Physik für Naturwissenschaften
Dr. Andreas Reichert
Termine
� Klausur: 5. Februar?, 12 - 14 Uhr, Raum wird noch bekannt gegeben
� Sprechstunde:
Montags ab 13:30-14:30 UhrRaum MC 244, Campus [email protected]
� Online-Infoshttp://moodle2.uni-due.de/Physik > Service > Physik für NaturwissenschaftenKennwort: PFN2012
Physik?
� Experiment
� Beobachtung
� Gesetzmäßigkeit (Formel/Gesetz – Modell – beschreibt die beobachteten Fälle)
� Voraussagen
Sehen
Sehen ist nur möglich, wenn Licht von einem
Gegenstand (Sender) direkt in unsere Augen fällt
(Empfänger)
� Aktive Sender erzeugen Licht
� Passive Sender reflektieren Licht
� Das Auge ist ein (passiver) Lichtempfänger
Warum sieht man Dinge?
� Man sieht auch Dinge, die nicht selbst „leuchten“
� Licht wird von diesen Dingen in charakteristischer Weise reflektiert
� Wir sehen Dinge, wenn Licht von ihnen direkt in unser Auge reflektiert wird
� Das Aussehen von Dingen hängt davon ab, welche Farbe des Lichts reflektiert oder absorbiert wird
� Energie
� Elektromagnetische Welle/Lichtteilchen (Photon)
� Zerlegung von weißem Licht in Spektralfarben
Was ist Licht?
Lichtentstehung
� Zerlegung von weißem Licht in Spektralfarben
Was ist Licht?
Lichtentstehung
Freuqenzf
windigkeitLichtgeschc
eWellenläng
:
:
:λf
c=λ
Was ist Licht?
Lichtentstehung
Zeitt
AmplitudeA
:
:
f
c=λ
t
Freuqenzf
windigkeitLichtgeschc
eWellenläng
:
:
:λ
Anregung
� durch Wärmezufuhr
� mechanisch
� durch Licht
� durch elektrische Energie
Lichtentstehung
� Energiepaket – Photo (Lichtquant) νhE =
Lichtes des Frequenz
quantumn Wirkungsplancksche
==
νh
Kontinuierliches SpektrumEin Ion fängt ein Elektron beliebiger Energie ein.Diese Energie wird als Lichtwelle frei
freies Elektron
Ion
Resultat ist ein kontinuierliches Spektrum (weißes Licht)
Lichtentstehung
Wie entsteht Licht
Schwarzer Strahler
Lichtentstehung
Die Farben rechts zeigen nur die Tendenz
Farben
� Hellere und dunklere Körper
Lichtausbreitung
Farben
� Farbige Körper
Lichtausbreitung
Farbe
Körperfarben
cyan, magenta, yellow
Lichtfarben
Rot, grün, blau
Lichtausbreitung
Lichtausbreitung in Medien
� Atome werden durch die elektromagnetische Welle des Lichtes zum Schwingen angeregt
� Schwingende Atome senden wieder eine elektromagnetische Welle aus (in alle Richtungen, jeweils etwas verzögert – daraus resultiert die Lichtgeschwindigkeit in Medien)
� Interferenz der Wellen lässt in homogenem Medium nur die sich gradlinig ausbreitende Welle übrig
Lichtausbreitung
Lichtausbreitung in Medien
� Atome werden durch die elektromagnetische Welle des Lichtes zum Schwingen angeregt
� Schwingende Atome senden wieder eine elektromagnetische Welle aus (in alle Richtungen, jeweils etwas verzögert – daraus resultiert die Lichtgeschwindigkeit in Medien)
� Interferenz der Wellen lässt in homogenem Medium nur die sich gradlinig ausbreitende Welle übrig
Lichtausbreitung
destruktive Interferenz
Lichtausbreitung
konstruktive Interferenz
Lichtgeschwindigkeit
� erste Messung der Lichtgeschwindigkeit
Lichtausbreitung
Lichtgeschwindigkeit
� Erste terrestrische Messung der Lichtgeschwindigkeit1849 durch die Zahnradmethode nach Armand Fizeau (1819-1896)
Lichtausbreitung
Lichtgeschwindigkeit
� Foucault veröffentlichte eine Version des Versuchs zur Messung der Lichtgeschwindigkeit . Er verwendete einen drehenden Spiegel.
� c = 298 000 km/s
Lichtausbreitung
Abbildungen
Sie werden heute erfahren
� Was Physiker unter einem „Bild“ verstehen
� Wie scharfe Abbildungen erzeugt werden können
� Wie optische Linsen „Bilder machen“
� Dass auch unsere Augen mit Linsen funktionieren
� Weshalb Linsen Licht brechen und bündeln können
� Wie man Sehfehler mit Brillen korrigiert
� Dass es auch „scheinbare“ Bilder gibt
� Beispiele für Geräte mit Linsen
Bild
Was sind eigentlich Bilder
im physikalischen Sinne?
