Licht und die Linsengleichung

Licht

Es gibt verschiedene Arten von Licht (z.B. Rotlicht, Ultravioletteslicht, Schwarzlicht,Neonlicht, Purpurlicht... ). Licht kann man in natürliches und künstliches Licht unterteilen. Das natürliche Licht kommt von der Sonne, Feuer, etc.. Künstliches Licht wird von Menschen erzeugt. Licht erzeugt (natürliches Licht) und wird erzeugt (künstliches Licht) durch Energie. Licht ist für alle Lebewesen lebensnotwendig. Um Licht zu erzeugen braucht man Strom/Energie. Mit Licht kann man Räume erhellen. Früher, als es noch kein elektrisches Licht gab, benutzte man Kerzen, Feuer oder Fackeln um Licht zu erhalten. Künstliches Licht wird zum Beispiel von einer Glühbirne erzeugt. Um zu funktionieren, braucht diese Glühbirne Strom. Der Strom wird unter anderem durch Solaranlagen gewonnen. Diese wiederum holen ihre Energie von der Sonne. Man kann Energie durch Umweltfreundliche Weise gewinnen. Windräder oder Solarplatten sind erneuerbare Energien, die Natur- und Zukunftsfreundlich sind. Atomkraftwerke werden dennoch für das Erzeugen von Energie verwendet. Energie kann nicht immer gesehen werden, sie kann aber unter anderem durch Naturgewalten (z.B. Blitze) sichtbar werden.

Fazit: Licht ist Energie.

Elektrisches Licht

Beispiele für elektrisches Licht.

Auf dem 1. Bild sieht man eine Glühbirne.

Auf dem 2. Bild sieht man eine Straßenlaterne.

Natürliches Licht

Beispiele für natürliches Licht.

Auf dem 1. Bild sieht man eine Sonne.

Auf dem 2. Bild sieht man Feuer.

Versuch

Material:

Stromkasten, 2 Kabel, 1 Draht, 2 Kontaktstellen, Papier

Durchführung:

Zuerst schaltet man den Strom an, dann legt man ein Stück Papier auf den gespannten Draht, der mit dem Strom verbunden werden muss. Dann stellt man den Strom immer höher.

Beobachtung:

Als der Strom immer höher gestellt wurde, fängt der Draht an zu glühen und das Papier verbrannte. Je nachdem wie hoch der Strom war, fing das Papier immer mehr an zu rauchen bis es schließlich verbrannte. Nachdem das Papier verbrannt ist wurde der Strom noch höher gestellt und der Draht fing an zu glühen, bis er schließlich durchbrannte.

Erklärung:

Der Draht wurde immer wärmer, da Strom durch den Draht geleitet wurde. Er erhitzt sich so stark, dass er in der Mitte durchbricht.

Zusammanhang zur Lichtmühle

Der Versuch mit der Lichtmühle ist ein Beweis dafür, dass Licht Energie erzeugt und sie freisetzen kann. Dies konnte man durch das drehen der Plättchen in der Lichtmühle erkennen.

Quiz

Quiz zu Was ist Licht?

Was ist eine Lichtmühle?

Eine Lichtmühle ist eine kleine Apparatur, die im Jahr 1873 entwickelt wurde. Ihr Erfinder, William Crookes, war ein britischer Physiker und Chemiker, und befasste sich zu dieser Zeit mit dem Thema Licht. Die Lichtmühle wird allgemein auch „Licht-Windrad“ genannt. Sie so zu nennen macht kaum Sinn, da die Lichtmühle nichts mit Windkraft zu tun hat, sondern alleine durch die Energie des Lichtes angetrieben wird. Die Lichtmühle besteht aus einer Glaskuppel, in der sich ein dünner Draht mit vier Metallplättchen befindet. In diese Glaskuppel kann keine Luft hinein kommen, also auch keine Windkraft. In dem Glas befindet sich Vakuum. Da keine andere Energie, die das Rad andrehen könnte, durch das Glas hindurch kommt, ist sicher, dass die Lichtmühle durch die Kraft des Lichtes angetrieben wird. Durch die Erfindung der Lichtmühle wird die Energie des Lichtes bewiesen.

Silbernes und Schwarzes Metallplätchen

Wie funktioniert sie?

Bei Bestrahlung erwährmt sich die schwarze Seite mehr als die Siberne und gibt den dort reflektierenden Gasmolekülen mehr Energie. Dabei drehen sich die "Flügelrädchen" um eine Achse. Der Nachfolger der Lichtmühle ist das Radiometer. Es funktioniert ähnlich wie die Lichtmühle.

Wie sieht sie aus?

