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Lochkamera
Grundwissen
- Das Bild bei einer Lochkamera steht auf dem Kopf und ist seitenverkehrt.
- Wenn man das Loch vergrößert, wird das Bild zwar heller, dafür aber unschärfer.
- Bildgröße \(B\) und Gegenstandsgröße \(G\) sowie Bildweite \(b\) und Gegenstandsweite \(g\) sind quotientengleich: \(\frac{B}{G}=\frac{b}{g}\).
Grundwissen
- Das Bild bei einer Lochkamera steht auf dem Kopf und ist seitenverkehrt.
- Wenn man das Loch vergrößert, wird das Bild zwar heller, dafür aber unschärfer.
- Bildgröße \(B\) und Gegenstandsgröße \(G\) sowie Bildweite \(b\) und Gegenstandsweite \(g\) sind quotientengleich: \(\frac{B}{G}=\frac{b}{g}\).
Lichtgeschwindigkeit
Grundwissen
- Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht nennt man Lichtgeschwindigkeit.
- Die Lichtgeschwindigkeit im luftleeren Raum (Vakuum) beträgt \(299.792.458\,\rm{\frac{m}{s}}\). Das sind etwa \(300.000\,\rm{\frac{km}{s}}\)
- In Formeln wird diese Lichtgeschwindigkeit häufig mit \(c\) bezeichnet.
Grundwissen
- Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht nennt man Lichtgeschwindigkeit.
- Die Lichtgeschwindigkeit im luftleeren Raum (Vakuum) beträgt \(299.792.458\,\rm{\frac{m}{s}}\). Das sind etwa \(300.000\,\rm{\frac{km}{s}}\)
- In Formeln wird diese Lichtgeschwindigkeit häufig mit \(c\) bezeichnet.
Bildentstehung bei Linsenabbildungen
Grundwissen
- Von Konvexlinsen erzeugte reelle Bilder (Voraussetzung \(g>f\)) sind höhen- und seitenverkehrt.
- Bilder entstehen dabei punktweise! Bilder wandern niemals als Ganzes.
Grundwissen
- Von Konvexlinsen erzeugte reelle Bilder (Voraussetzung \(g>f\)) sind höhen- und seitenverkehrt.
- Bilder entstehen dabei punktweise! Bilder wandern niemals als Ganzes.
Bildeigenschaften bei Abbildungen
Grundwissen
- Wenn \(g>f\) ist, entstehen bei Abbildung an Sammellinsen reelle, höhen- und seitenverkehrte Bilder.
- Ist \(g>2\cdot f\), so sind Bilder an Sammellinsen kleiner als der Gegenstand. Gilt \(2\cdot f>g>f\), so sind die Bilder größer als der Gegenstand.
- Wenn \(g<f\) ist, entstehen bei Abbildung an Sammellinsen virtuelle Bilder, die nicht auf dem Kopf stehen und größer als der Gegenstand sind.
- Bei Abbildung an Zerstreuungslinsen entstehen immer virtuelle Bilder, die kleiner als der Gegenstand sind und nicht auf dem Kopf stehen.
Grundwissen
- Wenn \(g>f\) ist, entstehen bei Abbildung an Sammellinsen reelle, höhen- und seitenverkehrte Bilder.
- Ist \(g>2\cdot f\), so sind Bilder an Sammellinsen kleiner als der Gegenstand. Gilt \(2\cdot f>g>f\), so sind die Bilder größer als der Gegenstand.
- Wenn \(g<f\) ist, entstehen bei Abbildung an Sammellinsen virtuelle Bilder, die nicht auf dem Kopf stehen und größer als der Gegenstand sind.
- Bei Abbildung an Zerstreuungslinsen entstehen immer virtuelle Bilder, die kleiner als der Gegenstand sind und nicht auf dem Kopf stehen.
Interferenz am Keil
Grundwissen
- Auch bei der Reflexion an keilförmigen Anordnungen tritt Interferenz auf.
- Mit einem Luftkeil kannst du die Dicke dünner Objekte, wie z.B. von einem Haar bestimmen.
Grundwissen
- Auch bei der Reflexion an keilförmigen Anordnungen tritt Interferenz auf.