Entstehung von Bildern
Die Camera Obscura als Hilfsmittel der Malerei
Bild
Die Entstehung von Bildern
� In einem idealen Abbild sollte jedem Punkt des abzubildenden Gegenstands genau ein Bildpunkt zugeordnet sein
� Die relative Lage der Bildpunkte sollte so sein, wie wir sie mit unserem Auge wahrnehmen würden
� Optische Geräte müssen dem entsprechend das Licht „sortieren“
Bild
Bilder an einer „Lochkamera“
„Sortieren“ von Licht durch das Loch einer Lochkamera
Je größer das Loch ist, um so heller, aber auch um so unschärfer wird das Bild.
Bild
Das Lochkameraprinzip in der Natur
Das Blasenauge des Nautilus
Bild
Wie entstehen „gute“ Bilder?
Eine einfache Linsenkamera
Versuch: Vor das größte Loch der Lochkamera wird eine Linse aus Glas gehalten.
Ergebnis: Das Bild ist hell aber trotzdem scharf
Linse
Bild
Das Auge - eine „Linsenkamera“ der Natur
Verbesserung des Sehens durch Linsenaugen
Vorteile von Linsenaugen:
� Helligkeit des Bildes durch eine große Augenöffnung
� Gleichzeitig Schärfe des Bildes durch eine Linse
� Schutz des Augeninneren in einem geschlossenen System
Bild
Das menschliche Auge
Glaskörper
Pupille Sehnerv
Bild
Abbildungen mit Linsen
Verschiedene Linsen
� Sammellinsen können Lichtbündel in einem Punkt zusammenführen.
� Zerstreuungslinsen lassen Lichtbündelauseinander laufen. Licht scheint von einem Punkt auszugehen
Bild
Brennweite und Brennpunkt� Im Brennpunkt F einer Sammellinse wird das parallele
Licht einer sehr weit entfernten Lichtquelle (z.B. der Sonne) zusammengeführt.
� Die Brennweite f misst die Entfernung des Brennpunkts von der Linsenmitte
� Die Brennweite ist die wichtigste Größe, die die Abbildungseigenschaften einer Linse charakterisiert.
Licht von der Sonne
Brennweite f
FF
Brennweite f
Brennebene
Bild
Brennweite und Brennpunkt
� Auch Zerstreuungslinsen besitzen „Brennpunkte“, obwohl in ihnen kein Licht gebündelt wird
� Paralleles Licht wird so gebrochen, dass es von einem Punkt, dem Brennpunkt auszugehen scheint
� Die Brennweite von Zerstreuungslinsen wird als negativer Wert angegeben.
Bild
Abbildung mit einer Sammellinse
Gesamtheit der Bildpunkte
Linse
Alles Licht, das von einem Punkt durch die Sammellinse geht, wird wieder in einem Bildpunkt gebündelt.
Bild
Wo liegen die Bildpunkte?
Kann man den Ort des Bildes vorhersagen oder hilft nur ausprobieren?
Zum Glück weiß man in drei Fällen, wie sich Licht verhält, das aus bestimmten Richtungen kommt:
� Parallel einfallendes Licht läuft hinter der Linse durch den Brennpunkt (Definition des Brennpunkts)
� Licht, das durch den Brennpunkt vor der Linse einfällt, verläuft hinter der Linse parallel (Umkehrbarkeit des Lichtwegs)
� Licht, das genau durch die Mitte der Linse läuft, behält seine Richtung bei
Bild
Abbildungen mit Linsen
� Weit entfernte Objekte werden in der Nähe der Brennebene verkleinert abgebildet. Das Bild steht auf dem Kopf.
� Objekte in der Nähe der Brennebene werden vergrößert abgebildet.
F
F
Parallelstrahl
Brennstrahl
Mittelpunktsstrahl
Bild
Abbildungen mit Linsen
� Weit entfernte Objekte werden in der Nähe der Brennebene verkleinert abgebildet.
� Objekte in der Nähe der Brennebene werden vergrößert abgebildet.
F
F
Im Prinzip reichen auch schon zwei der besonderen Strahlen
Bild
Linsengleichungen
Bild
Optische MessgrößenZur Berechnung der Bildgröße
Beschreibung der optischen Eigenschaften einer Linse durch die
Dioptrien-Zahl
Bild
Warum bündeln Linsen Licht?
Brechung an Grenzflächen zweier durchsichtiger Stoffe
Das Fermatsche PrinzipDer Weg des Lichts zwischen zwei Punkten ist so, dass die Laufzeitminimal ist.
In Wasser ist Licht langsamer als in Luft
MinimaleStrecke
MinimaleZeit
Bild
Das Fermatsche Prinzip
Beispiel Strand: der Startpunkt liegt auf einem Parkplatz – der Endpunkt am Wasser. Dazwischen liegt die Hälfte des Weges Parkplatz und die andere Hälfte weicher Sandstrand. Wenn man das Gehen möglichst leicht hinter sich bringen will, ist es sinnig, den Weg auf dem Sand zu verringern.
