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Optik (1)

 

Hier findest du die Folien zur Unterrichtseinheit OPTIK


Inhalt 

 

Teil 1:

Lichtquellen   

Gegenstände sehen:  

Lichtausbreitung:  

Optische Täuschungen  

Lichtausbreitung: Lichtbündel  

Die Lichtgeschwindigkeit  

Licht und Schatten  

Kern- und Halbschatten  

Übergangsschatten  

Sonnen- und Mondfinsternis  

Der Mond und seine Gestalt 

Reflexion von Licht  

Das Spiegelbild  

Gekrümmte Oberflächen  

Wölbspiegel  

Hohlspiegel  

Brechung von Licht (1)  

Brechung von Licht (2)  

Abhängigkeit vom Einfallswinkel  

Brechung von Licht (3)  

Die Totalreflexion  

Teil 2:

Optische Abbildungen (1)  

 Die Lochkamera 

 Abbildung durch eine Linse  

Optische Abbildungen (2)  

Abbildungen durch eine Linse  

Optische Abbildungen (3)  

Abbildungen durch die Sammellinse (1)  

Optische Abbildungen (4)  

Abbildungen durch die Sammellinse (2)  

Optische Abbildungen (5)  

Die Lupe  

Linsen  

Die Konvexlinse (Zerstreuungslinse)  

Das Mikroskop  

Das Fernrohr (1) [Kepler]  

Das Fernrohr (2) [Galilei]  

Farben 

 

Alle Folien in einem Heft:

Produktplatzierungen

Hinweis:
Für die Unterrichtseinheit ist die Anschaffung des Skripts für meine Schüler nicht notwendig! Die Folien werden nacheinander bearbeitet und notwendige Materialien ggf. kopiert.


Hinweis zur Printausgabe (ISBN 978-3-739-226576): Bitte Korrekturhinweise beachten 
Korrekturen (Skript-Optik)

Hinweis:
Die Inhalte dieser Unterrichtseinheit zielen ab auf die Vermittlung von Grundlagen zum Thema Optik. Dafür können im Rahmen des Physikunterrichts nur bestimmte Teile der Unterrichtseinheit behandelt werden. Im Rahmen des technich-naturwissenschaftlichen Wahlpflichtfachs werden einzelne Inhalte weiter vertieft. Sie richtet sich an Schüler der 8. Jahrgangsstufe.

Paperpack -  s/w

(1. Auflage)

(ausgewählte Seiten in Farbe)

ISBN 978-3-739-226576

Physik: Skriptsammlung





Aufgaben:

  1. Auf der Folie hast du Beispiele für künstliche und natürliche Lichtquellen gesehen. Nenne jeweils fünf weitere (!) Beispiele für die beiden Gruppen.
  2. "Feuer" lässt sich der Gruppe der natürlichen Lichtquellen zuordnen, es kann aber auch den künstlichen Lichtquellen zugeordnet werden. Wie ist es möglich, dass es zu beiden Gruppen gehört? Erläutere!
  3. Du kannst Lichtquellen weiterhin in die Gruppen "selbstleuchtend" und "beleuchtet" einteilen. Den Unterschied kannst du gut erkennen, wenn du sie in einen dunklen Raum mitnimmst. Was stellt man dann fest? Beschreibe den Unterschied und nenne zu jeder Gruppe 5 Beispiele (Du hast auf der ersten Folie auch Beispiele gesehen). 
  4. Die Abbildung zeigt dir einen Raumfahrer:Raumfahrer (Wikipedia)
    a) Warum können wir ihn sehen? Was ist dafür notwendig?
    b) Du siehst auch die Erde unter dem Raumfahrer. Aber im Hintergrund ist der Weltraum völlig schwarz. Was ist der Grund dafür?
  5. Auf Folie (02) ist das Bild eines Buches mit einer Leselampe dargestellt. Was sollen die Pfeile bedeuten? Was will man damit zum Ausdruck bringen? Die Pfeile haben verschiedene Richtungen, erkläre das auch bei deiner Antwort.
  6. Auf der Folie steht der Satz "Sehen bedeutet aber auch: Informationsverarbeitung im Gehirn". Schau dir dazu die Bilder und Videos zu den optischen an. Dann weißt du sicher was damit gemeint ist. Beschreibe deine Beobachtungen an drei Beispielen von optischen Täuschungen und erkläre was da im Gehirn passiert und der Grund dafür.