- Mit einem Luftkeil kannst du die Dicke dünner Objekte, wie z.B. von einem Haar bestimmen.
Grundwissen
Grundwissen
Grundwissen
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Totalreflexion
Grundwissen
- Beim Übergang zwischen zwei Medien wird ein Teil des Lichtes reflektiert.
- Nur beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium kann Totalreflexion auftreten.
- Den Grenzwinkel der Totalreflexion \(\alpha_{\rm{Gr}}\) hängt von den beiden Materialien ab.
Grundwissen
- Beim Übergang zwischen zwei Medien wird ein Teil des Lichtes reflektiert.
- Nur beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium kann Totalreflexion auftreten.
- Den Grenzwinkel der Totalreflexion \(\alpha_{\rm{Gr}}\) hängt von den beiden Materialien ab.
Gesetz von MALUS
Grundwissen
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Polarisation von Licht - Einführung
Grundwissen
- Die Polarisation beschreibt die Schwingungsrichtung einer Transversalwelle.
- Lineare Polarisationsfilter können nur von Licht einer bestimmten Schwingungsrichtung passiert werden.
- Laserlicht und das Licht von Computerdisplays ist polarisiert.
Grundwissen
- Die Polarisation beschreibt die Schwingungsrichtung einer Transversalwelle.
- Lineare Polarisationsfilter können nur von Licht einer bestimmten Schwingungsrichtung passiert werden.
- Laserlicht und das Licht von Computerdisplays ist polarisiert.
Polarisation von Licht - Fortführung
Grundwissen
- Passiert unpolarisiertes Licht einen idealen linearen Polarisationsfilter, so halbiert sich seine Intensität.
- Sind zwei Polarisationsfilter mit ihren Polarisationsachsen senkrecht zueinander ausgerichtet, kann kein Licht die Anordnung passieren.
- Sind zwei Polarisationsfilter mit ihren Polarisationsachsen verdreht zueinander ausgerichtet, passiert ein Teil des Lichtes die Anordnung mit geänderter Polarisationsrichtung.
Grundwissen
- Passiert unpolarisiertes Licht einen idealen linearen Polarisationsfilter, so halbiert sich seine Intensität.
- Sind zwei Polarisationsfilter mit ihren Polarisationsachsen senkrecht zueinander ausgerichtet, kann kein Licht die Anordnung passieren.
- Sind zwei Polarisationsfilter mit ihren Polarisationsachsen verdreht zueinander ausgerichtet, passiert ein Teil des Lichtes die Anordnung mit geänderter Polarisationsrichtung.
BREWSTER-Winkel
Grundwissen
- Fällt unpolarisiertes Licht im Brewster-Winkel auf die Grenzfläche zweier Medien, so ist das reflektierte Licht senkrecht zur Einfallsebene polarisiert.
- Für den Brewster-Winkel gilt: \(\theta_{\rm B}=\tan^{-1}\left(\frac{n_2}{n_1}\right)\).
Grundwissen
- Fällt unpolarisiertes Licht im Brewster-Winkel auf die Grenzfläche zweier Medien, so ist das reflektierte Licht senkrecht zur Einfallsebene polarisiert.
- Für den Brewster-Winkel gilt: \(\theta_{\rm B}=\tan^{-1}\left(\frac{n_2}{n_1}\right)\).
Ionisierung durch Strahlung
Grundwissen
- \(\alpha\)-, \(\beta\)- und \(\gamma\)-Strahlung kann andere Teilchen ionisieren.
- Das Ionisationsvermögen gibt an, wie viele Teilchen auf einer bestimmten Wegstrecke durch die Strahlung ionisiert werden.
- Das Ionisationsvermögen von \(\alpha\)-Strahlung ist höher als das von \(\beta\)-Strahlung, das von \(\beta\)- höher als von \(\gamma\)-Strahlung.
- Durch Ionisationsprozesse schädigt \(\alpha\)-, \(\beta\)- und \(\gamma\)-Strahlung Gewebezellen.
Grundwissen
- \(\alpha\)-, \(\beta\)- und \(\gamma\)-Strahlung kann andere Teilchen ionisieren.
