Optik 3 - Persen

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Anke Ganzer
Physik kompetenzorientiert:
Optik 3
Bergedorfer ® Unterrichtsideen
Anke Ganzer
Physik III –
kompetenzorientierte Aufgaben
9./10. Klasse
Downloadauszug
aus dem Originaltitel:
Optik, Mechanik, Elektrizitätslehre, Atomphysik,
Schwingungen und Wellen
Das Werk als Ganzes sowie in seinen Teilen unterliegt dem deutschen Urheberrecht.
Der Erwerber des Werkes ist berechtigt, das Werk als Ganzes oder in seinen Teilen
für den eigenen Gebrauch und den Einsatz im eigenen Unterricht zu nutzen. Die
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Eine über den genannten Zweck hinausgehende Nutzung bedarf in jedem Fall
der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Verlages.
Verstöße gegen diese Lizenzbedingungen werden strafrechtlich verfo
verfolgt.
Optik 3
Lichtausbreitung – was wir schon wissen
1. In dem Text sind 4 Fakten falsch. Unterstreiche diese.
Licht ist für alle Menschen, Tiere und Pflanzen auf der Erde lebensnotwendig. Es breitet
sich mit einer Geschwindigkeit von 300 000 m/s aus. Wenn ein Lichtstrahl von Luft in Glas
übergeht, ändert er seine Richtung, er wird vom Lot weggebrochen. Trifft Licht auf glatte,
glänzende Oberflächen, wird es reflektiert. Von rauen Oberflächen wird das Licht vollständig absorbiert. Parabolspiegel sammeln das Sonnenlicht in ihrem Brennpunkt. Parallelstrahlen werden dort zu Mittelpunktstrahlen reflektiert.
2. Nur zwei Begriffe passen zusammen. Kreuze beide an und begründe.
ründe
Begriffe
Begründung
ndung
a) Auge
Brille
Löffel
b) Scheinwerfer
Handspiegel
Parabolspiegel
c) Lupe
Reflekto
ektor
D
Discokugel
Löf
Löffel im Glas
mit Wasser
Rückspiegel
spiegel im
Auto
d)
Linse
se im
Fotoapparat
Fo
toapparat
Vervollständige den Strahlenverlauf.
3. Vervoll
verlauf. Nenne
Nenne und
u formuliere die dargestellten Gesetze der Lichtausbreitung.
setz
itu
Luft
Wasseroberfläche
Wasser
Gesetze:
__________________________________
__________________________________
__________________________________
__________________________________
__________________________________
__________________________________
__________________________________
__________________________________
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1
Optik 3
4. Wie viele Lichtquellen beleuchten den lichtundurchlässigen Körper?
Konstruiere sie.
5. Zeichne die Hauptstrahlen eines Hohlspiegels und ihren weiteren
eren Verlauf
Ver
ein.
Vervollständige die Sätze.
Bei einem
nem Hohlspiegel
lspiegel werden
w
Parallelstrahlen
Par
zu ___________________________
____ ________
und
F
________________________
_______
____
zu Parallelstrahlen
rallelstrahlen
reflektiert. Der
er Lichtweg ist
s _
________________.
____ ____ .
6. Anna-Lena
Anna ena behauptet,
behau tet, die
d Sonne ist von der
er Erde
Erde 8 Lichtminuten
Lichtm
minu
entfernt. Ihre
Freundin
und EntferFreund n Susann zweifelt. Sie meint,
mei Minuten
inuten sind eine Zeitangabe
Z
nungen
gen werden in Kilometer angegeben.
angegeb n. Was meinst
mein t du dazu?
7. Befestige
eine Münze auf dem Boden einer Schüssel.
festige mit einem Klebestreifen
Kl
Schaue
chaue über
übe
er dem Rand genau so, dass die Münze verschwunden ist. Fülle nun langsam Wasser in die Schüssel.
Beschreibe
und erkläre deine Beobachtung.
h
8. Kreuze richtige Antworten an.
Die Vorstellung, dass Licht aus Strahlen besteht, ist ein Modell.
Alle Lichteigenschaften lassen sich mit Lichtstrahlen erklären.
Ein Lichtstrahl ist ein unendlich dünnes Lichtbündel.
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Optik 3
Das Brechungsgesetz
1. Vervollständige.
Licht breitet sich in Stoffen mit unterschiedlicher ________________________ aus.
Beim Übergang von einem lichtdurchlässigen in einen anderen Stoff ändert das Licht
deshalb seine _________________. Diesen Vorgang nennt man _______________. Es
gilt
sin α
sin β
=
. Der einfallende und der _______________ Strahl und das Lot liegen in
_____________________.
2. Susanne untersucht den Übergang des Lichtes von Luft in Wasser
asser und
un umgekehrt.
