Strahlen- und Wellenoptik

Klasse 7-9 Klasse 10-13 Sonstiges Weg hier
 

Sekundarstufe I

Licht Größe: 119kB

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Beispiel für eine LK Klasse 7 zum Thema "Licht und Schatten".
Arbeitszeit 40min
Reflexion
Brechung
Größe: 56kB

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Beispiel für eine besonders einfache Kontrolle in Klasse 7 zum Thema "Reflexion und Brechung".
Arbeitszeit 20min
Linsen Größe: 36kB

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Grundwissen zum Thema Linsen, verpackt in einer kurzen LK.
Linsentypen, Grundkonstruktionen. Klasse 7
Klassenarbeit Größe: 371kB

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Beispiel für eine Klassenarbeit zur Optik. Licht, Reflexion, Brechung, Linsen.

 

Sekundarstufe II

Strahlenoptik (1) Größe: 41kB

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Übungsaufgaben: Abbildung an dünnen Linsen, Brechungsgesetz
Strahlenoptik (2) Größe: 735kB

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Übungsaufgaben mit Abiturniveau: Vier Sachaufgaben zu Abbildungsgleichung, Abbildungsmaßstab, Brechungsgesetz.
Strahlenoptik (3) Größe: 38kB

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Beispiel für eine Leistungskontrolle zur Strahlenoptik.
Strahlenoptik (4) Größe: 551kB

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Noch ein Beispiel für eine Leistungskontrolle zur Strahlenoptik.
Brechung und Interferenz Größe: 540kB

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Großer Test Strahlen- und Wellenoptik: Brechungsgesetz, Totalreflexion, Gitterversuch, dünne Schichten
Interferenz (1) Größe: 21kB

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Leistungskontrolle zum Versuch: Interferenz am Doppelspalt und Gitter.
Interferenz (2) Größe: 29kB

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Beispiel für eine Kontrolle zur Theorie der Interferenz an dünnen Schichten und am Gitter. Mit Taucheraufgabe.
Wasserstoff Größe: 19kB

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Echtes Foto, aufgenommen im reflektierten Licht einer leuchtenden Wasserstofflampe, Fotoapparat und Gitterspiegel je in einer Hand haltend.
Newtonsche Ringe (1) Größe: 24kB

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Lern- und Arbeitsblatt zum Thema "Newtonsche Ringe"
Newtonsche Ringe (2) Größe: 285kB

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Ein interessanter Zeitungsartikel: Worüber wird hier geredet? Abiturvorbereitung für Klasse eA-12.

 

Warum ist der Himmel blau?

SunDown, 21.05.2014, gesehen im Beer-Garten
(Abb.: SunDown, 21.05.2014, gesehen im Beer-Garten)

Wir Naturwissenschaftler kennen eine Antwort: Weil der Sonnenuntergang rot ist!

Beide Erscheinungen haben die gleiche Ursache, beide Erscheinungen zeigen die gleiche Wirkung.
Das weiße Licht der Sonne lässt sich in all die bunten Spektralfarben zerlegen, die wir vom Regenbogen kennen: Alle Farben, die unser Auge wahrnehmen kann (und noch viel viel mehr). Das kennen wir aus dem Physikunterricht: Dringt weißes Licht, welches ein Mischlicht aus einigen bis unendlich vielen Spektralfarben ist, aus der Luft schräg in ein optisch dichteres Medium (z.B. Wasser oder Glas) ein, dann wird das Licht zum Einfallslot hin gebrochen. Dabei kommt es zur „Dispersion“ – der Aufspaltung in die Spektralfarben, weil verschiedene Farbanteile unterschiedlich stark gebrochen werden. Der violette Anteil wird stärker und der rote Anteil schwächer gebrochen.
Unser Auge ist auf einen schmalen Spektralbereich (Wellenlängenbereich) von rund 380nm* (violett) bis 640nm (rot) sensibel. Unterhalb dieses Bereiches schließt sich das ultraviolette Licht („UV-Strahlung“) und oberhalb das infrarote Licht (IR) an. Diese „Licht“farben kann man nur mit speziellen Hilfsmitteln sichtbar machen.
Bedingt durch die Fusionsvorgänge in und die hohen Temperaturen auf der Sonnenoberfläche sendet selbige ein fast kontinuierliches Spektrum aller erdenklicher Spektralfarben zu uns, die in ihrer Gesamtheit, im Farbgemisch also, ein sattes Weiß ergeben. Und Wärme - oho! Das aber nur Dank der Infrarotstrahlung.