- Das Ionisationsvermögen gibt an, wie viele Teilchen auf einer bestimmten Wegstrecke durch die Strahlung ionisiert werden.
- Das Ionisationsvermögen von \(\alpha\)-Strahlung ist höher als das von \(\beta\)-Strahlung, das von \(\beta\)- höher als von \(\gamma\)-Strahlung.
- Durch Ionisationsprozesse schädigt \(\alpha\)-, \(\beta\)- und \(\gamma\)-Strahlung Gewebezellen.
Kopplungsparameter
Grundwissen
- Der Kopplungsparameter bestimmt, wie stark und wie wahrscheinlich eine Wechselwirkung ist.
- Für jede der vier fundamentalen Wechselwirkungen gibt es einen Kopplungsparameter \(\alpha\).
- Der Kopplungsparameter der starken Wechselwirkung \(\alpha_{\rm{S}}\) hängt vom Abstand der Elementarteilchen ab und liegt im Bereich von \(0{,}1\) bis \(0{,}5\).
- Der Kopplungsparameter der schwachen Wechselwirkung ist\({\alpha _{\rm{W}}} \approx \frac{1}{{30}}\) und der elektromagnetischen Wechselwirkung \({\alpha _{\rm{em}}} \approx \frac{1}{{137}}\).
Grundwissen
- Der Kopplungsparameter bestimmt, wie stark und wie wahrscheinlich eine Wechselwirkung ist.
- Für jede der vier fundamentalen Wechselwirkungen gibt es einen Kopplungsparameter \(\alpha\).
- Der Kopplungsparameter der starken Wechselwirkung \(\alpha_{\rm{S}}\) hängt vom Abstand der Elementarteilchen ab und liegt im Bereich von \(0{,}1\) bis \(0{,}5\).
- Der Kopplungsparameter der schwachen Wechselwirkung ist\({\alpha _{\rm{W}}} \approx \frac{1}{{30}}\) und der elektromagnetischen Wechselwirkung \({\alpha _{\rm{em}}} \approx \frac{1}{{137}}\).
Botenteilchen
Grundwissen
- Vermittler der starken Wechselwirkung sind 8 verschiedene Gluonen, die verschiedene Kombinationen an Farbladungen tragen.
- Vermittler der schwachen Wechselwirkung sind \(W^+\)-, \(W^-\)- und \(Z\)-Bosonen, die eine sehr kurze Lebensdauer und eine sehr geringe Reichweite von ca. \(2\cdot 10^{-18}\,\rm{m}\) haben.
- Photonen sind die Botenteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, besitzen keinerlei Ladung und haben daher eine unendliche Reichweite.
Grundwissen
- Vermittler der starken Wechselwirkung sind 8 verschiedene Gluonen, die verschiedene Kombinationen an Farbladungen tragen.
- Vermittler der schwachen Wechselwirkung sind \(W^+\)-, \(W^-\)- und \(Z\)-Bosonen, die eine sehr kurze Lebensdauer und eine sehr geringe Reichweite von ca. \(2\cdot 10^{-18}\,\rm{m}\) haben.
- Photonen sind die Botenteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, besitzen keinerlei Ladung und haben daher eine unendliche Reichweite.
Ladungen
Grundwissen
- Ladungen sind fundamentale und unveränderliche Eigenschaften eines Teilchens, sie können nur bestimmte Werte annehmen (sind gequantelt), bleiben erhalten und bestimmen, ob ein Teilchen einer bestimmten Wechselwirkung unterliegt.
- Es gibt sechs verschiedene Farbladungen: rot, grün, blau, anti-rot, anti-grün und anti-blau und die Einordnung der Elementarteilchen geschieht in einem zweidimensionalen Farbgitter.
- Die schwache Ladung hat das Formelzeichen \(I\) und kann ganzzahlige Vielfache von \(\frac{1}{2}\) als Werte annehmen und in Vielteilchensystemen addieren sich die Ladungen der Elementarteilchen zahlenmäßig..
- Die Größe "elektrische Ladung" hat ganzzahlige Vielfache von \(\frac{1}{3}\) als Werte und in Vielteilchensystemen addieren sich die Ladungen der Elementarteilchen zahlenmäßig.