Die Lichtmühle hat unten einen Sockel, darüber befindet sich eine Art Glasbirne mit einem Durchmesser von ca. 5-6 Zentimeter in der sich ein Metalldraht befindet, dieser ist ganz gerade nach oben gebogen. Auf dem Draht sind 4 Plättchen in schwarz- Silber, die eine Seite ist schwarz, weil sie mit Ruß gefärbt wurde und die andere ist Silber, daher das sie nicht gefärbt wurde. Damit das Flügelrad nicht herunter fällt, wird von oben eine Glasröhre in die Kugel hinein gesteckt und am ende wird alles zusammen geschmolzen.

Lichtmüle

Wie hängt die Lichtmühle mit den anderen Experimenten zusammen?

Die Lichtmühle hat uns als erstes Beispiel gezeigt, wie stark das Licht sein kann, noch bevor wir mit unseren eigenen Experimenten zur Energie des Lichtes begonnen hatten. Sie zeigt gut und für jeden sichbar, was das Licht erreichen kann. Zwar ist das Drehen der Lichtmühle nur ein kleines Beispiel, aber dennoch ein sehr gutes. Nachdem wir sicher wussten, dass das Licht eine starke Energie ist, mit der man theoretisch viel Bewegung und Sichtbarkeit erreichen kann, haben wir mit unseren eigenen Versuchen angefangen, um noch einmal mit eigenen Augen zu sehen, wie das Ganze funkioniert.

In diesem Video sieht man, wie stark die Energie des Lichtes sein kann, und wie schnell sich die Lichtmühle dreht:

Hier kommt ihr zum Quiz zur Lichtmühle

Einleitung in das Thema Bündeln von Licht

Da wir im Experiment mit der Lichtmühle erfahren haben, dass Licht auch durch Glas strahlen kann und nicht durch andere Gegenstände wie zum Beispiel ein Buch, sind wir auf die Idee gekommen verschiede Glaskörper vor den Lichtstrahl zu stellen und dadurch das Licht zu bündeln, brechen und umzuleiten.

Bündeln von Licht

Material

-Ein Netzgerät

-Ein Lichtkasten

-Eine Glaslinse

-Zwei Kabel

Aufbau

Das Netzgerät wird an die Steckdose angeschlossen. Die Lampe und das Netzgerät werden mit zwei Kabeln verbunden, die jeweils an den zwölf Volt Steckern angeschlossen sind. Am vordesten Ende des Kastens, in dem sich die Lampe befindet ist ein Schlitz, in dem man eine Platte reinschieben kann. Man kann auch vor der Öffnung des Kastens eine Linse reinschieben.

Beobachtung

Bevor wir die Linse in den Kasten geschoben haben, ist das Licht nicht gerade verlaufen, sondern immer breiter geworden . Nachher jedoch hat die Linse das Licht gebündelt , sodass ein gerader Lichtstrahl entstanden ist .

                                    Vor dem Bündeln                                                     Nach dem Bündeln

Umleiten von Licht

Material

-Ein Netzgerät

-Zu beiden Seiten gekrümmte Glaslinse

-Glaslinse

-Zwei Kabel

-Lichtkasten

Aufbau

Man verbindet das Netzgerät und den Lichtkasten mit Kabeln .In dem Lichtkasten steckt eine Glaslinse , welche das Licht bündelt. Außerdem haben wir vor das Licht eine Platte mit einem Schlitz befestigt. Die zu beiden Seiten gekrümmte Glaslinse haben wir nicht senkrecht vor den Lichtstrahl gestellt, sondern etwas versetzt.

Beobachtung

Als der Lichtstrahl an die obere Hälfte der Linse getroffen ist, wurde der Lichtstrahl nach unten umgeleitet. Er ist also nicht gerade weiterverlaufen .

Schlussfolgerung

Nachdem wir die Experimente durchgeführt haben, haben wir uns die Experimente genauer angeguckt und wollten weiter mit Licht experimentieren. Dann sind wir auf die Idee gekommen Licht mit Spiegeln zu reflektieren.

Lichtbrechung

Lichtbrechungen sind alltäglich und doch faszinieren sie einen immer aufs neue. Doch was sind Lichtbrechungen überhaupt? Und wie funktionieren sie?

Bei einer Lichtbrechung wird ein Lichtstrahl in seine Spektralfarben zerteilt. Die sieben Farben sind: Violett, blau, indigo, grün, gelb, orange und rot. Mischt man alle diese Farben , erhält man das typische weiß des Lichts (Natürlich nicht , wenn man dafür Buntstifte oder Wasserfarben benutzt).

