Philipps-Universität Marburg

Fachbereich 13 Physik

Praktikum für Schulversuche I

Leitung: Dr. Cathrin Ellenberger

Referent: Dirk Winkel

Datum: 31.05.2005

Optische Versuche und Schülerübungen zur Optik

1. Bestimmung der Lichtintensität mit Hilfe der Fettfleckphotometrie

Materialien

5 Kerzen

Stück Papier

1 Tropfen Öl oder Fett

Träger

Glühbirne 3,5W mit Netzteil und Kabeln

Versuchsdurchführung

Mache einen kleinen Fettfleck auf ein Stück weißes Papier. Dieses wird dadurch durchlässiger für das Licht.

Stelle nun zwei Kerzen auf, je eine auf jeder Seite des Papieres. Der Raum sollte ansonsten abgedunkelt sein. Wo muss sich das Stück Papier zwischen den Kerzen befinden, damit der Fettfleck von beiden Seiten gleich schlecht zu sehen ist?

Stelle auf der einen Seite insgesamt 4 (9) Kerzen auf und ermittle den Abstand der Kerzen zu beiden Seiten, wenn der Fleck wieder von beiden Seiten gleich hell erscheint. Was stellt man fest?

Vergleiche die Leuchtkraft einer Kerze mit einer 3,5W-Glühbirne mit Hilfe der Fettfleckphotometrie.

Demonstrationsziele

Abnahme der Leuchtstärke (quadratisch) mit dem Abstand
=> Abstandsmessungen durch leuchtkraftmessungen möglich (→ Sterne)

Leuchtstärke ist recht einfach messbar

2. Einführung in die geometrische Optik anhand der „Stecknadeloptik“

Materialien

Korkplatte

Stecknadeln

Bleistift / Blatt Papier

Plexiglaselemente (Quarder, Halbzylinder, Prisma), Spiegel

Versuchsdurchführung

Lege ein Blatt Papier auf die Korkplatte und darauf zunächst den Spiegel. Steche nun eine Stecknadel in die Korkplatte und betrachte sie aus der Tischebene im Spiegel. Steche dann, in einer optischen Linie fluchtend, eine weitere Stecknadel direkt vor dem Spiegel ein, also genau dort, wo im Spiegel die erste Nadel erscheint, sowie eine zwischen Spiegel und Beobachter. Platziere eine weitere Stecknadel hinter dem Spiegel in dem „virtuellen“ Bild der ersten Naden.

Zeiche nun den Spiegel auf das Papier und verbinde die Stecknadeln mit Linien. Was fällt auf?

Nehme anstelle des Spiegels nun den Plexiglasblock und verfolge auf gleiche Weise den Lichtweg einer hinter dem Block eingesteckten Stecknadel. Was passiert, wenn man schräg (aber in der Tischebene) durch den Block blickt?

Nimm den Block nun in Längsrichtung und verfolge den Lichtweg. Es gibt mehrere unterschiedliche Wege, finde sie und zeichne sie auf!

Zeichne den Weg auf, den das Licht durch ein Prisma nimmt!

Demonstrationsziele

A B C D A, B, C, D: Stecknadeln A B C D Reflexionsgesetz (Einfallswinkel = Ausfallswinkel)

virtuelles Bild

Lichtwege durch unterschiedliche optische Medien / Parallelverschiebung bei einer Platte

Lichtbrechung an Grenzflächen / optische Dichte / Brechungsgesetz bei quantitativer Messung(sinα/sinβ = n)

Totalreflexion an Grenzflächen (sinα = 1/n)

3. Abbildungsoptik und Linsensysteme

Materialien

optische Bank mit Befestigungsmaterial

Linsen: f = 50, 100, 500 mm

Mattscheibe

Kerze

Gegenstand Bild

Versuchsdurchführung

a) Simulation eines Auges

Montiere die Mattscheibe und die Linse (f = 50mm) in einem Abstand von ca. 15cm auf der optischen Bank. Montiere nun eine Kerze verschiebbar auf der anderen Seite der optischen Bank, wobei darauf zu achten ist, dass sich die Flamme in etwa auf der gleichen Höhe wie die Mitte der Linse befindet (optische Achse). Beobachte nun die Mattscheibe (von der Rückseite deutlicher), und verschiebe die Kerze vor- und zurück. Was beobachtest du?

Verändere nun den Abstand der Linse von dem Schirm und wiederhole den Versuch. Wie verändert sich das scharfe Bild bei größerem Abstand / kleinerem Abstand von dem Schirm? Wie verändert sich der Abstand Kerze ↔ Linse?

Was passiert, wenn anstelle der f = 50mm die Linse f = 100mm verwendet wird?