Optik: [5:20]

Optische Täuschungen (1)

Gezeigt werden optische Täuschungen.

Optik: [4:48]

Optische Täuschungen (2)

Optische Täuschungen werden am Beispiel von drei Rotationsbildern demonstriert und erklärt.

Die Fehlinterpretationen des Gehirns führen dabei zu erstaunlichen Eindrücken.


Infos zum Thema:

Unser Gehirn




Aufgaben:

Schau dir die Abbildungen in der Bildergalerie Optik 1 an.

  1. In Abbildung 1 siehst du eine Taschenlampe. 
    a) Beschreibe das Bild und verwende dabei Fachbegriffe.
    ​b) Die Glühbirne in der Taschenlampe sendet Licht ja eigentlich nach allen Seiten aus (vgl. Abb. 2). Wie entsteht die  beleuchtete Struktur an der Wand in Abbildung 1 und warum ist nicht die ganze Wand beleuchtet? Mach dazu eine Skizze in  dein Heft.
  2. Schau dir die Lampe in Abbildung 3 an. Beschreibe die Abbildung und erläutere, weshalb wir das dargestellte "Muster" an der Wand sehen.
  3. In Abbildung 4 siehst du Scheinwerfer. Eigentlich können wir Lichtstrahlen und Lichtbündel doch gar nicht sehen. Hier kannst du aber den Verlauf der Lichtbündel gut erkennen. Was ist der Grund dafür? (Hinweis: Im Herbst ist auch das Licht der Scheinwerfer von Autos auf ähnliche Weise sichtbar.)
  4. Um welche Art von Lichtbündel handelt es sich in Abbildung 5? Erläutere, wie das Lichtbündel entsteht.
  5. In Abbildung 6 siehst du unsere Sternwarte, hier finden gerade Himmelsbeobachtungen statt. Um welche Art von Lichtbündel handelt es sich in dieser Abbildung? Erläutere, wie das Lichtbündel entsteht und wofür man es hier verwendet.
  6. In Abbildung 7 siehst du wie Sonnenlicht auf eine Lupe trifft. Was kannst du über den Verlauf der Sonnenstrahlen VOR und NACH dem Durchgang durch die Lupe sagen? Beschreibe die jeweiligen Lichtbündel, verwende Fachbegriffe.

Bildergalerie Optik 1


Aufgaben:

  1. Wie weit ist die Entfernung von Erde und Sonne?
  2. Welche Entfernung hat der Jupiter von der Sonne?
  3. Informiere dich über den Planeten Jupiter. Du kannst dir dafür zur fünften Station unseres Planetenwegs in der Schule gehen (Hinweis: Der Planetenweg ist auch online verfügbar: Planetenweg KL [Link]). Beantworte die Fragen: 
    a) Wie lange dauert eine Umrundung von Jupiter um die Sonne?  
    b) Welchen Durchmesser hat der Jupiter? 
    c) Welchen Durchmesser hat die Erde? 
    d) Jupiter hat über 60 Monde! Nenne fünf weitere Monde von Jupiter.
  4. Die Entfernung von Jupiter und Erde ich nicht immer gleich. 
    a) Was ist die größte Entfernung zwischen diesen beiden Planteten?
    b) Was ist die kleinste Entfernung zwischen diesen beiden Planteten?
    c) Welche Zeitspanne liegt (ungefähr) zwischen dem größten und dem kleinsten Abstand zu Jupiter?
  5. Wie lange benötigt der Mond Io für eine Umrundung um den Jupiter?
  6. Warum hatte Roemer seine Beobachtungen über den Zeitraum von mindestens etwa einem ganzen Jahr machen müssen?
  7. Jupiter hat über 60 Monde. Ein weiterer Mond heißt "Europa" (Wie unser Kontinent). Hätte man die Lichtgeschwindigkeit auch durch seine Beobachtung bestimmen können? Begründe deine Überlegungen.

