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Optische Geräte

Grundwissen

  • Wichtige optische Geräte sind Lupe, Fernrohr, Mikroskop und Fotoapparat.
  • Beim Fernrohr wird zwischen Kepler- und Galilei-Fernrohr unterschieden.
  • Häufig ist die Vergrößerung \(V\) eines optischen Gerätes von besonderem Interesse.

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  • Wichtige optische Geräte sind Lupe, Fernrohr, Mikroskop und Fotoapparat.
  • Beim Fernrohr wird zwischen Kepler- und Galilei-Fernrohr unterschieden.
  • Häufig ist die Vergrößerung \(V\) eines optischen Gerätes von besonderem Interesse.

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Ultraviolett

Grundwissen

  • Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(380\,{\rm nm}\) und \(1\,{\rm nm}\)
  • Größenordnung der Frequenz: von \(789\,{\rm THz}\) bis \(300\,{\rm PHz}\)
  • Anwendungen: Schwarzlichtlampen, Geldscheinprüfung, Härtung von Klebstoffen

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  • Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(380\,{\rm nm}\) und \(1\,{\rm nm}\)
  • Größenordnung der Frequenz: von \(789\,{\rm THz}\) bis \(300\,{\rm PHz}\)
  • Anwendungen: Schwarzlichtlampen, Geldscheinprüfung, Härtung von Klebstoffen

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Röntgenstrahlung

Grundwissen

  • Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(1\,{\rm nm}\) und \(10\,{\rm pm}\)
  • Größenordnung der Frequenz: von \(3\cdot 10^{17}\,{\rm Hz}\) bis \(3\cdot 10^{19}\,{\rm Hz}\)
  • Anwendungen: Röntgengeräte, Computertomographen

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  • Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(1\,{\rm nm}\) und \(10\,{\rm pm}\)
  • Größenordnung der Frequenz: von \(3\cdot 10^{17}\,{\rm Hz}\) bis \(3\cdot 10^{19}\,{\rm Hz}\)
  • Anwendungen: Röntgengeräte, Computertomographen

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Gammastrahlung

Grundwissen

  • Größenordnung der Wellenlänge: kleiner als \(10\,{\rm pm}\)
  • Größenordnung der Frequenz: größer als \(3\cdot 10^{19}\,{\rm Hz}\)
  • Auftreten: radioaktiver Zerfall, Umwandlungsreaktionen von Elementarteilchen

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  • Größenordnung der Wellenlänge: kleiner als \(10\,{\rm pm}\)
  • Größenordnung der Frequenz: größer als \(3\cdot 10^{19}\,{\rm Hz}\)
  • Auftreten: radioaktiver Zerfall, Umwandlungsreaktionen von Elementarteilchen

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Elektromagnetisches Spektrum

Grundwissen

  • Das elektromagnetische Spektrum erstreckt sich über viele Größenordnungen hinweg.
  • Das sichtbare Licht ist nur ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums.

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  • Das elektromagnetische Spektrum erstreckt sich über viele Größenordnungen hinweg.
  • Das sichtbare Licht ist nur ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums.

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Sichtbares Licht

Grundwissen

  • Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(780\,{\rm nm}\) und \(380\,{\rm nm}\)
  • Größenordnung der Frequenz: von \(384\,{\rm THz}\) bis \(789\,{\rm THz}\)

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  • Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(780\,{\rm nm}\) und \(380\,{\rm nm}\)
  • Größenordnung der Frequenz: von \(384\,{\rm THz}\) bis \(789\,{\rm THz}\)

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Infrarot

Grundwissen

  • Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(1\,{\rm mm}\) und \(780\,{\rm nm}\)
  • Größenordnung der Frequenz: von \(300\,{\rm GHz}\) bis \(385\,{\rm THz}\)
  • Anwendungen: Fernbedienungen, Temperaturmessung, Vegetationsbestimmung