Grundwissen
- Ladungen sind fundamentale und unveränderliche Eigenschaften eines Teilchens, sie können nur bestimmte Werte annehmen (sind gequantelt), bleiben erhalten und bestimmen, ob ein Teilchen einer bestimmten Wechselwirkung unterliegt.
- Es gibt sechs verschiedene Farbladungen: rot, grün, blau, anti-rot, anti-grün und anti-blau und die Einordnung der Elementarteilchen geschieht in einem zweidimensionalen Farbgitter.
- Die schwache Ladung hat das Formelzeichen \(I\) und kann ganzzahlige Vielfache von \(\frac{1}{2}\) als Werte annehmen und in Vielteilchensystemen addieren sich die Ladungen der Elementarteilchen zahlenmäßig..
- Die Größe "elektrische Ladung" hat ganzzahlige Vielfache von \(\frac{1}{3}\) als Werte und in Vielteilchensystemen addieren sich die Ladungen der Elementarteilchen zahlenmäßig.
Doppelspalt
Grundwissen
- Das Schirmbild hinter einem Doppelspalt zeigt Beugungs- und Interferenzerscheinungen.
- Die Lage der Maxima und Minima wird u.a. vom Spaltabstand \(d\) und der Wellenlänge \(\lambda\) beeinflusst.
- Es gibt Bedingungen für konstruktive und destruktive Interferenz.
Grundwissen
- Das Schirmbild hinter einem Doppelspalt zeigt Beugungs- und Interferenzerscheinungen.
- Die Lage der Maxima und Minima wird u.a. vom Spaltabstand \(d\) und der Wellenlänge \(\lambda\) beeinflusst.
- Es gibt Bedingungen für konstruktive und destruktive Interferenz.
Gittertypen
Grundwissen
- Man unterscheidet zwischen Transmissions- und Reflexionsgittern.
- Bei Transmissionsgittern passiert das Licht ein Gitter und wird gebeugt.
- Bei Reflexionsgittern entstehen Beugungseffekte durch Reflexion an einer präpariertem, spiegelnden Schicht.
Grundwissen
- Man unterscheidet zwischen Transmissions- und Reflexionsgittern.
- Bei Transmissionsgittern passiert das Licht ein Gitter und wird gebeugt.
- Bei Reflexionsgittern entstehen Beugungseffekte durch Reflexion an einer präpariertem, spiegelnden Schicht.
Wechselwirkungen
Grundwissen
- Die starke Wechselwirkung wird von der sog. Farbladung bestimmt und Botenteilchen der starken Wechselwirkung sind die Gluonen.
- Der schwachen Wechselwirkung unterliegen nur Teilchen mit schwacher Ladung. Botenteilchen sind die W- und Z-Bosonen.
- Der elektromagnetischen Wechselwirkung unterliegen nur geladene Teilchen. Botenteilchen ist das Photon.
Grundwissen
- Die starke Wechselwirkung wird von der sog. Farbladung bestimmt und Botenteilchen der starken Wechselwirkung sind die Gluonen.
- Der schwachen Wechselwirkung unterliegen nur Teilchen mit schwacher Ladung. Botenteilchen sind die W- und Z-Bosonen.
- Der elektromagnetischen Wechselwirkung unterliegen nur geladene Teilchen. Botenteilchen ist das Photon.
Stromrichtige und Spannungsrichtige Messung
Grundwissen
- Messgeräte können die genaue Messung von Größen beeinflussen.
- Je nachdem, ob die die Stromstärke \(I\) oder die Spannung \(U\) besonders genau messen möchtest, musst du deine Messgeräte schalten.
Grundwissen
- Messgeräte können die genaue Messung von Größen beeinflussen.