Was passiert wenn eine Brille vor die Linse gehalten wird? Wie begründen sich also warscheinlich Sehfehler?

b) Das Fernrohr

Montiere die Linse mit f = 500mm am Ende auf der optischen Bank, sowie 600mm davon entfernt die Linse mit f = 100mm. Richte diese Linsenkombination nun aus mit der optischen Achse auf ein weit entferntes Objekt (die f = 500mm Linse voran). Blicke durch die Linse mit f = 100m und korrigiere die Entfernung zur anderen Linse ggf. etwas nach, um ein scharfes Bild zu erhalten. Was fällt auf im Gegensatz zum nackten Auge?

Bringe einen kleinen Gegenstand in den Strahlengang etwa 100mm entfernt von der 100mm-Linse. Was fällt auf? Was unterscheidet sich relativ zu dem Bild des weit entfernten Objektes?

Verwende anstelle der 100mm-Linse ein Objektiv. Was verändert sich?

c) Kombination des Fernrohrs mit dem Augenmodell

Montiere nun das „künstliche Auge“ aus Versuchsteil a) hinter dem astronomischen Fernrohr. Welche Vergrößerung misst du im Verhältnis zum nackten „künstlichen Auge“?

Verschiebe nun das komplette „künstliche Auge“ vor- und zurück. Wie verändert sich das Bild? Beobachte die Vergrößerung!

Demonstrationsziele

Abbildungen (auf der Netzhaut)

Brennweite einer Linse

Linsengesetz (1/g + 1/b = 1/f)

damit: Projektionsapparate / Diaprojektor

Abbildungsfehler des Auges und deren Korrektur

Vergrößerung beim Fernrohr

Bildumkehr beim astronomischen Fernrohr

Umkehrlinse beim terrestrischen Fernrohr

Zwischenbild (umgekehrt als das „echte“ Bild => richtig rum, da einfache Lupe)

Vergrößerungsgesetz f1/f2

Vergrößerung unabhängig von Augenentfernung

4. Demonstrationsversuche mit dem Laser

Materialien

Laser

Plexiglas-Halbzylinder

Winkelscheibe

2 Polarisationsfilter

Spalt/Doppelspalt/Gitter

CD/DVD

Polarisationsfilter

Mattscheibe/Schirm

Achtung: Der Laserstrahl darf unter keinen Umständen, egal ob direkt oder indirekt, in die Augen kommen. Daher sind Versuche mit einem Laser nur als Demonstrationsversuche und mit entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen (evtl. Schutzbrille) durchzuführen!

Versuchsdurchführung

a) Lege den Halbzylinder auf die Winkelscheibe, so dass die Mitte der platten Fläche in der Mitte der Scheibe liegt. Lasse dann einen Laserstrahl durch die gekrümmte Fläche einfallen, dass er genau durch die Mitte der Winkelscheibe fällt (=> senkrechter Einfall => keine Brechung).

Die Winkelscheibe kann nun solange verdreht werden, bis der Laserstrahl gerade vollständig reflektiert wird. Wie verläuft im Grenzbereich der Durchgehende Lichtstrahl?

b) Vorversuch: Lege 2 Polarisationsfilter übereinander und drehe sie gegeneinander. Was kannst du beobachten?

Stelle nun den Winkel zwischen dem transmittierten- und dem Reflektierten Strahl so ein, dass er genau 90° beträgt. Halte dann einen Polarisationsfilter in den Transmittierten Lichtstrahl sowie in den reflektierten Lichtstrahl. Verändere den Winkel in beide Richtungen. Was schließt du aus den Beobachtungen?

c) Lasse einen Laserstrahl durch einen schmalen Spalt auf eine Mattscheibe fallen. Verändere nun die Breite des Spaltes. Was passiert mit dem Beugungsbild wenn der Spalt enger wird?

Verwende anstelle eines einfachen Spaltes einen Doppelspalt und/oder ein Gitter (20 Striche/mm oder mehr).

Reflektiere anschließend den Strahl an einer CD und an einer DVD. Worauf lassen die Beobachtungen schließen?

Demonstrationsziele

Totalreflexion am Grenzwinkel

Polarisation

Polarisation „in der Natur“: Brewster-Winkel (bsp: Wasseroberfläche => Polfilter in der Fotografie)

Beugung von (monochromatischem) Licht am einfachen Spalt

Beugung am mehrfachen Spalt / am Gitter

5. Spektrale Aufspaltung und Analyse von Licht

Materialien

optische Bank mit Befestigungsmaterial

Prisma

2 Spalte

Rowland-Gitter (570 Striche/mm)

Reflexionsgitter

Reuter-Lampe

Mattscheibe

optische Filter

Hg-Dampf-Lampe (mit Spezialtrafo/Kabeln)

Glasplatte

Versuchsdurchführung

a) Am einen Ende der optischen Bank wird die Reuter-Lampe (mit Sammellinse) montiert. Um einen parallelen Lichtstrahl „herauszufiltern“ werden 2 relativ breite Spalte dahinter montiert (abstand etwa je 10-20 cm). In diesen (weißen) Lichtstrahl halten wir ein stark brechendes Prisma und fangen das Licht mit einer Mattscheibe oder einem Schirm auf.