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  • Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(1\,{\rm mm}\) und \(780\,{\rm nm}\)
  • Größenordnung der Frequenz: von \(300\,{\rm GHz}\) bis \(385\,{\rm THz}\)
  • Anwendungen: Fernbedienungen, Temperaturmessung, Vegetationsbestimmung

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Mikrowellen

Grundwissen

  • Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(1\,{\rm m}\) und \(1\,{\rm mm}\)
  • Größenordnung der Frequenz: von \(300\,{\rm MHz}\) bis \(300\,{\rm GHz}\)
  • Anwendungen: Fund, Mikrowellenherd, Radar

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  • Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(1\,{\rm m}\) und \(1\,{\rm mm}\)
  • Größenordnung der Frequenz: von \(300\,{\rm MHz}\) bis \(300\,{\rm GHz}\)
  • Anwendungen: Fund, Mikrowellenherd, Radar

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Strahlensatz

Grundwissen

 

Joachim Herz Stiftung

Bei einem von einer Punktlichtquelle ausgehendem, divergenten Lichtbündel sind die Entfernung g von der Quelle und die Breite B des Lichtbündels direkt proportional zueinander.\[\frac{B_1}{g_1}=\frac{B_2}{g_2}\qquad \rm{bzw.} \qquad \frac{B}{g}=\rm{const.}\]

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Joachim Herz Stiftung

Bei einem von einer Punktlichtquelle ausgehendem, divergenten Lichtbündel sind die Entfernung g von der Quelle und die Breite B des Lichtbündels direkt proportional zueinander.\[\frac{B_1}{g_1}=\frac{B_2}{g_2}\qquad \rm{bzw.} \qquad \frac{B}{g}=\rm{const.}\]

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Gangunterschied bei zwei Quellen

Grundwissen

  • Zur Berechnung des Gangunterschiedes muss zwischen verschiedenen Fällen unterschieden werden.
  • Bei Reflexion am optisch dichteren Medium muss der Phasensprung berücksichtigt werden.

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  • Zur Berechnung des Gangunterschiedes muss zwischen verschiedenen Fällen unterschieden werden.
  • Bei Reflexion am optisch dichteren Medium muss der Phasensprung berücksichtigt werden.

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HERTZsche Versuche

Grundwissen

  • Hertz erzeugte nicht-sichtbare elektromagnetische Wellen mithilfe eines Sendedipols.
  • Die so erzeugten elektromagnetischen Wellen verhalten sich in Bezug auf Reflexion, Brechung und Bündelung ähnlich wie Licht.
  • Bei Licht handelt es sich um eine elektromagnetische Welle.

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  • Hertz erzeugte nicht-sichtbare elektromagnetische Wellen mithilfe eines Sendedipols.
  • Die so erzeugten elektromagnetischen Wellen verhalten sich in Bezug auf Reflexion, Brechung und Bündelung ähnlich wie Licht.
  • Bei Licht handelt es sich um eine elektromagnetische Welle.

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Licht als Teilchen - Vorstellungen von Newton

Grundwissen

  • In Teilchenvorstellung von Licht besteht das Licht aus winzigen Teilchen (Korpuskeln).
  • Geradlinige Lichtausbreitung und Reflexion können mit dem Modell erklärt werden.
  • Beugung und Interferenz können nicht mithilfe des Modell erklärt werden.

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  • In Teilchenvorstellung von Licht besteht das Licht aus winzigen Teilchen (Korpuskeln).
  • Geradlinige Lichtausbreitung und Reflexion können mit dem Modell erklärt werden.
  • Beugung und Interferenz können nicht mithilfe des Modell erklärt werden.

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Der Transistor-Effekt

Grundwissen

  • Wenn beim npn-Transistor die Basis genügend postiv gegenüber dem Emitter ist, kann ein Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke fließen (Transistor-Effekt).
  • Mithilfe eines kleinen Basisstroms kann ein großer Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor gesteuert werden.

