Erde muumlssen in einer Linie liegen
2 Reflexion des Lichtes
21 Theoretische Grundlagen
Wenn Licht an der Grenze eines Mediums auf ein anderes trifft so wird es voumlllig oder teilweise zuruumlckgeworfen Dieses Phaumlnomen wird Reflexion genannt Die folgendeAbbildung zeigt einen Strahl der auf eine glatte Grenzflaumlche zweier Medien trifft
Quelle httpwwwphysikfu-berlin
10
An dieser Stelle ist die Erklaumlrung zweier Begriffe notwendig
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftretenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Es gilt das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Wenn zum Beispiel Licht auf eine Wasseroberflaumlche trifft so wird ein Teil des Lichtes transmittiert und ein Teil reflektiert Der Anteil der Energie der an der Oberflaumlche reflektiert wird haumlngt 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 Fuumlr Luft hat sie den Wert 1 und fuumlr Glas 15 Bei der Reflexion ist die Unterscheidung zwischen regulaumlrer und diffuser Reflexion wichtigDie Reflexion an einer glatten Oberflaumlche wird als regulaumlre Reflexion bezeichnetWenn das Licht auf eine unregelmaumlszligige Oberflaumlche faumlllt dann wird sie in verschiedenen Richtungen reflektiert Diese Art der Reflexion heiszligt diffuse Reflexion Das Reflexionsgesetz gilt sowohl fuumlr die regulaumlre als auch fuumlr die diffuse Reflexion
22 Experimente
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr 222 Reflexion des Lichtes diffus223 Reflexionsgesetz
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )PlanspiegelPrismentisch3 StativreiterGlasscheibeNetzanschlussgeraumltWeiszliger SchirmBlende
11
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min)
Der Versuch beschreibt die Reflexion an einer glatten Oberflaumlche
Den Versuch haben wir zunaumlchst ohne die Verwendung des Prismentisches und der Glasscheiben durchgefuumlhrt Das Licht der Richtleuchte faumlllt auf den Planspiegel Es wird in sich selbst reflektiert An dem weiszligen 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 Groumlszlige des Lichtflecks auf dem Schirm von der Oumlffnung der Blende abhaumlngig 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 weiszligen Schirm hinter der Richtleuchte erscheint ein Lichtfleck in der Form des Spiegels aber schwaumlcher als beim ersten Versuch
Mit Hilfe dieses Versuches ist erkennbar dass das Glas weniger Licht reflektiert als der Spiegel
222 Reflexion des Lichtes diffus
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )Planspiegel2 StativreiterSilberpapier
12
Aufbau und Durchfuumlhrung( Dauer 5 Min)
Der Aufbau ist wie bei dem Versuch Reflexion Hier wird der Spiegel mit dem zerknitterten Silberpapier abgedeckt Das Licht der Lichtleuchte faumlllt auf den Spiegel Das zerknitterte Papier reflektiert auch das Licht aber nicht in eine Richtung Das Licht wird in vielen Richtungen zerstreut
Erklaumlrungen
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
223 Reflexionsgesetz
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( mit Kondensator )SpaltLinse + 200 mm3 StativreiterWeiszliger SchirmOptische ScheibeSpiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
13
Aufbau und Durchfuumlhrung( 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 Oberflaumlche 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 Laumlngsrichtung zur Schiene gebracht und das Planspiegelmodell so eingesetzt dass der Lichtstrahl auf der waagrechten Achse der optischen Scheibe entlanglaumluft und den Spiegel streift An der optischen Scheibe laumlsst sich die Groumlszlige des Einfallswinkels und des Reflexionswinkels ablesen Sie sind gleich
Einfallswinkel Reflexionswinkel15deg30deg45deg60deg
15deg30deg45deg60deg
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 20deg gedreht Sowohl der Einfallswinkel als auch der Reflexionswinkel aumlndern sich gleichzeitig um 20deg Der reflektiere Strahl wandert auf der Ebene der Scheibe um 40deg
Bei dem Aufbau ist es ziemlich schwierig die optische Scheibe so zu fixieren dass man sie problemlos drehen kann
14
23 Mitschrift
Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schuumller folgende Informationen im Heft dokumentiert haben
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Regulaumlre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten OberflaumlcheDiffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmaumlszligigen Oberflaumlche Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 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 moumlchten Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander als kaumlmen 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 wuumlrdenDie 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
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321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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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322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
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Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
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323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
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Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
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Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
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FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