  1. Johann Wolfgang von Goethe war ein berühmter deutscher Dichter. Er war aber auch Naturforscher und hat einmal gesagt: "Wo Licht ist, da ist auch Schatten".

    a) Was hat er damit gemeint? Welche Bedeutung hat das Zitat für uns in der Physik? Erläutere kurz.

    b) Es ist aber auch im "übertragenen Sinne" gemeint. Was will man damit ausdrücken? Erläutere kurz die Bedeutung dieses Zitats. 

  2. Um einen Schatten zu sehen sind verschiedene Voraussetzungen nötig. Welche sind das?
  3. Wir können unsere Umwelt sehen, auch wenn die Sonne hinter den Wolken nicht sichtbar ist. Es muss also genügend Licht vorhanden sein. Aber wie sieht der Schatten dann aus? Vergleiche ihn mit deinem Schatten an einem sonnigen Tag. Beschreibe und erläutere.
  4. Der Begriff "Schatten" ist aus der Sicht der Physik nicht genau genug. Wir unterscheiden zwischen Schattenraum und Schattenbild. Was ist der Unterschied? Erläutere an einem Beispiel.
  5. Auf den Abbildungen 9a, 9b, 9c (siehe Bildergalerie Optik 1) ist ein zylindrischer Gegenstand abgebildet. Sein Schatten sieht jeweils sehr unterschiedlich aus. Wie kommt das jeweilige Schattenbild zustande? Erläutere!
  6. Auch im Weltall ist der Schatten wichtig. Kannst du den Wechsel von Tag und Nacht erklären? 

Schau dir das Video Physik / Optik: Kern- und Halbschatten [6:00] an. Zeichne dann die Abbildungen in dein Heft. Achte genau auf die Abstände, verwende die Hilfslinien (karierte Linien). Konstruiere dann jeweils den Schattenraum und bestimme die Schattenbereiche auf dem Schirm. Bestimme jeweils die Bereiche des Halbschattens und des Kernschattens. Beachte: Je nach Position der einzelnen Bestandteile des Versuchs kann es sein, dass kein Kernschatten entsteht.

Physik / Optik: [6:00]

Kern- und Halbschatten

Vorgeführt wird im Video die Konstruktion des Schattens in der Seitenansicht mit einem Gegenstand und einer Lichtquelle (bzw. später dann mit zwei Lichtquellen). Entsprechende Abbildungen des Realversuchs werden gezeigt und die Konstruktion in der Seitenansicht an zwei Beispielen vorgeführt. Durch die beiden Lichtquellen entsteht der Halbschatten und der Kernschatten.

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Schattenstäbe und Sonnenuhren wurden lange Zeit als Taktgeber und Ersatz für heutige Uhren verwendet. Erst die Fahrpläne der Eisenbahn machten eine einheitliche Zeit an verschiedenen Orten notwendig. Dafür wurden die Zeitzonen eingeführt. Weitere Informationen zur mitteleuropäischen Zeit findest du hier:

Die sogenannte "Sommerzeit" auf der Karte

Kein Sommer ohne Sommerzeit? - Die Einteilung der Zeitzonen
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Bildergalerie Optik 2


Aufgaben:

  1. Wie oft kommt es auf der Erde zu einer Sonnenfinsternis („Sofi“)?
  2. Warum sehen wir nur so selten eine Sonnenfinsternis in Kaiserslautern, dafür aber öfters eine Mondfinsternis? 
  3. Was ist der Unterschied zwischen einer "totalen Sonnenfinsternis" und einer "partiellen Sonnenfinsternis"? (Hinweis: (Verwende in deiner Antwort die gelernten Begriffe Kern- und Halbschatten)
  4. Wann war die letzte totale Sofi in KL sichtbar? 
  5. Wann wird die nächste Sonnenfinsternis / Mondfinsternis („Mofi“) stattfinden und ist sie in Kaiserslautern sichtbar? (Hinweis: Du hast auf der Themenseite dazu ein eingebundenes Skript das dir dabei helfen kann das herauszufinden.)
  6. Was ist bei einer Sofi zu beachten?
  7. Sind bei einer Mofi auch Schutzmaßnahmen erforderlich?
  8. Wie oft kommt es im Jahr zu einer Mondfinsternis?
  9. Was versteht man unter einem "Blutmond"?
  10. Erkläre die Begriffe "Penumbra" und "Umbra". Fertige dazu eine Skizze an.


