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Optik (3)

 

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  

Teil 2:

Das Spiegelbild  

Gekrümmte Oberflächen  

Wölbspiegel  

Hohlspiegel  

Brechung von Licht (1)  

Brechung von Licht (2)  

Abhängigkeit vom Einfallswinkel  

Brechung von Licht (3)  

Die Totalreflexion  

Optische Abbildungen (1)  

  → Die Lochkamera 

  → Abbildung durch eine Linse  

→ Teil 3:

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. Es sind keine Lösungen zu den Aufgaben enthalten.

Publikationen


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.

Physik: Skriptsammlung




Infotext - Optik (11/12) - Das Spiegelbild und Reflexion an gekrümmten Flächen


Ein Spiegel (von lateinisch speculum „Spiegel, Abbild“, zu lateinisch specere „sehen“) ist eine reflektierende Fläche – glatt genug, dass reflektiertes Licht nach dem Reflexionsgesetz seine Parallelität behält und somit ein Abbild entstehen kann.
 
Eigenschaften des Spiegelbildes
Das Spiegelbild in einem ebenen Spiegel gibt ein wahrheitsgetreues bzw. unverzerrtes Abbild sowohl von Längen als auch von Winkeln. Der Spiegel vertauscht allerdings die ihm zugewandte mit der ihm abgewandten Seite. Dadurch wechselt die ‚Händigkeit‘. Wenn sich der Beobachter in die Lage seines Spiegelbildes versetzen möchte, so erscheint es ihm, als ob rechts und links vertauscht wären – alles erscheint im Wortsinne spiegelbildlich. Es liegt also nahe, die falsche Händigkeit als eine Vertauschung von rechts und links zu interpretieren, was dann zum scheinbaren Widerspruch (Spiegelparadoxon) führt, dass im Gegensatz dazu oben und unten nicht vertauscht wird. Um in diesem Bild zu bleiben, kann man formulieren, dass der Spiegel nicht links und rechts, sondern vorn und hinten vertauscht.
Fällt der Blick über zwei Spiegel auf das Objekt, erscheint es wieder mit richtiger Händigkeit. Dieses Phänomen machen sich Periskope im U-Boot und Spiegelreflexkameras zunutze. Mittels Spiegeln kann man nur durch Verwendung von einer geraden Anzahl Spiegeln im Lichtweg sich selbst so betrachten, wie man von anderen gesehen wird. Planspiegel (ebene Spiegel) liefern ein gleich großes virtuelles Spiegelbild. Tripelspiegel liefern seitenverkehrte, auf dem Kopf stehende Bilder.
 
Besondere Spiegel
  • Wenn die Spiegelfläche nicht eben ist, ist das Spiegelbild verzeichnet. Bei nach außen gekrümmten Spiegeloberflächen (Wölbspiegel oder auch Zerstreuungsspiegel) erscheint das Spiegelbild immer verkleinert. Bekannte Beispiele findet man im Straßenverkehr als Verkehrsspiegel, zur Überwachung de Innenraums in Geschäften oder oft auch an den Kassen. 
  • Mit einer nach innen gekrümmte Spiegeloberfläche (Hohlspiegel) kann hingegen ein vergrößertes Spiegelbild erzielt werden. Hohlspiegel werden unter anderem als Hauptspiegel in Spiegelteleskopen oder als Rasier-/Kosmetikspiegel verwendet. Auch die Satellitenschüsseln für den Fernsehempfang oder Radarantennen funktionieren nach demselben Prinzip, allerdings für die dem Licht verwandten Radiowellen. 
  • Mit welligen Spiegeln können Zerrbilder erzeugt werden, wie man sie in Kuriositäten- oder Lachkabinetten und auf der Kerwe findet.
 