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Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
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An dieser Stelle ist die Erklaumlrung zweier Begriffe notwendig
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftretenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Es gilt das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Wenn zum Beispiel Licht auf eine Wasseroberflaumlche trifft so wird ein Teil des Lichtes transmittiert und ein Teil reflektiert Der Anteil der Energie der an der Oberflaumlche reflektiert wird haumlngt 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 Fuumlr Luft hat sie den Wert 1 und fuumlr Glas 15 Bei der Reflexion ist die Unterscheidung zwischen regulaumlrer und diffuser Reflexion wichtigDie Reflexion an einer glatten Oberflaumlche wird als regulaumlre Reflexion bezeichnetWenn das Licht auf eine unregelmaumlszligige Oberflaumlche faumlllt dann wird sie in verschiedenen Richtungen reflektiert Diese Art der Reflexion heiszligt diffuse Reflexion Das Reflexionsgesetz gilt sowohl fuumlr die regulaumlre als auch fuumlr die diffuse Reflexion
22 Experimente
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr 222 Reflexion des Lichtes diffus223 Reflexionsgesetz
221 Reflexion des Lichtes regulaumlr
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )PlanspiegelPrismentisch3 StativreiterGlasscheibeNetzanschlussgeraumltWeiszliger SchirmBlende
11
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min)
Der Versuch beschreibt die Reflexion an einer glatten Oberflaumlche
Den Versuch haben wir zunaumlchst ohne die Verwendung des Prismentisches und der Glasscheiben durchgefuumlhrt Das Licht der Richtleuchte faumlllt auf den Planspiegel Es wird in sich selbst reflektiert An dem weiszligen 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 Groumlszlige des Lichtflecks auf dem Schirm von der Oumlffnung der Blende abhaumlngig 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 weiszligen Schirm hinter der Richtleuchte erscheint ein Lichtfleck in der Form des Spiegels aber schwaumlcher als beim ersten Versuch
Mit Hilfe dieses Versuches ist erkennbar dass das Glas weniger Licht reflektiert als der Spiegel
222 Reflexion des Lichtes diffus
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )Planspiegel2 StativreiterSilberpapier
12
Aufbau und Durchfuumlhrung( Dauer 5 Min)
Der Aufbau ist wie bei dem Versuch Reflexion Hier wird der Spiegel mit dem zerknitterten Silberpapier abgedeckt Das Licht der Lichtleuchte faumlllt auf den Spiegel Das zerknitterte Papier reflektiert auch das Licht aber nicht in eine Richtung Das Licht wird in vielen Richtungen zerstreut
Erklaumlrungen
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
223 Reflexionsgesetz
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( mit Kondensator )SpaltLinse + 200 mm3 StativreiterWeiszliger SchirmOptische ScheibeSpiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
13
Aufbau und Durchfuumlhrung( 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 Oberflaumlche 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 Laumlngsrichtung zur Schiene gebracht und das Planspiegelmodell so eingesetzt dass der Lichtstrahl auf der waagrechten Achse der optischen Scheibe entlanglaumluft und den Spiegel streift An der optischen Scheibe laumlsst sich die Groumlszlige des Einfallswinkels und des Reflexionswinkels ablesen Sie sind gleich
Einfallswinkel Reflexionswinkel15deg30deg45deg60deg
15deg30deg45deg60deg
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 20deg gedreht Sowohl der Einfallswinkel als auch der Reflexionswinkel aumlndern sich gleichzeitig um 20deg Der reflektiere Strahl wandert auf der Ebene der Scheibe um 40deg
Bei dem Aufbau ist es ziemlich schwierig die optische Scheibe so zu fixieren dass man sie problemlos drehen kann
14
23 Mitschrift
Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schuumller folgende Informationen im Heft dokumentiert haben
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Regulaumlre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten OberflaumlcheDiffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmaumlszligigen Oberflaumlche Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 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 moumlchten Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander als kaumlmen 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 wuumlrdenDie folgende Skizze zeigt die Konstruktion der Abbildung eines Pfeils an einem ebenen Spiegel
15
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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 Der zentrale Strahl Er ist auf dem optischen Mittelpunkt des Spiegels orientiert und wird in sich selbst reflektiert
16
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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
17
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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
18
322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
19
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
20
323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
11
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min)
Der Versuch beschreibt die Reflexion an einer glatten Oberflaumlche
Den Versuch haben wir zunaumlchst ohne die Verwendung des Prismentisches und der Glasscheiben durchgefuumlhrt Das Licht der Richtleuchte faumlllt auf den Planspiegel Es wird in sich selbst reflektiert An dem weiszligen 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 Groumlszlige des Lichtflecks auf dem Schirm von der Oumlffnung der Blende abhaumlngig 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 weiszligen Schirm hinter der Richtleuchte erscheint ein Lichtfleck in der Form des Spiegels aber schwaumlcher als beim ersten Versuch