Aufgaben:

  1. Skizziere die Stellung der Himmelskörper Sonne, Mond und Erde bei Vollmond, Halbmond und Neumond.
  2. Wie lange benötigt der Mond für eine Umkreisung der Erde?
  3. Der Mond wird von der Sonne beleuchtet. Wie viel Prozent seiner Oberfläche ist beleuchtet?
  4. Der Mensch war bereits auf dem Mond gelandet. Wann war der erste Mensch auf dem Mond und wie war sein Name?
  5. Welchen Satz sprach der erste Astronaut beim Betreten der Mondoberfläche?
  6. Wir sehen immer die gleiche Seite des Mondes. Die Rückseite können wir von der Erde aus nie sehen. Wieso eigentlich? Erläutere.
  7. Der Mond entfernt sich langsam von der Erde. Welche Entfernung hat er von der Erde heute und um welchen Betrag ändert sich dieser Abstand pro Jahr?

Astronomie / Physik / Optik: [5:00]

Die Jahreszeiten

Gezeigt und erklärt wird das Zustandekommen der Jahreszeiten auf der Erde.

Optik:

Das Reflexionsgesetz [2:34]

Optik - Reflexionsgesetz - Gezeigt und vorgeführt werden die grundlegenden Zusammenhänge bei der Reflexion von Licht.

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Wiederholung: Winkel messen [8:02]
Das Geodreieck & Winkel messen

Zunächst werden einige Grundbegriffe des Geodreiecks eingeführt. Anschließend wird an einem Beispiel die Winkelmessung demonstriert. Dabei wird auf die beiden Winkelskalen am Geodreieck eingegangen und es werden zwei Varianten zur Winkelmessung dargestellt. Hierbei finden beide Skalen Anwendung zur Messung des Winkels.

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Wiederholung: Winkel zeichnen [3:45]

Anschaulich beschrieben wird die Vorgehensweise beim Zeichnen eines Winkels. Hierbei wird ein spitzer und ein stumpfer Winkel als Beispiel gezeichnet.

  1. Was versteht man unter Lichtbrechung?
  2. Was heißt „optisch dicht“ und „optisch dünnes Medium“? Wie kann man sich das vorstellen?
  3. Nenne drei Beispiele für Stoff-Paar von denen eines optisch dicht und eines optisch dünn ist.
  4. Lichtbrechung tritt nicht immer auf. Unter welchen Umständen ist die Lichtbrechung nicht zu beobachten?
  5. Wovon hängt die Brechung von Licht an der Grenzfläche zweier optischer Medien ab? 
  6. Übertrage die folgenden Sätze in dein Heft und bewerte die Aussagen:
    a) Beim Übergang von dichteren ins optisch dünnere Medium wird das Licht zum Lot hin gebrochen.   
     richtig  falsch
    b) Beim Übergang vom optisch dünneren ins optisch dichtere Medium ist der Einfallswinkel größer als der Ausfallswinkel (Brechungswinkel).
     richtig  falsch
  7. Schau dir die Abbildungen 15 und 16 in der Bildergalerie 3 an.  Übertrage die Abbildungen zunächst in dein Heft und skizziere dann den weiteren Verlauf des Lichtstrahls. Zeichne dabei auch jeweils das Lot und den Einfalls- und Brechungswinkel ein. Der Brechungswinkel beträgt in diesem Beispiel beim Übergang von Luft in Fensterglas 32° (Abbildung 15) und beim Übergang von Fensterglas nach Luft 78°.
  8. Ein Lichtstrahl trifft unter einem Einfallswinkel von 70° aus der Luft auf eine Wasseroberfläche. Bestimme den Brechungswinkel mit dem Skript auf der Themenseite und zeichne den Verlauf des Lichtstrahls in der Seitenansicht in deinem Heft (Abbildung wie bei Aufgabe7).
  9. Bestimme den Brechungswinkel für die folgenden Übergänge. Verwende dafür das Skript auf der Themenseite:
    a) Luft → Wasser, Einfallswinkel = 30° ; Brechungswinkel = _____ 
    b) Luft → Wasser, Einfallswinkel = 60° ; Brechungswinkel = _____ 
    c) Luft → Fensterglas, Einfallswinkel = 30° ; Brechungswinkel = _____ 
    d) Luft → Fensterglas, Einfallswinkel = 60° ; Brechungswinkel = _____ 
    e) Luft → Diamant, Einfallswinkel = 50° ; Brechungswinkel = _____ 
    f) Wasser → Luft, Einfallswinkel = 30° ; Brechungswinkel = _____ 
    g) Fensterglas → Luft, Einfallswinkel = 30° ; Brechungswinkel = _____ 