Ihr Ergebnis verwundert sie. Überprüfe auch.
a) Berechne den Brechungswinkel und konstruiere den Strahlenverlauf,
Strahlenverlauf, wenn
we Licht von
Luft in Wasser übergeht und der Einfallswinkel
el 55°
55 beträgt.
beträgt.
b) Berechne
chne den Einfallswinkel
Einfallsw
und konstruiere
e den
den Strahlenverlauf,
Strahlenverla wenn Licht nun umgekehrt
in Luft übergeht und
55° beträgt.
gekehrt von Wasser
Wa
nd der Brechungswinkel
Brechungsw
c) Was verwunderte
v wunderte Susanne? Kannst du es ihr erklären?
3. Berechne den Einfallswinkel beim Übergang des Lichtes von Luft in leichtes
Kronglas, wenn der Brechungswinkel 20° ist. Konstruiere anschließend den
Strahlenverlauf.
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3
Optik 3
4. Pauline hat gelernt, dass ein Lichtstrahl beim Durchgang durch eine Glasplatte
zweimal gebrochen wird und an der anderen Seite parallel verschoben wieder austritt. Das Maß der Parallelverschiebung hängt von der Plattendicke, dem Einfallswinkel und dem Stoff ab.
Sie will der Klasse in einem Vergleichsexperiment vorführen, dass bei dünnen Platten die
Verschiebung kleiner ist als bei dicken Platten. Es stehen folgende Anordnungen zur Auswahl.
Stoff
Plattendicke
Einfallswinkel
Anordnung (1)
Glas c = 186 000 km/s
2 cm
40°
Anordnung (2)
Glas c = 186 000 km/s
4 cm
20°
Anordnung (3)
Glas c = 186 000 km/s
4 cm
40°
Anordnung (4)
Wasserschicht c = 225 000 km/s
4 cm
4
40°
a) Welche zwei Anordnungen muss Pauline
aulin auswählen?
uswählen? Begründe deine Antwort.
t.
b) Berechne für die Anordnung
und konstruiere
nung (1) die Brechungswinkel
Brechu
struiere den StrahlenStrahl
verlauf.
c) Ist es möglich, dass Pauline eine noch größere Verschiebung der Strahlen mit einer
dieser Anordnungen in einem Experiment vorführt? Begründe deine Aussage.
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Optik 3
Totalreflexion
1. Entscheide, ob die Aussagen richtig oder falsch sind. Wenn du denkst, es handelt
sich um eine falsche Aussage, dann schreibe dahinter, wie sie richtig heißen
müsste.
Aussage
richtig
falsch
Die Aussage müsste richtig heißen:
Totalreflexion tritt beim Übergang
des Lichts von einem optisch
dichteren in ein optisch dünneres
Medium auf.
Totalreflexion tritt vor allem in
lichtundurchlässigen Körpern auf.
In einem optisch dichteren Medium
ist die Lichtgeschwindigkeit kleiner
als in einem optisch dünneren
Medium.
Fällt Licht mit dem Grenzwinkel ein,
so ist der Brechungswinkel 90° groß.
2. Beim Übergang des Lichtes von Wasser
Wasser in Luft beträgt
beträ der Grenzwinkel
zwinkel 48,6°.
48,6°.
ze chne in die Skizze
Skizze die Lichtquelle und
d den
den Strahlenverlauf
Strahlenv rlauf
Erkläre diese Aussage und zeichne
für 3 verschiedene Einfallswinkel
allswinkel ein.
ein
Luft
Wasser
3. Die Totalreflexion
in
eflexion wird
w
i Glasfaserkabeln genutzt. Beschrifte folgende Skizze und
zeichne
ein.
e den weiteren
weiteren Strahlenverlauf
Str
optisch dichtes
dicht Material
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optisch dünnes Material
Mantel
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Optik 3
Konstruktionen der Lichtausbreitung
1. Konstruiere die Bilder an Sammellinsen und gib die Bildeigenschaften an.
a) f = 2 cm, G = 1 cm, g = 3,5 cm
b) f = 2 cm, G = 1 cm, g = 1 cm
Gegenstands vor einer Sammellinse
nse erscheint
erscheint zwar auf dem Kopf,
2. Das Bild eines Gegenstands
u d seitenverkehrt,
seitenve ehr jedoch gleich groß.
roß. Wo befindet sich
ich der Gegenstand?
reell und
s
ersteckt. Kannst
Kann du sie enttarnen?
3.. Hier sind
Spiegel und Linsen versteckt.
a)
b)
c)
d)
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Optik 3
Lernzielkontrolle
1. Vervollständige.
Das Licht breitet sich ohne Hindernisse __________________, ________________ und
mit einer ____________________________ aus. Trifft es jedoch auf Wasser, so wird das
Licht ______________, das heißt es ändert seine ____________________. Die Totalreflexion kann eintreten, wenn Licht von einem optisch _______________ in ein optisch
_____________ Medium übergeht und der ________________ eine
e bestimmt
be
Größe
überschreitet.