Mit Hilfe dieses Versuches ist erkennbar dass das Glas weniger Licht reflektiert als der Spiegel
222 Reflexion des Lichtes diffus
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( ohne Kondensator )Planspiegel2 StativreiterSilberpapier
12
Aufbau und Durchfuumlhrung( Dauer 5 Min)
Der Aufbau ist wie bei dem Versuch Reflexion Hier wird der Spiegel mit dem zerknitterten Silberpapier abgedeckt Das Licht der Lichtleuchte faumlllt auf den Spiegel Das zerknitterte Papier reflektiert auch das Licht aber nicht in eine Richtung Das Licht wird in vielen Richtungen zerstreut
Erklaumlrungen
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
223 Reflexionsgesetz
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( mit Kondensator )SpaltLinse + 200 mm3 StativreiterWeiszliger SchirmOptische ScheibeSpiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
13
Aufbau und Durchfuumlhrung( 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 Oberflaumlche 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 Laumlngsrichtung zur Schiene gebracht und das Planspiegelmodell so eingesetzt dass der Lichtstrahl auf der waagrechten Achse der optischen Scheibe entlanglaumluft und den Spiegel streift An der optischen Scheibe laumlsst sich die Groumlszlige des Einfallswinkels und des Reflexionswinkels ablesen Sie sind gleich
Einfallswinkel Reflexionswinkel15deg30deg45deg60deg
15deg30deg45deg60deg
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 20deg gedreht Sowohl der Einfallswinkel als auch der Reflexionswinkel aumlndern sich gleichzeitig um 20deg Der reflektiere Strahl wandert auf der Ebene der Scheibe um 40deg
Bei dem Aufbau ist es ziemlich schwierig die optische Scheibe so zu fixieren dass man sie problemlos drehen kann
14
23 Mitschrift
Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schuumller folgende Informationen im Heft dokumentiert haben
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Regulaumlre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten OberflaumlcheDiffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmaumlszligigen Oberflaumlche Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 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 moumlchten Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander als kaumlmen 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 wuumlrdenDie folgende Skizze zeigt die Konstruktion der Abbildung eines Pfeils an einem ebenen Spiegel
15
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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 Der zentrale Strahl Er ist auf dem optischen Mittelpunkt des Spiegels orientiert und wird in sich selbst reflektiert
16
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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
17
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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
18
322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
19
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
20
323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
12
Aufbau und Durchfuumlhrung( Dauer 5 Min)
Der Aufbau ist wie bei dem Versuch Reflexion Hier wird der Spiegel mit dem zerknitterten Silberpapier abgedeckt Das Licht der Lichtleuchte faumlllt auf den Spiegel Das zerknitterte Papier reflektiert auch das Licht aber nicht in eine Richtung Das Licht wird in vielen Richtungen zerstreut
Erklaumlrungen
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
223 Reflexionsgesetz
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte ( mit Kondensator )SpaltLinse + 200 mm3 StativreiterWeiszliger SchirmOptische ScheibeSpiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
13
Aufbau und Durchfuumlhrung( 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 Oberflaumlche 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 Laumlngsrichtung zur Schiene gebracht und das Planspiegelmodell so eingesetzt dass der Lichtstrahl auf der waagrechten Achse der optischen Scheibe entlanglaumluft und den Spiegel streift An der optischen Scheibe laumlsst sich die Groumlszlige des Einfallswinkels und des Reflexionswinkels ablesen Sie sind gleich
Einfallswinkel Reflexionswinkel15deg30deg45deg60deg
15deg30deg45deg60deg
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 20deg gedreht Sowohl der Einfallswinkel als auch der Reflexionswinkel aumlndern sich gleichzeitig um 20deg Der reflektiere Strahl wandert auf der Ebene der Scheibe um 40deg
Bei dem Aufbau ist es ziemlich schwierig die optische Scheibe so zu fixieren dass man sie problemlos drehen kann
14
23 Mitschrift
Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schuumller folgende Informationen im Heft dokumentiert haben
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Regulaumlre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten OberflaumlcheDiffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmaumlszligigen Oberflaumlche Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 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 moumlchten Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander als kaumlmen 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 wuumlrdenDie folgende Skizze zeigt die Konstruktion der Abbildung eines Pfeils an einem ebenen Spiegel
15