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  • Wenn beim npn-Transistor die Basis genügend postiv gegenüber dem Emitter ist, kann ein Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke fließen (Transistor-Effekt).
  • Mithilfe eines kleinen Basisstroms kann ein großer Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor gesteuert werden.

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Transistor-Formalitäten

Grundwissen

  • Einfache Transistoren bestehen drei abwechselnd p- und n-dotierten Halbleiterschichten.
  • Man unterscheidet zwischen npn-Transistor und pnp-Transistor - meistens behandelt man jedoch npn-Transistoren.
  • Die drei Teile nennt man Kollector (C), Basis (B) und Emitter (E).
  • Es gibt drei Schaltungsarten eines Transistors: Emitterschaltung, Kollektorschaltung und Basisschaltung. In der Praxis spielt die Emitterschaltung eine große Rolle.

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  • Einfache Transistoren bestehen drei abwechselnd p- und n-dotierten Halbleiterschichten.
  • Man unterscheidet zwischen npn-Transistor und pnp-Transistor - meistens behandelt man jedoch npn-Transistoren.
  • Die drei Teile nennt man Kollector (C), Basis (B) und Emitter (E).
  • Es gibt drei Schaltungsarten eines Transistors: Emitterschaltung, Kollektorschaltung und Basisschaltung. In der Praxis spielt die Emitterschaltung eine große Rolle.

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Optischer DOPPLER-Effekt

Grundwissen

  • Bewegt sich der Sender auf den Empfänger zu, so ist die vom Empfänger wahrgenommene Wellenlänge \(\lambda'\) kürzer.
  • Bewegt sich der Sender vom Empfänger weg, so ist die vom Empfänger wahrgenommene Wellenlänge \(\lambda'\) länger.
  • Der Effekt führt zur Rot- bzw. Blauverschiebung von Spektren, was genutzt wird, um Planetenbewegungen zu untersuchen.

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  • Bewegt sich der Sender auf den Empfänger zu, so ist die vom Empfänger wahrgenommene Wellenlänge \(\lambda'\) kürzer.
  • Bewegt sich der Sender vom Empfänger weg, so ist die vom Empfänger wahrgenommene Wellenlänge \(\lambda'\) länger.
  • Der Effekt führt zur Rot- bzw. Blauverschiebung von Spektren, was genutzt wird, um Planetenbewegungen zu untersuchen.

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Lichtbrechung - Fortführung

Grundwissen

  • Der Zusammenhang zwischen Einfallswinkel und Brechungswinkel kann gut grafisch dargestellt werden.
  • Entsprechende Diagramme können in beide Richtungen gelesen werden. Sowohl Übergänge von dicht zu dünn als auch von dünn zu dicht zu dünn können abgelesen werden.

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  • Der Zusammenhang zwischen Einfallswinkel und Brechungswinkel kann gut grafisch dargestellt werden.
  • Entsprechende Diagramme können in beide Richtungen gelesen werden. Sowohl Übergänge von dicht zu dünn als auch von dünn zu dicht zu dünn können abgelesen werden.

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Grundaussagen der speziellen Relativitätstheorie

Grundwissen

  • Das MICHELSON-MORLEY-Experiment brachte klassische Vorstellungen von absolutem Raum und absoluter Zeit ins Wanken.
  • In EINSTEINs Relativitätstheorie sind daher Zeit und Raum relativ. 

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  • Das MICHELSON-MORLEY-Experiment brachte klassische Vorstellungen von absolutem Raum und absoluter Zeit ins Wanken.
  • In EINSTEINs Relativitätstheorie sind daher Zeit und Raum relativ. 

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Formeln Dynamik

Grundwissen

  • Formelübersicht für massebehaftete und masselose Teilchen

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Beugung und Interferenz - Einführung

Grundwissen

  • Beugung ist die Ablenkung einer Welle an einem Hindernis.
  • Konstruktive Interferenz bedeutet eine Verstärkung.
  • Destruktive Interferenz bedeutet eine Auslöschung.

