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Strahlenoptik (1)


Aufgabe 1

Ergänze folgenden Lückentext mit den richtigen Begriffen aus der am Ende gegebenen Liste. Die Begriffe können auch gar nicht oder mehrfach verwendet werden.

Licht breitet sich ________________ aus. Trifft es auf einen ________________ Gegenstand, so entsteht ein ________________. Trifft es auf einen Spiegel, so wird es ________________. Dabei gilt die Regel, dass der ________________ gleich dem ________________ sein muss. Beide werden relativ ________________ gemessen, das ________________ zur Spiegelebene ausgerichtet ist. Trifft es auf einen ________________ Gegenstand, dann ________________ der Lichtstrahl, d. h., er ändert ________________ abhängig von der ________________ des Materials.

(Auswahlmöglichkeiten: lichtundurchlässigen / seine Richtung / lichtdurchlässigen / farbigen / geradlinig / reflektiert / geschluckt / zum Lot / optischen Dichte / Einfallswinkel / zur Oberfläche / Brechungswinkel / bricht / Steigungswinkel / steigt / Laune / Schatten / Autounfall / vertikal / waagerecht / seine Helligkeit / Reflexionswinkel)

Lösung

Licht breitet sich geradlinig aus. Trifft es auf einen lichtundurchlässigen Gegenstand, so entsteht ein Schatten. Trifft es auf einen Spiegel, so wird es reflektiert. Dabei gilt die Regel, dass der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel sein muss. Beide werden relativ zum Lot gemessen, das vertikal zur Spiegelebene ausgerichtet ist. Trifft es auf einen lichtdurchlässigen Gegenstand, dann bricht der Lichtstrahl, d. h., er ändert seine Richtung abhängig von der optischen Dichte des Materials.

  • Schwierigkeitsgrad:  1
  • Zeit:  5 Minuten
  • Punkte:  5

Aufgabe 2

Zwei punktförmige Lichtquellen beleuchten einen lichtundurchlässigen Gegenstand. Zeichne die Randstrahlen und beschrifte Kernschatten- und Halbschattenbereich.

Strahlenoptik (1) - Abbildung 1

 

Lösung

Strahlenoptik (1) - Abbildung 2
  • Schwierigkeitsgrad:  1
  • Zeit:  5 Minuten
  • Punkte:  4

Aufgabe 3

Eine Mauer ist 2,5 m hoch. Im Abstand von 2 m steht eine 4 m hohe Laterne, wodurch hinter der Mauer ein Schatten entsteht. Fertige eine maßstabsgetreue Skizze an, zeichne die Randstrahlen und bestimme durch Ausmessen die Länge des Schattens, den die Mauer wirft.

Strahlenoptik (1) - Abbildung 3

 

Lösung

Strahlenoptik (1) - Abbildung 4Quelle: istock.com/Vertyr

Der Schatten ist ca. 3,25 m lang.

Beachte: Wenn du dieses Bild ausdruckst, kann es passieren, dass der Maßstab nicht mehr übereinstimmt.
  • Schwierigkeitsgrad:  2
  • Zeit:  5 Minuten
  • Punkte:  4

Aufgabe 4

Ein Lichtstrahl wird an einer Reihe von Spiegeln reflektiert. Zeichne den Strahlengang, bis der Strahl den Kasten verlässt.

Strahlenoptik (1) - Abbildung 5

 

Lösung

Strahlenoptik (1) - Abbildung 6

  • Schwierigkeitsgrad:  2
  • Zeit:  5 Minuten
  • Punkte:  4

Aufgabe 5

In Solarherden wird gebündeltes Sonnenlicht genutzt, um Essen zu kochen.

Skizziere, wie ein Solarherd aufgebaut sein kann und beschreibe kurz seine Konstruktionsweise.

Lösung

Ein Solarherd besteht aus einem Parabolspiegel, welcher die eintreffenden Sonnenstrahlen ablenkt und dadurch in einem Punkt oberhalb des Spiegels bündelt.
Durch diese Konzentration von Sonnenstrahlen auf einem Punkt (welcher auch Brennpunkt genannt wird) können Temperaturen von mehr als \(100\ ^\circ \text C\) erreicht werden.
Diese Energie kann unter anderem zum Abkochen von Wasser oder zur Zubereitung von Speisen genutzt werden.

  • Schwierigkeitsgrad:  3
  • Zeit:  10 Minuten
  • Punkte:  3

Aufgabe 6

Gegeben ist die Zeichnung einer konvexen dünnen Linse mit einem Gegenstand G und dem gegenstandseitigen Brennpunkt F.

  1. Zeichne den Gang zweier charakteristischer Strahlen und konstruiere das Bild B.
    Strahlenoptik (1) - Abbildung 7
  2. Miss in der Zeichnung die Gegenstandsgröße G, die Brennweite f und die Gegenstandsweite g auf einen Millimeter genau und berechne mit diesen Werten Bildgröße B und Bildweite b. Die Maßstabslinie unten rechts im Bild entspricht genau 1 cm.
G = ________________ f = ________________ g = ________________
B = ________________ b = ________________                                  

Lösung

  1. Strahlenoptik (1) - Abbildung 8
  2.  
G = 1,7 cm f = 2,6 cm g = 3,9 cm
B = 2,4 cm b = 5,8 cm  

Achtung: Nach dem Ausdrucken kann sich der Maßstab der Zeichnung verschieben, sodass du dies nach dem Abmessen anpassen musst!

  • Schwierigkeitsgrad:  2
  • Zeit:  7 Minuten
  • Punkte:  5

Aufgabe 7

Erkläre anhand einer selbst angefertigten Skizze, warum das Bild in einer Lochkamera spiegelverkehrt ist.

Strahlenoptik (1) - Abbildung 9

 

Lösung

Strahlenoptik (1) - Abbildung 10Quelle: istock.com/Vertyr

Erklärung: Die Camera obscura (auch Lochkamera genannt) funktioniert nach dem Prinzip, dass Licht durch eine Sammellinse in einen lichtdichten Kasten fällt und an einer Projektionsfläche wiedergegeben wird. 
Dabei wird auf der Rückseite der Kamera ein identisches, jedoch auf dem Kopf stehendes und spiegelverkehrtes Bild erzeugt. Das Loch mit der eingesetzten Linse muss dabei sehr klein gewählt werden, damit die eintreffenden Lichtstrahlen sich nicht überlagern.
 

  • Schwierigkeitsgrad:  3
  • Zeit:  8 Minuten
  • Punkte:  2
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