Um diesen Effekt künstlich zu erzielen, benutzt man meistens ein Prisma (Im Unterricht haben wir es mit einer Linse gemacht). In der Natur kommt die Lichtbrechung oft als Regenbogen vor. Beim Regenbogen bricht sich das Sonnenlicht in den einzelnen Wassertropfen.

Fazit: Licht bricht sich in Glas und Wasser.

Wie sind wir dazu gekommen?

Wir sind zu unseren Ergebnissen von den ersten Experimenten zur Reflexion gekommen, indem wir uns gefragt haben, wie wir das Licht umleiten können. Diese Experimente haben uns zu dem Reflexionsgestetz geführt. Wir beschreiben in den folgenden Einträgen unseren Versuch und die Schlüsse, die wir aus unseren Ergebnissen gezogen haben.

Experiment

Materialien

-Lichtbox

-Spiegel

-Spaltenplättchen

Durchführung

Die Lichtbox wird eingeschaltet und vor sie schieben wir ein Plättchen mit verschieden vielen Spalten. Dann wird ein Spiegel in senkrechter Position vor den Lichtsrahl gestellt. Jetzt kann man beobachten, wie sich die Lichtstrahlen durch die Spiegelung ableiten lassen.

Beobachtungen

Wenn ein oder mehrere auf der optischen Achse verlaufende Lichtstrahlen auf den senkrecht stehenden Spiegl fallen, werden sie alle auf derselben Ebene zurückgeworfen. Sobald die Lichtquelle (in diesem Fall die Lichtbox) nach links, bzw. rechts verschoben wird, verläuft der reflektierte Lichtstrahl, jeweils in die entgegengesetzte Richtung (der Spiegel steht immernoch senkrecht auf der optischen Achse).

Reflexionsgesetz

Der Reflexionswinkel eines Lichtstrahls ist immer genauso groß wie der Einfallswinkel. Der einfallende Lichtstrahl, das Einfallslot (in diesem Fall die optische Achse) und der reflektierte Lichtstrahl verlaufen auf derselben Ebene.

Um das Reflexionsgesetz besser zu verstehen, gibz es zur Veranschaulichung folgendes Video:

Reflexion im Alltag

Reflexionen kann man natürlich auch im Alltag wiederfinden. Zum Beispiel bei Spiegelbildern, Seifenblasen, Glasplatten (wie Fenster), auf der Wasseroberfläche, oder bei Speichenreflektoren am Fahrrad.

Im folgenden Video werden noch einige weitere Beispiele gezeigt:

Schlussfolgerung

Diese Ergebinisse zu Reflexionen verleiten uns zu weiteren Experimenten mit Lichtstrahlen.

Strahlengänge

Strahlengänge, sind die Strahlen, die von der Lampe durch den Brennpunkt und die Linse verlaufen.

Wie sind wir dazu gekommen?

Nachdem wir erfahren haben, dass es drei verschiedene Strahlengänge gibt, haben wir Experimente zu dem Brennpunkt durchgeführt. Wir haben uns nämlich die Frage gestellt, ob sich der Brennpunkt (f) verändert, wenn man die Linse/Lampe verschiebt.

Erklärung einzelner Strahlengänge

Parallelstrahl

Der Parallelstrahl verläuft vor der Linse parallel zur optischen Achse und nach der Linse durch den Brennpunkt.

Brennpunktstrahl

Der Brennpunktstrahl verläuft vor der Linse durch den Brennpunkt und nach der Linse parallel zur optischen Achse.

Mittelpunktstrahl

Der Mittelpunktstrahl verläuft mittig durch die Linse und verändert seine Bahn nicht.

Strahlenexperiment

Materialien

Lampe und eine ovalförmige Linse

Durchführung

Um den Brennpunkt (f) herrauszufinden, stellt man vor den Lichtstrahl eine ovale Linse. Danach verschiebt man die Linse nach rechts und links. Anschließend richtet man das Licht schräg auf die Linse, indem man die Lampe schräg zur Linse stellt. Als letztes verschiebt man die Lampe nach vorne, hinten, rechts und links.

Hier sind zwei Bilder:

http://wikis.zum.de/kas/Datei:Strahlengaenge1.JPG

http://wikis.zum.de/kas/Datei:Strahleng%C3%A4nge2.JPG

Ergebnis

Wenn die Brennweite zum Beispiel 4 Centimeter beträgt, bleibt sie gleich egal in welche Richtung man die Linse/Lampe verschiebt. Der Brennpunkt ist zwar auf einen anderen Punkt gewandert aber die Länge zwischen Linse und Brennpunkt ist gleich. Die Brennweite hängt von der Krümmung der Linse ab.

Als nächstes wollten wir mit diesen Strahlengängen Formeln herrausfinden, indem wir mit dem Java-Applet gearbeitet haben.