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  • Beugung ist die Ablenkung einer Welle an einem Hindernis.
  • Konstruktive Interferenz bedeutet eine Verstärkung.
  • Destruktive Interferenz bedeutet eine Auslöschung.

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Interferenz an dünnen Schichten

Grundwissen

  • Interferenz tritt häufig auch bei der Reflexion an dünnen Schichten auf - daher schimmern Seifenblasen und Ölschichten auf Wasser häufig farbig.
  • Bei der Berechnung muss der Phasensprung bei Reflexion an optisch dichterem Medium berücksichtigt werden.

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  • Interferenz tritt häufig auch bei der Reflexion an dünnen Schichten auf - daher schimmern Seifenblasen und Ölschichten auf Wasser häufig farbig.
  • Bei der Berechnung muss der Phasensprung bei Reflexion an optisch dichterem Medium berücksichtigt werden.

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Spiegelbild - Einführung

Grundwissen

  • Das Spiegelbild befindet sich im gleichen Abstand zum Spiegel wie das Original.
  • Das Spiegelbild ist genau so groß wie das Original.
  • Das Spiegelbild eines Gegenstandes erscheint für alle Betrachter vor dem Spiegel am gleichen Ort hinter dem Spiegel.
  • Gegenstand und Spiegelbild sind symmetrisch bezüglich der Spiegelebene.

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  • Das Spiegelbild befindet sich im gleichen Abstand zum Spiegel wie das Original.
  • Das Spiegelbild ist genau so groß wie das Original.
  • Das Spiegelbild eines Gegenstandes erscheint für alle Betrachter vor dem Spiegel am gleichen Ort hinter dem Spiegel.
  • Gegenstand und Spiegelbild sind symmetrisch bezüglich der Spiegelebene.

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Spiegelbild - Fortführung

Grundwissen

Joachim Herz Stiftung
  • Das Zustandekommen eines Spiegelbildes lässt sich mit dem Reflexionsgesetz erklären.
  • Der Strahlengang zeigt, dass Bild und Spiegelbild den gleichen Abstand zum Spiegel besitzen.
  • Das Spiegelbild ist ein virtuelles Bild, da von dem Ort, an dem man es wahrnimmt, kein Licht ausgeht.
  • Bei der Konstruktion des Spiegelbildes hilft dir die mathematische Achsenspiegelung  (Geradenspiegelung).
 

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Grundwissen

Joachim Herz Stiftung
  • Das Zustandekommen eines Spiegelbildes lässt sich mit dem Reflexionsgesetz erklären.
  • Der Strahlengang zeigt, dass Bild und Spiegelbild den gleichen Abstand zum Spiegel besitzen.
  • Das Spiegelbild ist ein virtuelles Bild, da von dem Ort, an dem man es wahrnimmt, kein Licht ausgeht.
  • Bei der Konstruktion des Spiegelbildes hilft dir die mathematische Achsenspiegelung  (Geradenspiegelung).
 

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Linsengleichungen

Grundwissen

  • Die Abbildungsgleichung \(\frac{B}{G} = \frac{b}{g}\) beschreibt den Zusammenhang zwischen Bildgröße \(B\), Gegenstandsgröße \(G\), Bildweite \(b\) und Gegenstandsweite \(g\) bei einer Linsenabbildung.
  • Die Linsengleichung \(\frac{1}{f}=\frac{1}{b}+\frac{1}{g}\) beschreibt den Zusammenhang zwischen Brennweite \(f\), Gegenstandsweite \(g\) und Bildweite \(b\) bei einer Linsenabbildung.
  • Die Linsengleichung kann mithilfe der Hauptstrahlen und des Strahlensatzes hergeleitet werden.
  • Die Linsengleichung gilt sowohl für Sammel- als auch Zerstreuungslinsen.