- Je nachdem, ob die die Stromstärke \(I\) oder die Spannung \(U\) besonders genau messen möchtest, musst du deine Messgeräte schalten.
p-n-Übergang - Halbleiterdiode
Grundwissen
Joachim Herz Stiftung
- Halbleiterdioden bestehen aus zwei Schichten: einem p-Halbleiter und einem n-Halbleiter
- Dioden besitzen eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung
- Liegt der Pluspol an der p-Schicht, so ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet
Grundwissen
Joachim Herz Stiftung
- Halbleiterdioden bestehen aus zwei Schichten: einem p-Halbleiter und einem n-Halbleiter
- Dioden besitzen eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung
- Liegt der Pluspol an der p-Schicht, so ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet
Starke Wechselwirkung
Grundwissen
- Der starken Wechselwirkung unterliegen nur Teilchen, die eine Farbladung besitzen, also auf Quarks. Es gibt 6 verschiedene Farbladungen: rot, grün, blau, anti-rot, anti-grün und anti-blau.
- Die Botenteilchen der starken Wechselwirkung sind die acht Gluonen. Diese tragen selbst unterschiedliche Farbladungen.
- Es gibt keine freien Quarks, sie finden sich immer in Zweier- oder Dreiergruppen.
Grundwissen
- Der starken Wechselwirkung unterliegen nur Teilchen, die eine Farbladung besitzen, also auf Quarks. Es gibt 6 verschiedene Farbladungen: rot, grün, blau, anti-rot, anti-grün und anti-blau.
- Die Botenteilchen der starken Wechselwirkung sind die acht Gluonen. Diese tragen selbst unterschiedliche Farbladungen.
- Es gibt keine freien Quarks, sie finden sich immer in Zweier- oder Dreiergruppen.
Schwache Wechselwirkung
Grundwissen
- Nur Teilchen mit einer von Null verschiedenen schwachen Ladung unterliegen der schwachen Wechselwirkung.
- Die schwache Wechselwirkung wird durch Absorption und Emission von \(W^+\)-, \(W^-\), und \(Z\)-Bosonen vermittelt.
- Alle Materieteilchen besitzen eine schwache Ladung von \(I=+\frac{1}{2}\) oder \(I=-\frac{1}{2}\). In ihrer Darstellung ist das Vorzeichen oft über die Ausrichtung der Spitze bzw. Rundung codiert.
- Von den Botenteilchen haben nur die \(W\)-Bosonen eine schwache Ladung von \(I=\pm 1\).
Grundwissen
- Nur Teilchen mit einer von Null verschiedenen schwachen Ladung unterliegen der schwachen Wechselwirkung.
- Die schwache Wechselwirkung wird durch Absorption und Emission von \(W^+\)-, \(W^-\), und \(Z\)-Bosonen vermittelt.
- Alle Materieteilchen besitzen eine schwache Ladung von \(I=+\frac{1}{2}\) oder \(I=-\frac{1}{2}\). In ihrer Darstellung ist das Vorzeichen oft über die Ausrichtung der Spitze bzw. Rundung codiert.
- Von den Botenteilchen haben nur die \(W\)-Bosonen eine schwache Ladung von \(I=\pm 1\).
Elektromagnetische Wechselwirkung
Grundwissen
- Nur elektrische geladene Teilchen unterliegen der elektromagnetischen Wechselwirkung, die durch Absorption und Emission von Photonen vermittelt wird.
- Die elektrische Ladung eines Elementarteilchens kann als Wert nur ganzzahlige Vielfache von \(\frac{1}{3}\) annehmen.
- Die elektromagnetische Wechselwirkung hat eine unendlich große Reichweite, aber ihre Kraft nimmt quadratisch mit dem Abstand der elektrisch geladenen Teilchen ab.
Grundwissen
- Nur elektrische geladene Teilchen unterliegen der elektromagnetischen Wechselwirkung, die durch Absorption und Emission von Photonen vermittelt wird.
- Die elektrische Ladung eines Elementarteilchens kann als Wert nur ganzzahlige Vielfache von \(\frac{1}{3}\) annehmen.
- Die elektromagnetische Wechselwirkung hat eine unendlich große Reichweite, aber ihre Kraft nimmt quadratisch mit dem Abstand der elektrisch geladenen Teilchen ab.
Das menschliche Auge - Aufbau und scharfes Sehen
Grundwissen
- Das menschliche Auge besteht u.a. aus einer (Sammel-)Linse und der Netzhaut, auf die das Bild der Umwelt abgebildet wird.