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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 Der zentrale Strahl Er ist auf dem optischen Mittelpunkt des Spiegels orientiert und wird in sich selbst reflektiert
16
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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
17
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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
18
322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
19
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
20
323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
13
Aufbau und Durchfuumlhrung( 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 Oberflaumlche 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 Laumlngsrichtung zur Schiene gebracht und das Planspiegelmodell so eingesetzt dass der Lichtstrahl auf der waagrechten Achse der optischen Scheibe entlanglaumluft und den Spiegel streift An der optischen Scheibe laumlsst sich die Groumlszlige des Einfallswinkels und des Reflexionswinkels ablesen Sie sind gleich
Einfallswinkel Reflexionswinkel15deg30deg45deg60deg
15deg30deg45deg60deg
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 20deg gedreht Sowohl der Einfallswinkel als auch der Reflexionswinkel aumlndern sich gleichzeitig um 20deg Der reflektiere Strahl wandert auf der Ebene der Scheibe um 40deg
Bei dem Aufbau ist es ziemlich schwierig die optische Scheibe so zu fixieren dass man sie problemlos drehen kann
14
23 Mitschrift
Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schuumller folgende Informationen im Heft dokumentiert haben
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Regulaumlre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten OberflaumlcheDiffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmaumlszligigen Oberflaumlche Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 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 moumlchten Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander als kaumlmen 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 wuumlrdenDie folgende Skizze zeigt die Konstruktion der Abbildung eines Pfeils an einem ebenen Spiegel
15
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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
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321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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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322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
19
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
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323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
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Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
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Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
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FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
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Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
14
23 Mitschrift
Nach Ablauf dieser Stunde sollen die Schuumller folgende Informationen im Heft dokumentiert haben
Einfallswinkel ( ) ist definiert als der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem auf der Grenzflaumlche errichteten LotReflexionswinkel ( ist definiert als der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und dem LotEinfallsebene ist die Ebene zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen auf dieser Ebene
Das Reflexionsgesetz
Der Einfallswinkel ist gleich groszlig wie der ReflexionswinkelEinfallender Strahl reflektierter Strahl und Lot liegen in einer Ebene
Regulaumlre Reflexion ist die Reflexion an einer glatten OberflaumlcheDiffuse Reflexion ist die Reflexion an einer unregelmaumlszligigen Oberflaumlche Das Licht wird in verschiedenen Richtungen reflektiert
3Spiegel
31 Theoretische Grundlagen
311 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 moumlchten Nach der Reflexion laufen die Strahlen so auseinander als kaumlmen 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 wuumlrdenDie folgende Skizze zeigt die Konstruktion der Abbildung eines Pfeils an einem ebenen Spiegel
15
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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 Der zentrale Strahl Er ist auf dem optischen Mittelpunkt des Spiegels orientiert und wird in sich selbst reflektiert
16
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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
17
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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
18
322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
19
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
20
323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
15
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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
312 Der Konkavspiegel
Konkavspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische Spiegel) oder von Rotationsparaboloiden ( Parabolspiegel ) An dieser Stelle moumlchte ich einige Begriffe erklaumlrenDer Brennpunkt F liegt in der Mitte zwischen dem Kruumlmmungsmittelpunkt und dem optischen Mittelpunkt des Spiegels Der Abstand des Brennpunktes vom optischen Mittelpunkt O heiszligt Brennweite f Die Brennweite ist gleich dem halben Kruumlmmungsradius 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 laumlsst sich mit Hilfe folgender vier Strahlen leicht konstruieren