Bilderzeugung durch Sammellinsen

Was haben wir gemacht?

Wir haben mit dem Java-Applet auf der Seite http://www.walter-fendt.de/ph14d/bildsammellinse.htm mit den Werten gespielt.

Wir sollten erst einmal die Brennweite 10 cm und 15 cm mit der Bildweite, Bildgröße, Gegenstandsweite und Gegenstandsgröße von dem Computer berechnen lassen.

Materialien (Virtuell):

• Lichtquelle: Die Lichtquelle ist ein Pfeil von dessen Spitze drei zu betrachtene Lichtstrahlen ausgehen.
• Linse
• Mattscheibe: Zum aufangen eines Bildes
• Bild

Java-Applet

Hier ist noch ein Bild zum Java-Applet.

Brennweite

Dies sind einige Ergebnisse von dem Experiment mit dem Java-Applet.

(F)=10cm

Bildweite (b)	Bildgröße (B)
15cm ,20cm	10cm,25cm

Gegenstandsweite (g)	Gegenstandsgröße (G)
30cm,20cm	20cm,25cm

(f)=15cm

Bildweite (b)	Bildgröße (B)
30cm,60cm	10cm,75cm

Gegenstandsweite (g)	Gegenstandsgröße (G)
30cm,20cm	20cm,25cm

Spielen mit den Werten

Warum haben wir mit den Werten gespielt ?

Wir haben herausgefunden, wenn sich ein Wert verändert, dann verändern sich auch alle anderen Werte. Anhand der mathematischen Formel wollten wir herausfinden, wie sich die Werte proportional verändern.

Wir sollten uns einige Rechnungen überlegen; zum Beispiel:

$\frac B b$ und $\frac G g$

B × b G × g

Daraus kamen wir zu folgenden Ergebnissen:

$\frac B b$ = $\frac G g$

Die Bildgröße geteilt durch die Bildweite ergeben dasselbe wie die Gegenstandsgröße geteilt durch die Gegenstandsweite.

$\frac 1 b$ + $\frac 1 g$ = $\frac 1 F$

Die Bildweite und die Gegenstandswerite ergeben zusammen die Brennweite.

Dann werden die Werte aus dem Java-Applet überprüft.

Was haben wir gemacht?

Nachdem wir das Experiment [[1]] im Internet durchgeführt haben, sind wir zu folgenden Ergebnissen gekommen:

$\frac 1 b + \frac 1 g = \frac 1 f$

$\frac B b = \frac G g$

$\frac B G = \frac b g$

B = Bildgröße b = Bildweite G = Gegenstandsgröße g = Gegenstandsweite

Unsere Ergebnisse wollten wir dann in einem nachgebauten Experiment überprüfen.

Das Experiment

Aufbau

Das Experiment; 1. Schirm, 2. Linse, 3. Bild, 4. Lampe

• Lampe

• Bild (Pfeil)

• Linse (5 cm)

• Schirm

• Messschiene

• Netzteil

• Messband

Durchführung

Als erstes baut man alle nötigen Materialien auf. Danach stellt man die verschiedenen Werte ein, zum Beispiel so:

Brennweite: 10cm

Gegenstandsweite: 15cm

Gegenstandsgröße: 10cm

Bildweite: 30cm

Bildgröße: 20cm

Dann überprüft man die im Abschnitt "Was haben wir gemacht?" genannten Formeln.

Auswertung

Man hat dann folgende Rechnungen:

$\frac{1} {30} + \frac {1} {15} = \frac {1} {10}$ √ (richtig)

↳ $\frac 1 b + \frac 1 g = \frac 1 f$

$\frac{20} {30} = \frac{10} {15}$ √ (richtig)

↳ $\frac B b = \frac G g$

$\frac{20} {10} = \frac{30} {15}$ √ (richtig)

↳ $\frac B G = \frac b g$

Fazit: Die Formeln stimmen alle.

Quellenangaben

Bilder von Wiki Commons:

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gluehbirne_2_db.jpg

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stra%C3%9Fenlaterne.JPG

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Celestia_sun.jpg

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stort_b%C3%A5l_sankthans.jpg

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lichtmuehle_Lager_01.jpg

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Radiometer_9965_Nevit.gif

Videos von Youtube:

http://www.youtube.com/watch?v=CrRyamjZVj8

http://www.youtube.com/watch?v=qMYhoQws-sA&feature=player_embedded

http://www.youtube.com/watch?v=S-vhMlhGtfM

http://www.youtube.com/watch?v=UYyQke0GBTA

Literatur:

Fokus Physik Corneslen Gymnasium 7|8 Nordrhein-Westfalen