- Um einen Gegenstand scharf zu sehen, muss der Gegenstand scharf auf der Netzhaut abgebildet werden.
- Die Brennweite der Augenlinse verändert sich wenn du nahe bzw. weit entfernte Gegenstände anschaust.
Grundwissen
- Das menschliche Auge besteht u.a. aus einer (Sammel-)Linse und der Netzhaut, auf die das Bild der Umwelt abgebildet wird.
- Um einen Gegenstand scharf zu sehen, muss der Gegenstand scharf auf der Netzhaut abgebildet werden.
- Die Brennweite der Augenlinse verändert sich wenn du nahe bzw. weit entfernte Gegenstände anschaust.
BRAGG-Reflexion
Grundwissen
- Elektromagnetische Wellen mit kleinen Wellenlängen wie z.B. RÖNTGEN-Strahlung untersucht man mit Hilfe von Kristallen, die eine regelmäßige Gitterstruktur besitzen
- Eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Wellenlänge wird von einem solchen Kristall nur dann reflektiert, wenn sie unter ganz bestimmten Winkeln (Glanzwinkeln) auf den Kristall trifft
- Zwischen der Wellenlänge \(\lambda\), dem Netzebenenabstand \(d\) des Kristallgitters, den Weiten \(\theta_k \) der Glanzwinkel und der entsprechenden Ordnung \(k\) des Glanzwinkels besteht die sogenannte BRAGG-Gleichung oder BRAGG-Bedingung \(k \cdot \lambda = 2 \cdot d \cdot \sin \left( \theta_k \right)\;;\;k \in \left\{ {1\,;\,2\,;\,3\,;\,...} \right\}\)
Grundwissen
- Elektromagnetische Wellen mit kleinen Wellenlängen wie z.B. RÖNTGEN-Strahlung untersucht man mit Hilfe von Kristallen, die eine regelmäßige Gitterstruktur besitzen
- Eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Wellenlänge wird von einem solchen Kristall nur dann reflektiert, wenn sie unter ganz bestimmten Winkeln (Glanzwinkeln) auf den Kristall trifft
- Zwischen der Wellenlänge \(\lambda\), dem Netzebenenabstand \(d\) des Kristallgitters, den Weiten \(\theta_k \) der Glanzwinkel und der entsprechenden Ordnung \(k\) des Glanzwinkels besteht die sogenannte BRAGG-Gleichung oder BRAGG-Bedingung \(k \cdot \lambda = 2 \cdot d \cdot \sin \left( \theta_k \right)\;;\;k \in \left\{ {1\,;\,2\,;\,3\,;\,...} \right\}\)
Leuchtdioden (LED) - Einführung
Grundwissen
- Leuchtdioden sind Halbleiterdioden, die Licht , Infrarotstrahlung oder Ultraviolettstrahlung aussenden.
- LEDs müssen in Durchlassrichtung geschaltet werden, damit sie leuchten.
- LEDs sind effiziente Lichtquellen mit geringem Energiebedarf.
Grundwissen
- Leuchtdioden sind Halbleiterdioden, die Licht , Infrarotstrahlung oder Ultraviolettstrahlung aussenden.
- LEDs müssen in Durchlassrichtung geschaltet werden, damit sie leuchten.
- LEDs sind effiziente Lichtquellen mit geringem Energiebedarf.
Silizium-Solarzellen
Grundwissen
- Klassische Silizium-Solarzellen bestehen aus einer n-dotierten und einer p-dotierten Schicht. Am Übergang bildet sich eine sog. Raumladungszone.
- Einfallendes Licht löst in dieser Raumladungszone Elektronen von Atomen (innerer Fotoeffekt).
- Der Wirkungsgrad von Solarzellen liegt aktuell bei 13% - 48%.
Grundwissen
- Klassische Silizium-Solarzellen bestehen aus einer n-dotierten und einer p-dotierten Schicht. Am Übergang bildet sich eine sog. Raumladungszone.
- Einfallendes Licht löst in dieser Raumladungszone Elektronen von Atomen (innerer Fotoeffekt).
- Der Wirkungsgrad von Solarzellen liegt aktuell bei 13% - 48%.