2. Konstruiere die Bilder an Sammellinsen. Gib die Bildeigenschaften
genschaften an.
a) f = 3 cm, G = 1 cm, g = 7 cm
b) f = 3 cm, G = 1 cm, g = 1 cm
m
Lich
Abbildun von Luft auf leichtes Flintglas.
3. Ein Lichtstrahl
trifft wie in der Abbildung
Be
uf des Lichts.
Lichts Zeichne das Lot ein und entnimm die
a) Berechne
den weiteren Verlauf
de Abbildung.
dun
erforderlichen Werte der
b) Konstruiere den Strahlenverlauf und beschrifte die Winkel und Strahlen.
4. Oliver behauptet, dass das Licht bei einem bestimmten Winkel beim Übergang von
Luft in Wasser nicht gebrochen wird.
Stimmt das? Falls ja, gib den Winkel an und begründe mit einer Berechnung.
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Lösungen/Physik – Optik 3
Lichtausbreitung – was wir schon wissen
1.
S. 1
Licht ist für alle Menschen, Tiere und Pflanzen auf der Erde lebensnotwendig. Es breitet sich mit einer Geschwindigkeit
von 300 000 ms aus. Wenn ein Lichtstrahl von Luft in Glas übergeht, ändert er seine Richtung, er wird vom Lot weggebrochen. Trifft Licht auf glatte, glänzende Oberflächen, wird es reflektiert. Von rauen Oberflächen wird das Licht vollständig
absorbiert. Parabolspiegel sammeln das Sonnenlicht in ihrem Brennpunkt. Die Parallelstrahlen werden dort zu Mittelpunktstrahlen reflektiert.
2.
Begriffe
Begründung
a)
Auge
Brille
Löffel
Auge und Brille sind Linsen,
sie brechen das Licht.
b)
Scheinwerfer
Handspiegel
Parabolspiegel
Scheinwerfer und Parabolspiegel sind Hohlspiegel.
c)
Lupe
Reflektor
Discokugel
Diskokugel
und Reflektor
iskoku
reflektieren
lektier das Licht.
d)
Linse im Fotoapparat
Löffel im Glas mit Wasser
Rückspiegel im Auto
wird in einer Linse
Das Licht w
Wasser gebrochen.
und im Wass
3.
Reflexion
Reflexionsgesetz:
gesetz: Einfallswinkel
Einfal winkel α und
u der Reflexionswinkel
winke α’ sind
ind gleich groß. Einfallender
allend Strahl, reflektierter
Strahl und
un Einfallslot liegen
liege in einer Ebene.
4.
Den Körpe
Körper beleuchten
Lichtquellen.
2 Lichtqu
5.
Bei einem Hohlspiegel
ohlsp el werd
werden
en Para
Parallelstrahlen
zu Brennpunktstrahlen
Brennpunktstrahlen
nnpunktstrah
und B
ennp
zu Parallelst
Parallelstrahlen
reflektiert. Der Lichtweg ist
hlen reflektiert
umkehrbar.
kehrbar.
Brechung
Brechungsgesetz:
sgesetz: Beim
Beim Übergang
Überg
von Luft in Wasser wird ein
Lichtstrahl
chtstrah zum Lot hin g
gebrochen,
broche der Einfallswinkel ist größer als
der Brechu
Brechungswinkel
gswinkel α > β. E
Einfallender Strahl, gebrochener Strahl
und Einfallsl
Einfallslot liegen in einer Ebene.
F
6.
Beide Aussagen sind richtig. Da die Sonne unvorstellbar weit entfernt ist gibt man die Entfernung in Lichtminuten an.
Eine Lichtminute ist die Strecke, die das Licht in einer Minute zurücklegt.
7.
Zuerst sieht man die Münze nicht. Füllt man Wasser in die Schale erscheint die Münze durch die Brechung des Lichtes
beim Übergang von Wasser in Luft.
8.
Die Vorstellung, dass Licht aus Strahlen besteht ist ein Modell.
Ein Lichtstrahl ist ein unendlich dünnes Lichtbündel.
Das Brechungsgesetz
1.
S. 3
Licht breitet sich in Stoffen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus. Beim Übergang von einem lichtdurchlässigen in
α
einen anderen Stoff ändert das Licht deshalb seine Richtung. Diesen Vorgang nennt man Brechung. Es gilt sin
= cc
sin β
n
(oder = n ). Der einfallende und der gebrochene Strahl und das Lot liegen in einer Ebene.