Optik:

Lichtbrechung (1) [6:00]

Optik - Gezeigt und vorgeführt werden die grundlegenden Zusammenhänge bei der Brechung von Licht. Dabei wird der Übergang vom optisch dünneren Medium ins optisch dichtere Medium und umgekehrt betrachtet (Ohne Totalreflexion).

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Tabelle - Brechzahlen

(AbsoluteBrechzahlen verschiedener Materialien (20°C, bei 589nm))

Material Brechzahl
Vakuum 1
Luft 1.000272
Wasser 1.333
Kronglas 1.51
Fensterglas 1.52
Flintglas 1.613
Zirkon 1.92
Diamant 2.417

(Quellen: www.spectrum.de; www.physik.cosmos-indirekt.de)

 

  1. Was versteht man unter der Totalreflexion?
  2. Totalreflexion kann nur unter bestimmten Bedingungen vorkommen. Bewerte die folgenden Aussagen:
    a) Totalreflexion kann nur beim Übergang vom optisch dünneren zum optisch dichteren Medium vorkommen. 
     richtig  falsch
    b) Totalreflexion kann nur beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium vorkommen. 
     richtig  falsch
    c) Totalreflexion kann beim Übergang Luft→Wasser vorkommen. 
     richtig  falsch
    d) Totalreflexion kann beim Übergang Fensterglas→Wasser vorkommen. 
     richtig  falsch
    e) Totalreflexion kann beim Übergang Wasser→Luft vorkommen. 
     richtig  falsch
  3. Erstelle eine Tabelle und bestimme die Brechungswinkel für den Übergang von Wasser nach Luft für die Einfallswinkel von 35° bis 55° in 1°-Schritten. Was fällt dir hierbei auf?
  4. Bestimme den Grenzwinkel der Totalreflexion für den Übergang Fensterglas nach Luft. 
  5. Was passiert, wenn Licht unter einem Einfallswinkel von 55° von unten auf eine Wasseroberfläche (Grenzfläche zur Luft) trifft? 
    A) Skizziere den Verlauf des Lichtstrahls in der Seitenansicht in deinem Heft.
    B) Welche Abbildung in der Bildergalerie 3 (Themenseite Optik – www.mathe-physik-technik.de) entspricht diesem Vorgang?   
  6. Was passiert, wenn Licht unter einem Einfallswinkel von 0° von unten auf eine Wasseroberfläche (Grenzfläche zur Luft) trifft? Skizziere den Verlauf des Lichtstrahls in der Seitenansicht in deinem Heft.
  7. Was passiert, wenn Licht unter einem Einfallswinkel von 0° von oben (aus der Luft) auf eine Wasseroberfläche trifft? 
    A) Skizziere den Verlauf des Lichtstrahls in der Seitenansicht in deinem Heft.
    B) Welche Abbildung in der Bildergalerie 3 entspricht diesem Vorgang?   

Optik:

Lichtbrechung (2) - Totalreflexion von Licht [5:05]

Optik - Gezeigt und vorgeführt werden die grundlegenden Zusammenhänge bei der Brechung von Licht. Dabei wird die teilweise Reflexion bei der Lichtbrechung und der Spezialfall der Totalreflexion betrachtet.

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Bildergalerie Optik 3 - Lichtbrechung und Reflexion

Bildergalerie Optik 4 - Lichtbrechung und Reflexion

(Abbildungen mit freundlicher Genehmigung des TECHNOSEUMS Mannheim)



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Weiterführende Links für Interessierte, "Bastler" und Fortgeschrittene:



Hinweis: Es werden keine Bücher oder sonstige, hier benannte Materialien im Unterricht verwendet oder benötigt. 

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