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  • Die Abbildungsgleichung \(\frac{B}{G} = \frac{b}{g}\) beschreibt den Zusammenhang zwischen Bildgröße \(B\), Gegenstandsgröße \(G\), Bildweite \(b\) und Gegenstandsweite \(g\) bei einer Linsenabbildung.
  • Die Linsengleichung \(\frac{1}{f}=\frac{1}{b}+\frac{1}{g}\) beschreibt den Zusammenhang zwischen Brennweite \(f\), Gegenstandsweite \(g\) und Bildweite \(b\) bei einer Linsenabbildung.
  • Die Linsengleichung kann mithilfe der Hauptstrahlen und des Strahlensatzes hergeleitet werden.
  • Die Linsengleichung gilt sowohl für Sammel- als auch Zerstreuungslinsen.

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Stoffverhalten

Grundwissen

  • Absorption - der Gegenstand nimmt das Licht "in sich" auf
  • regelmäßige Reflexion - der Gegenstand reflektiert das Licht in eine bestimmte Richtung
  • Streuung - der Gegenstand streut das Licht in verschiedenste Richtungen
  • Durchlassen des Lichtes (Durchsichtigkeit) - der Gegenstand lässt das Licht unverändert durch sich hindurch.

In der Regel treten mehrere dieser Phänomene gleichzeitig auf.

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  • Absorption - der Gegenstand nimmt das Licht "in sich" auf
  • regelmäßige Reflexion - der Gegenstand reflektiert das Licht in eine bestimmte Richtung
  • Streuung - der Gegenstand streut das Licht in verschiedenste Richtungen
  • Durchlassen des Lichtes (Durchsichtigkeit) - der Gegenstand lässt das Licht unverändert durch sich hindurch.

In der Regel treten mehrere dieser Phänomene gleichzeitig auf.

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Sehvorgang

Grundwissen

  • Dein Auge ist - ähnlich wie eine Kamera - ein "Lichtempfänger".
  • Du siehst einen Gegenstand nur dann, wenn Licht von diesem Gegenstand aus in dein Auge fällt.
  • Nicht selbstleuchtende Gegenstände, wie eine Blume, siehst du, wenn diese Gegenstände das Licht von einer Lichtquelle in dein Auge zurückwerfen.

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  • Dein Auge ist - ähnlich wie eine Kamera - ein "Lichtempfänger".
  • Du siehst einen Gegenstand nur dann, wenn Licht von diesem Gegenstand aus in dein Auge fällt.
  • Nicht selbstleuchtende Gegenstände, wie eine Blume, siehst du, wenn diese Gegenstände das Licht von einer Lichtquelle in dein Auge zurückwerfen.

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Reflexionsgesetz

Grundwissen

Das Reflexionsgesetz besagt:

  • Der einfallende Strahl, das Einfallslot und der reflektierte Strahl liegen in einer Ebene.
  • Der Einfallswinkel und der Ausfallswinkel sind gleich groß. Es gilt \(\alpha = \alpha '\).
  • Weiter ist der Lichtweg umkehrbar. Das heißt fällt das Licht aus der Richtung des reflektierten Strahls ein, so wird es in die Richtung des einfallenden Strahls reflektiert.

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Das Reflexionsgesetz besagt:

  • Der einfallende Strahl, das Einfallslot und der reflektierte Strahl liegen in einer Ebene.
  • Der Einfallswinkel und der Ausfallswinkel sind gleich groß. Es gilt \(\alpha = \alpha '\).
  • Weiter ist der Lichtweg umkehrbar. Das heißt fällt das Licht aus der Richtung des reflektierten Strahls ein, so wird es in die Richtung des einfallenden Strahls reflektiert.

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Technik der Dotierung

Grundwissen

  • Halbleiter werden meist durch ein Diffusionsverfahren oder durch Implantation (Einschuss) mit Fremdatomen dotiert.

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  • Halbleiter werden meist durch ein Diffusionsverfahren oder durch Implantation (Einschuss) mit Fremdatomen dotiert.