1
2
2
1
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8
Lösungen/Physik – Optik 3
2.
a)
sin α
sin β
=
oder
c1
c2;
sin α
sin β
sin β =
sin 55° · 225 000
300 000
=
n2
n 1;
sin β =
km
s
km
s
; β = 37,9°
55°
sin 55° · 1,0003
;
1,333
Luft
β = 37,9°
Wasser
37,9°
b)
sin α
sin β
=
oder
c1
c2;
sin α
sin β
sin 55° · 225 000
sin α =
300 000
=
n2
n 1;
sin α =
km
s
km
s
; α = 37,9°
37,9°
sin 55° · 1,0003
;
1,333
Wasser
α = 37,9°
Luft
55°
3.
c)
In einer Rechnung erhält sie für den Brechungswinkel 37,9° und in derr anderen fü
für den Einfallsw
Einfallswinkel 37,9°.
Die Ursache liegt in der Umkehrbarkeit des Lichtweges.
sin α
sin β
=
oder
c1
c2;
sin α
sin β
sin α =
sin 20° · 300 000
199 000
=
n2
n 1;
sin α =
km
s
km
s
; α = 31,0°
sin 20° · 1,515
;
1,0003
31,2°
31,
Luft
α = 31,2°
Leichtes
Kronglas
20°
4.
a) Anordnungen
ungen (1) un
und
d (3), beide Exp
Experimente
unterscheiden
nur in
un
cheiden sich n
n der Dicke der
Platten,
Platten, der Stoff und der Einfallswinkel sind
gleich.
sin 40° · 186 000
km
s
23,5°
b)
sin
in α
sin β
c)
Mit der Anordnung kann
nn sie k
keine noch größe
größere Verschiebung der Strahlen nachweisen. Wasser ist das optisch dünnere Medium, sodass
einfallende Strahl in Wasser schwächer gebrochen wird. Die Verschiebung ist folglich geodass der ein
ringer.
=
c1
c2;
40°
sin β =
km
300 000
s
; β = 23,5°
5°
40°
sin α
sin β
=
c1
c2;
sin
in β =
sin 40° · 225 000
0
000
300 0
km
s
km
s
; β = 28,8°
Totalreflexion
lexion
1.
Aussage
Totalreflexion tritt beim Übergang des Lichts von
einem optisch dichteren in ein optisch dünneres
Medium auf.
S. 5
richtig falsch Die Aussage müsste richtig heißen:
X
Totalreflexion tritt vor allem in lichtundurchlässigen
Körpern auf.
X
In einem optisch dichteren Medium ist die Lichtgeschwindigkeit kleiner als in einem optisch dünneren Medium.
X
Fällt Licht mit dem Grenzwinkel ein, so ist der
Brechungswinkel 90° groß.
X
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Totalreflexion tritt vor allem in lichtdurchlässigen
Körpern auf.
9
Lösungen/Physik – Optik 3
2.
Wird der Einfallswinkel beim Übergang von Wasser in Luft größer,
so wird auch der Brechungswinkel größer. Erreicht der Einfallswinkel einen Wert von 48,6°, so ist der Brechungswinkel 90°.
Wird der Einfallswinkel noch größer, so wird das Licht nicht mehr
gebrochen, es wird dann zurückreflektiert.
Luft
Wasser
3.
Strahlenverlauf
Mantel
optisch dichtes Material
optisch dünnes Material
Konstruktionen der Lichtausbreitung
tung
1.
a) vergrößert, seitenverkehrt,
rt, auf dem K
Kopf,
pf, reel
reell
2.
Der Gegenstand befindet
findet sich
ich auf 2f.
S
S. 6
b) vergrößert,
rt, au
aufrecht,
t, virtu
virtuell (Lupe)
Lupe)
3.
Lernzielkontrolle
S. 7
1.
Das Licht breitet sich ohne Hindernisse allseitig, geradlinig und mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km/s aus. Trifft es
jedoch auf Wasser, so wird das Licht gebrochen, das heißt, es ändert seine Richtung. Die Totalreflexion kann eintreten,
wenn Licht von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium übergeht und der Einfallswinkel eine bestimmt
Größe überschreitet.
2.
a) verkleinert, seitenverkehrt, auf dem Kopf, reell
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b) vergrößert, aufrecht, virtuell (Lupe)
10
Lösungen/Physik – Optik 3
3.
4.
α = 25°;
sin α
sin β
=
c1
c2;
sin β =
sin 25° · 186 000
300 000
km
s
km
s
; β = 15,2°
25°
Ja, dieser Fall tritt bei einem Einfallswinkel von 0° ein.
sin α
sin β
=
c1
c2;
sin β =
km
sin 0° · 225 000
s
km
300 000
s
Luft
leichtes
Flintglas
; β = 0°
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15,2°
11
®
Bergedorfer
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