Unsere liebe Erde ist umhüllt von einer kilometerdicken Gas-Schicht: der Atmosphäre. Wir wissen, dass die Partikel in dieser Schicht kleiner als 100nm sind. Stickstoff z.B. ist etwa 0,065nm groß, also kleiner als ein Zehnmillionstel Millimeter! Unvorstellbar, aber eine sehr gute Voraussetzung für die Farbgebung, denn diese "Teilchen" sind damit deutlich kleiner als 1/4 der Wellenlänge des blauen Lichtes (ganz grob: blau-400nm, rot-600nm).
An diesen winzigen Gaspartikeln (Stickstoff, Sauerstoff) kommt es nun zur Streuung, der sog. Rayleigh-Streuung. Für diese gilt, dass die Streuwahrscheinlichkeit 1/(Wellenlänge)4 ist. Je kleiner also die Wellenlänge, desto (viel-)größer die Streuwahrscheinlichkeit.
Alles klar? Genau! Der blau/violette Lichtanteil wird am stärksten gestreut. Streuung heißt: Das Licht geht jetzt nicht mehr geradeaus Richtung Erdboden, sondern verteilt sich wild im Raum, ähnlich wie wenn man mit einer Taschenlampe in Nebel leuchtet. Das von der Sonne kommende Licht als Energieträger regt die Atome in der Atmosphäre an, wobei Hüllenelektronen in höhere Bahnen gehoben werden, wenn die Energiedifferenz der Bahnen gerade der einfallenden Lichtenergie entspricht. Beim Zurückfallen der Elektronen kommt es zur "Spontanemission" der selben Lichtfarbe, aber in eine beliebige Richtung. Das ist, als Gleichnis gesprochen, wie wenn man aus einem LAN (Kabelleitung) mit einem Router ein WLAN (allseitig) macht. Jedenfalls passiert im Wesentlichen mit dem blauen Licht, weil dies so energiereich ist. Die Gasatome der Atmosphäre geben also blaues Licht allseitig ab und sie interessieren sich kaum für die anderen Farben. Und darum erscheint er uns nicht nur blau, sondern er ist auch noch nach Sonnenuntergang zu sehen! Sowas gibt es auf dem Mond nicht, dort ist es quasi schlagartig dunkel und der Himmel ist immer schwarz...
Am Abend, beim Sonnenuntergang, da steht die Sonne sehr tief am Horizont und das Licht muss deshalb etwa 500km Strecke durch die Atmosphäre zurücklegen. Auf dieser langen Strecke wird nun das blaue Licht am stärksten gestreut, raus, weg, hinaus in das Weltall zum Beispiel - und so "fehlt" dieser Blauanteil dann, wenn es endlich bei uns am Auge angekommen ist. Blau fehlt - wir sehen mehr rot. Das ist das Abendrot und genauso entsteht das Morgenrot.
Manch einer sieht auch so rot. Andere genießen den Sonnenuntergang. Einfach so, weil er schön ist!

Und in NWuT lernt ihr das noch etwas genauer und seht einen schönen Versuch dazu. Und ihr erfahrt auch, warum die Wolken weiß oder grau sind - und nicht rot oder grün. Aber vielleicht könnt ihr es euch jetzt ja denken...

Wolken entstehen bei Vorhandensein von Kondensationskeimen in der Luft bei ausreichend gesättigter und kühler Luft. Dabei vereinigen sich winzige Wasserpartikel zu winzigen Tropfen, die aber viel zu groß für eine Rayleigh-Streuung wären. Diese Wassertropfen streuen das Licht nicht, es bleibt in seiner Gesamtheit als weißes Licht erkennbar.
Übrigens: Alles, was wir sehen und was keine Lichtquelle ist, sehen wir nur, weil Licht daran reflektiert wird!!! Welche Farbe wir dabei erkennen ist prinzipiell von der Material- bzw. dessen Oberflächenbeschaffenheit abhängig.
(Neulich las ich im Flugzeug auf dem Weg von Dresden nach Düsseldorf auf dem Monitor eines Reisenden eine ppt mit einem schönen Spruch, der Wolfgang Pauli zugeordnet wird: Gott schuf das Volumen, der Teufel schuf die Oberflächen.)
Wolken sehen wir also, weil weißes Sonnenlicht an Wasserpartikeln reflektiert wird (oder diese durchdringt). Graue Wolken sind dunkelweiß – Sonnenlicht kann sie umso schlechter durchdringen, je dicker sie sind. Und umso schlechter, je größer die Wasserpartikel (Tropfen) sind. Sind die Wassertropfen groß genug, dann regnet es.

*nm = Nanometer, 10-9m = 10-6mm

Genießt jeden Tag. Genießt die Farben. Genießt das Licht.
Wolfgang Beer