Deutlicher ist dieser Versuch mit einem Geradsichtprisma, welches aus einer Kombination von Kronglas und Flintglas besteht (unterschiedliche Brechungsindizes), jedoch ist hier nur schwer verständlich, was in dem Prisma passiert.

b) Bringe anstelle des Prismas nun das Rowland-Gitter in den Strahlengang. Was ist auf dem Schirm zu beobachten?

Bringe anstelle dessen ein Reflexionsgitter leicht schräg an und fange das reflektierte Licht mit der Mattscheibe auf. Erkläre die Beobachtungen!

Bringe nun unterschiedliche optische Filter in den Strahlengang und beobachte das Spektrum.

c) Achtung: Eine Hg-Dampf-Lampe emittiert UV-Strahlung! Nicht in den direkten oder indirekten Strahl blicken! Beim längeren experimentieren ist eine Schutzbrille (Sonnenbrille) anzuraten.

Ersetze nun die Reuter-Lampe durch eine HG-Dampf-Lampe und beobachte das Spektrum auf der Mattscheibe. Was fällt im Spektrum auf?

Ersetze die Mattscheibe durch einen weißes Blatt Papier oder (besser noch) durch ein weißes Kleidungsstück.

Bringe daraufhin eine normale Glasplatte in des Strahlengang, sowie einen Kunststoffbehälter mit Wasser. Wie können die Beobachtungen gedeutet werden?

Anm: Natürlich sind in unterschiedlichen Spektren auch Linien im Infrarot-Bereich enthalten, diese können allerdings nicht durch Fluoreszenz sichtbar gemacht werden, da IR-Licht energieärmer als sichtbares Licht ist. Mit Photodioden für den IR-Bereich können diese auf komplizierterem Wege vermessen werden.

Demonstrationsziele

Licht besteht aus unterschiedlichen Wellenlängen

unterschiedliche Wellenlängen werden unterschiedlich stark gebrochen / gebeugt

Beugung unterschiedlicher Wellenlängen an einem durchlässigen Gitter / reflektierenden Gitter

Absorption unterschiedlicher Wellenlängen an Filtern

Charakteristisches Spektrum

UV-Licht kommt im Spektrum hinter Blau/Violett

Fluoreszenz

Absorption von UV-Licht durch Fensterglas, während andere Materialien durchlässig sind

6. Drehung der Polarisationsebene

Materialien

2 optische Bänke mit Befestigungsmaterial

Reuter-Lampe

Linse f = 200mm

Kunststofffolie/-teile

2 Polarisationsfilter

Zuckerlösung

Versuchsdurchführung

Lampe Filter Objekt Linse Filter Wand 80cm ca 20cm

Verbinde 2 optische Bänke zu einer von einer Länge von etwa 2 Metern.

Montiere die Reuter-Lampe (mit der Sammellinse) auf der Optischen Bank, sowie einen Polarisationsfilter ca. 3cm davor (nicht zu dicht, damit er durch die Wärme nicht beschädigt wird). Montiere weiterhin die Sammellinse mit f = 200mm (ø ca. 100mm) auf der optischen Bank in etwa 80cm Entfernung. Dahinter ist ein weiterer Polarisationsfilter so zu montieren, dass der von der 200mm-Linse gebündelte Lichtstrahl möglichst komplett durch den Polarisationsfilter fällt (Lichtstärke), jedoch noch nicht (oder nicht mehr) in einem Punkt gebündelt ist um den Filter nicht lokal zu überhitzen. Des weiteren ist der 2. Polarisationsfilter so zu drehen, dass nahezu kein Licht hindurchfällt.

a) Ist der Raum abgedunkelt, so wird ein Gegenstand aus durchsichtigem Kunststoff (Lineal, Plastikfolie, o.ä.) zwischen den ersten Polarisationsfilter und die Linse gebracht und auf eine etwa 1-2 Meter entfernte Wand projiziert. Zum scharfstellen wird der Gegenstand zwischen Filter und Linse hin- und herbewegt.

b) Bringe nun eine starke Zuckerlösung in den Lichtweg (ca. 50%Vol. Zucker, Lichtweg etwa 15cm) und messe den Rotationswinkel der Polarisationsebene, indem der Winkel des 2. Filters bei kompletter Ausblendung einmal mit und einmal ohne der Zuckerlösung gemessen wird. Wie verändert sich der Winkel, wenn die Konzentration durch Verdünnen halbiert (geviertelt) wird?

Bringe zum Vergleich auch Leitungswasser in den Lichtweg.

Demonstrationsziele

Polarisationsebenen können rotiert werden:

in Abhängigkeit von Spannungen im Material

in Flüssigkeiten

die Konzentration einer Lösung ist messbar anhand des Rotationswinkels der Polarisationsebene

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Dirk Winkel

2005-05-29T14:41:57

Dirk Winkel