MinimaleStrecke
MinimaleZeit
Bild
Brechungsindizes
Der Brechungsindex n ist ein Maß dafür, wie stark Licht an der Grenzfläche zwischen Vakuum und einem durchsichtigen Mediums gebrochen wird.n = c/c
mLichtgeschw. c im Vakuum, c
m- im Medium
Luft 1,00027 Diamant 2,417Wasser 1,333 Steinsalz 1,544Benzol 1,501 Kronglas 1,510Schwefel- 1,628 Flintglas 1,613kohlenstoff
In Benzol ist ein Glasstab aus Kronglas fast nicht sichtbar!
n2/n1 = c1/c2 beim Übergang zwischen Medium 1 und 2
Bild
Brechung von Licht
� Beim Übergang zwischen zwei verschiedenen durchsichtigen Medien (z.B. Luft-Glas) ändert Licht seine Richtung, es wird „gebrochen“. Die Brechung ist um so stärker, je größer der Winkel Alpha ist.
Bild
Brechung von Licht
� Ist n1
< n2
, so wird Licht zum Einfallslot hin, bei n1
> n2
vom Einfallslot weg gebrochen.
Bild
Beispiel n1< n2
(Luft und Wasser)
Brechung von Licht
� Ist n1
< n2
, so wird Licht zum Einfallslot hin, bei n1
> n2
vom Einfallslot weg gebrochen.
� Sonderfall Totalreflexion für n1
> n2
und große Einfallswinkel
Bild
Brechung von Licht
� Beim Übergang zwischen zwei verschiedenen durchsichtigen Medien (z.B. Luft-Glas) ändert Licht seine Richtung, es wird „gebrochen“. Die Brechung ist um so stärker, je größer der Winkel Alpha ist.
� Ist n1
< n2
, so wird Licht zum Einfallslot hin, bei n1
> n2
vom Einfallslot weg gebrochen.
� Sonderfall Totalreflexion für n1
> n2
und große Einfallswinkel
Bild
Lichtbrechung an einer Linse
Bild
Reelle Bilder und virtuelle Bilder
Bild
Reelle und virtuelle Bilder
� Reelle (wirkliche) Bilder entstehen im Raum. Sie lassen sich durch einen Bildschirm auffangen.Beispiele:Auge, Kamera, Projektor
� Virtuelle (scheinbare) Bilder sind nicht wirklich vorhanden. Sie entstehen durch die Art unserer Wahrnehmung und lassen sich nicht auf einem Bildschirm auffangen.Beispiele:Spiegelbilder an ebenen Spiegeln, Bilder in einer Lupe
Bild
Virtuelle SpiegelbilderDas Bild scheint hinter dem Spiegel zu liegen
Bild
Reflektion und FermatschesPrinzip
Der kürzeste Weg besteht, wenn der Einfallswinkel des Lichts gleich dem Ausfalls-winkel ist.
Bild
Bildentstehung am Spiegel
Das Bild scheint hinter dem Spiegel zu liegen.
Bild
Virtuelles Bild mit einer Lupe
Vergrößerungdes Sehwinkels
Bild
Optische Geräte mit Linsen
Die Fotokamera (Spiegelreflex)
SucherPrisma
Film
Spiegel
Blende
Bild
Das Fernrohr
Das verkleinerte Zwischenbild erscheint als stark vergrößert in großer Entfernung.
Bild
Das Mikroskop
� Ein Mikroskop erzeugt ein stark vergrößertes Zwischenbild
� Das Zwischenbild wird mit dem Okular (als Lupe) betrachtet
Leeuwenhoek gilt als
der Erfinder des Mikroskops
Zwischenbild
Okular
Bild
Das Mikroskop
� Ein Mikroskop erzeugt ein stark vergrößertes Zwischenbild
� Das Zwischenbild wird mit dem Okular (als Lupe) betrachtet
Bild
Was bedeutet das jetzt für das Sehen?
Sehen
Abbildung auf der NetzhautDer Abstand der Netzhaut von der Augenlinse entspricht der Brennweite der Linse. Problem: Unterschiedliche Gegenstands-Weiten
Sehen
Veränderung der Augenbrennweite
Sehen
FehlsichtigkeitBeim kurzsichtigen Auge istder Augapfel verlängert
Beim weitsichtigen Auge istder Augapfel verkürzt.Bei Altersweitsicht kann die Augenlinse nicht mehr genug akkomodieren.
Sehen
Korrektur der Fehlsichtigkeit� Halbkugeln aus Glas, Bergkristall
oder Halbedelsteinen wurden nach dem Jahr 1000 n. Chr. in arabischen Ländern genutzt.
� Etwa um 1200 n. Chr. kam das Wissen darüber in europäische Klöster.
� Die Halbkugeln wurden flacher und leichter geschliffen, es entstanden Linsen, die man vor das Auge halten konnte.
� Ein häufig genutztes Mineral für Linsen war Beryll oder Brill, bei zwei Linsen sprach man von Berylle oder „Brille“.
Sehen
Korrektur durch BrillenWeitsichtigkeit:Verschiebung derBildebene nachvorne
Kurzsichtigkeit:Verschiebung derBildebene nachhinten
Sehen