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Lichtbrechung - Einführung

Grundwissen

  • Ein Lichtstrahl ändert an der Grenzfläche zweier Medien unterschiedlicher optischer Dichte seine Ausbreitungsrichtung. Der Strahl wird gebrochen.
  • Beim Übergang vom optisch dünneren zum optisch dichteren Medium wird der Strahl zum Lot hin gebrochen \({\left(\alpha_{1}> \alpha_{2}\right)}\).
  • Beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium wird der Strahl vom Lot weg gebrochen \({\left(\alpha_{1}< \alpha_{2}\right)}\).

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  • Ein Lichtstrahl ändert an der Grenzfläche zweier Medien unterschiedlicher optischer Dichte seine Ausbreitungsrichtung. Der Strahl wird gebrochen.
  • Beim Übergang vom optisch dünneren zum optisch dichteren Medium wird der Strahl zum Lot hin gebrochen \({\left(\alpha_{1}> \alpha_{2}\right)}\).
  • Beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium wird der Strahl vom Lot weg gebrochen \({\left(\alpha_{1}< \alpha_{2}\right)}\).

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Linsenformen

Grundwissen

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Strahlengang bei Konvex- und Konkavlinsen
  • Konvexlinsen, auch Sammellinsen genannt, brechen parallel einfallende Lichtstrahlen so, dass sich die Lichtstrahlen im Brennpunkt kreuzen.
  • Konkavlinsen, auch Zerstreuungslinsen genannt, brechen parallel einfallende Lichtstrahlen so, dass sich die Lichtstrahlen im Raum zerstreuen.
  • Die Sammel- bzw. Zerstreuungswirkung von Linsen kann mithilfe der Brechungseigenschaften von Prismen erklärt werden.

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Grundwissen

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Strahlengang bei Konvex- und Konkavlinsen
  • Konvexlinsen, auch Sammellinsen genannt, brechen parallel einfallende Lichtstrahlen so, dass sich die Lichtstrahlen im Brennpunkt kreuzen.
  • Konkavlinsen, auch Zerstreuungslinsen genannt, brechen parallel einfallende Lichtstrahlen so, dass sich die Lichtstrahlen im Raum zerstreuen.
  • Die Sammel- bzw. Zerstreuungswirkung von Linsen kann mithilfe der Brechungseigenschaften von Prismen erklärt werden.

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Begriffe bei der Linsenabbildung

Grundwissen

  • Bei Konvexlinsen ist der Brennpunkt \(\rm{F_1}\) der Punkt, in dem sich parallel zur optischen Achse verlaufende Lichtstrahlen nach der Brechung durch die Linse auf der optischen Achse schneiden.
  • Bei Konkavlinsen ist der Brennpunkt \(\rm{F_1}\) der Schnittpunkt der nach rückwärts verlängerten, gebrochenen Strahlen.
  • Die Brennweite \(f\) ist der Abstand des Brennpunktes zu Linsenebene.
  • Gegenstandsweite \(g\) und Gegenstandsgröße \(G\) beziehen sich auf den abzubildenden Gegenstand, Bildweite \(b\) und Bildgröße \(B\) beziehen sich auf das Bild des Gegenstandes.

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  • Bei Konvexlinsen ist der Brennpunkt \(\rm{F_1}\) der Punkt, in dem sich parallel zur optischen Achse verlaufende Lichtstrahlen nach der Brechung durch die Linse auf der optischen Achse schneiden.
  • Bei Konkavlinsen ist der Brennpunkt \(\rm{F_1}\) der Schnittpunkt der nach rückwärts verlängerten, gebrochenen Strahlen.
  • Die Brennweite \(f\) ist der Abstand des Brennpunktes zu Linsenebene.
  • Gegenstandsweite \(g\) und Gegenstandsgröße \(G\) beziehen sich auf den abzubildenden Gegenstand, Bildweite \(b\) und Bildgröße \(B\) beziehen sich auf das Bild des Gegenstandes.

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