Die Hauptstrahlen sind
1 Der achsenparallele Strahl Er verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt des Spiegels und wird in sich selbst reflektiert4 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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
17
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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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322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
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Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
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323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
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Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
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Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
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FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
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Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
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3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
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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
313 Der Konvexspiegel
Ein Konvexspiegel ist ein Teil einer Kugel deren Auszligenseite 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
32 Experimente
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
322 Der Konkavspiegel
323 Der Konvexspiegel
324 Katakaustik ndash Parabolspiegel
325 Reflexion am Konkavspiegel ndash Strahlengang
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
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321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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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322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
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Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
20
323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
17
321 Das virtuelle Bild des Spiegels
Materialien
Glasscheibe 40 cmFuszligZentimetermaszlig2 gleiche Kerzenweiszliger Schirm
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 3 Min )
Glasscheibe und Zentimetermaszlig 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 entzuumlndet Die hintere Kerze wird entfernt und es wird versucht mit dem weiszligen Schirm das Spiegelbild aufzufangen
Ergebnisse
Fuumlr den Beobachter der durch die Scheibe sieht scheint die Kerze hinter der Glasscheibe auch zu brennen Das Spiegelbild der brennenden Kerze laumlsst sich mit dem Schirm nicht auffangen
Erklaumlrungen
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
18
322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
19
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
20
323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
18
322 Der Konkavspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 Stativreiterweiszliger Schirm optische ScheibeVierspaltblendeHohlspiegelmodellNetzanschlussgeraumlt
19
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
20
323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
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Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel trifft nach der Vierspaltblende auf das Hohlspiegelmodell das in der Mitte der optischen Scheibe angebracht ist Durch Ausprobieren wird der Kruumlmmungsradius 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 MEr ist der Brennpunkt F Die Brennweite des verwendeten Konkavspiegelmodells betraumlgt 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konkavspiegels betraumlgt 100 mm Bei dem Versuch wird auch beobachtet dass die Lichtstrahlen zueinander streben Der konvexe Spiegel sammelt das Licht Er macht das Licht konvergent
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Innenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Kugel von der der Spiegel ein Teil ist heiszligt Kruumlmmungsmittelpunkt
20
323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
20
323 Der Konvexspiegel
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchteKondensatorLinse +100 mmIrisblende4 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonvexspiegelmodellVierspaltblende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( 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 kaumlmen sie von einem Punkt der in der ruumlckwaumlrtigen Verlaumlngerung 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 betraumlgt die Brennweite 50 mm Der Kruumlmmungsradius des Konvexspiegels betraumlgt 100 mm Man beobachtet dass die Lichtstrahlen von Licht auseinander streben Der konvexe Spiegel zerstreut das Licht Er macht das Licht divergent
21
Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
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Erklaumlrungen
Der verwendete Spiegel ist ein Schnittmodell eines Kugelspiegels dessen Auszligenseite spiegelt Der Mittelpunkt der Spiegelflaumlche ist der optische Mittelpunkt
324 Katakaustik - Parabolspiegel
Materialien
SchieneRichtleuchteKondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm4 StativreiterVierspaltblendeweiszliger Schirmoptische ScheibePlexiglas-HalbkreisscheibeAufbaureiterNetzanschlussgeraumlt
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 5 Min )
Der Aufbau und die Durchfuumlhrung entsprechen den vorher beschriebenen Versuchen Hier wird die Plexiglas-Halbkreisscheibe an der optischen Scheibe befestigt Es wird nur die Reflexion am inneren Glashalbkreis beobachtet
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
22
Ergebnisse
Die Parallelstrahlen sollten sich nach der Reflexion uumlberdecken und eine helle Kurve ausbilden die eine Spitze im Brennpunkt hat Dieses Phaumlnomen konnten wir bei der Durchfuumlhrung des Versuches nicht sehr gut beobachten
Erklaumlrungen
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 muumlndet Diese Brennlinie heiszligt Katakaustik Etymologisch betrachtet leitet sich das Wort Katakaustik aus der griechischen Sprache Kaustos bedeutet gebrannt und kata bedeutet herab Bei sphaumlrischen 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 auszligen gebogen Die Schnittfigur des Spiegels wird zur Parabel Spiegel dieser Art heiszligen Parabolspiegel Mit Hilfe eines Parabolspiegels laumlsst sich die sphaumlrische Aberration vermeiden
325 Reflexion am Konkavspiegel - Strahlengang
Materialien
Schiene 1000 mmSpaltLinse + 100 mm2 Halter fuumlr Rundeinsatz3 Stativreiterweiszliger Schirmoptische ScheibeKonkavspiegelmodellAufbaureiterVierspaltblendeNetzanschlussgeraumlt
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
23
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 8 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator beleuchtet den waagrechten Spalt Die Linse + 100 mm befindet sich hinter dem Spalt Sie macht das Lichtbuumlndel parallel Das parallele Lichtbuumlndel 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 Brennpunktc) als Mittelpunktstrahl durch den Kruumlmmungsmittelpunkt in den Konkavspiegel geschickt
Ergebnisse
Parallelstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
24
Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen
Erklaumlrungen
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 Kugelflaumlche des Spiegels auf Nach dem Reflexionsgesetz werden sie in sich zuruumlckgeworfen
326 Konkavspiegelgleichung-Konstruktion von Konkavspiegelbildern
Materialien
Schiene 1000 mmRichtleuchte mit KondensatorLinse + 100 mmIrisblendeLinse + 300 mm6 Stativreiterweiszliger Schirm
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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 Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
25
FuszligKonkavspiegel + 500 mmF-Blende
Aufbau und Durchfuumlhrung ( Dauer 10 Min )
Die Richtleuchte mit Kondensator und Linse +100 mm beleuchtet die Irisblende Die Linse + 300 mm macht das Lichtbuumlndel parallel Die F- Blende wird in das parallele Licht gebracht Der Konkavspiegel faumlngt das Bild des F auf Die Brennweite f betraumlgt 500 mm Die F- Blende wird mehrmals verschoben und die Gegenstandsweiten werden jedes Mal gemessen
Ergebnisse
Beim Konkavspiegel haumlngen die Eigenschaften der Bilder von der Gegenstandsweite ab Befindet sich der Gegenstand auszligerhalb der Brennweite des Konkavspiegels dann wird ein reelles umgekehrtes Bild erzeugt Das Bild kann entweder verkleinert gleich groszlig oder vergroumlszligert sein und liegt auszligerhalb der Brennweite
26
Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
27
3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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
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Nach der Bearbeitung dieser Themenbereiche
Sollen die Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
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Ist der Gegenstand innerhalb der Brennweite entsteht ein virtuelles aufrechtes und vergroumlszligertes Bild hinter dem Spiegel
Die Konkavspiegelgleichung lautet
33 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 groszlig wie dieser und steht aufrecht
Wie kann ein virtuelles Bild erklaumlrt werden
Ein Betrachter hat den Eindruck dass die Strahlen von einem Punkt hinter dem Spiegel herkaumlmen
Der Konkavspiegel
Hohlspiegel sind entweder Teile von Kugelflaumlchen (sphaumlrische 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 manBrennweite f Der Brennpunkt halbiert die Strecke Mittelpunkt M ndash optischer Mittelpunkt O Bei sphaumlrischen 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 verlaumluft nach der Reflexion durch den Brennpunkt2 Der Brennpunktsstrahl Er verlaumluft durch den Brennpunkt und wird achsenparallel reflektiert
1g
1b
1f
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3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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
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Sollen die Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben
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3 Der radiale Strahl Er verlaumluft durch den Kruumlmmungsmittelpunkt 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 Auszligenseite 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
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Nach der Bearbeitung dieser Themenbereiche
Sollen die Schuumller in der Lage sein die Mond- und Sonnenfinsternis zu beschreiben Sie muumlssen die diffuse und die regulaumlre Reflexion anhand von Bespielen erkennen und erklaumlren koumlnnenSie sollen anhand von Experimenten die Strahlengaumlnge sowohl bei den Konkavspiegeln als auch bei den Konvexspiegeln erklaumlren und auch selbst zeichnen koumlnnen Den Kindern sollten die Unterschiede zwischen realem und virtuellem Bild deutlich und klar sein Sie muumlssen auch die Faktoren von denen die Eigenschaften des Bildes abhaumlngen verstanden haben