Aus der Geschichte
Der französische Arzt Pierre Borel, Mitglied der Pariser Académie des sciences, setzte im 17. Jahrhundert den Hohlspiegel als medizinisches Untersuchungsinstrument ein. Zum Zwecke der medizinischen Untersuchung und besseren Ausleuchtung von Körperöffnungen konstruierte er einen Hohlspiegel zur Reflexion und Fokussierung des Lichtes auf das zu untersuchende Objekt. Leicht modifiziert werden Hohlspiegel heute noch als Stirnspiegel oder -reflektoren in der medizinischen Diagnostik eingesetzt.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Infotext - Optik (13/14) - Brechung von Licht


Lichtbrechung ist uns aus vielen Bereichen im Alltag bekannt. Sie findet bei allen transparenten Gegenständen statt. In unserem alltäglichen Leben ist besonders Glas ein oft verwendetes Material. Die Brechung von Licht (auch als Refraktion bezeichnet) ist die Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts beim Auftreffen auf ein transparentes Medium (z.B. Glas oder Wasser). Brechung findet aber nicht nur bei Licht statt. Auch Schallwellen, Wasserwellen oder Erdbebenwellen ändern ihre Ausbreitungsrichtung, wenn sie auf ein anderes Medium treffen.
Die Brechung von Licht wird am einfachsten durch die Strahlenoptik beschrieben. An den Grenzen eines transparenten Mediums tritt durch Brechung ein Knick im Strahl auf. Dabei ist der Winkel zwischen dem Lichtstrahl und dem Lot auf beiden Seiten der Grenzfläche beider Materialien (z.B. der Übergang von Luft in Glas) unterschiedlich. Die Richtungsänderung ist umso stärker, je größer der Einfallswinkel ist. Ein Spezialfall ist der senkrechte Einfall des Lichts auf die Oberfläche. Dann erfolgt keine Richtungsänderung, also kein Knick im Lichtstrahl. Weiterhin hängt die Lichtbrechung von der optischen Dichte der Materialen ab. Die optische Dichte eines Materials hängt einerseits von seiner Zusammensetzung ab, andererseits ist bei Luft beispielsweise auch die Temperatur und die spezielle Zusammensetzung der Luft – insbesondere auch die Luftfeuchtigkeit – zu beachten. Die optische Dichte wird oft auch als Brechzahl oder Brechungsindex bezeichnet und ist eine Materialeigenschaft.
 
Wir unterscheiden zwei grundsätzliche Fälle bei der Brechung von Licht:
  1. Der Übergang von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Material. Dabei findet Brechung zum Lot hin statt! Der Einfallswinkel ist dann also größer als der Brechungswinkel (=Ausfallswinkel).
  2. Der Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünnes Material. Dabei findet Brechung vom Lot weg statt! Der Einfallswinkel ist dann also kleiner als der Brechungswinkel.
(Beachte: Einfalls- und Brechungswinkel werden immer vom Lichtstrahl zum Lot hin gemessen.)
 
Anwendungen in der technischen Optik
• Als Linsen wird eine Gruppe von speziell geformten Glaskörpern bezeichnet. Sie wirken gezielt auf die Ausbreitungsrichtung von Licht. Dadurch kann die Intensität des Lichts in einem Punkt extrem erhöht werden (Brennglas). Beim Blick durch eine Sammellinse sieht man ein vergrößertes Bild (Lupe). Außerdem lassen sich mit einer Linse Projektionen erzeugen (Diaprojektor, Overheadprojektor, Fotokamera …)
• Teleskope und Mikroskop verwenden Linsensysteme, um weit entfernte oder winzig kleine Objekte zu vergrößern.
• Im menschlichen Auge wird das Licht durch die Brechung an der Hornhaut, an der Augenlinse und dem Glaskörper so gebrochen, dass ein reelles Bild auf der Netzhaut entsteht.
• Brillen und Kontaktlinsen verstärken oder vermindern die Brechung am Auge, um Sehfehler auszugleichen. 
 
Hinweise: 
  • Meistens tritt an der Grenzfläche eines transparenten Körpers zusätzlich zur Brechung auch Reflexion auf, so dass der einfallende Lichtstrahl in zwei Strahlen (einen reflektierten und einen gebrochenen Lichtstrahl) aufgetrennt wird. 
  • Die verschiedenen Farben des Lichts werden unterschiedlich stark gebrochen. Die Abhängigkeit der Brechung von der Farbe des Lichts nennt man Dispersion. Darauf beruht die Eigenschaft eines Prismas, Licht in seine spektralen Bestandteile zu zerlegen.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


  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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Bildergalerie Optik 3 - Lichtbrechung und Reflexion

Infotext - Brechung von Licht (3) - Totalreflexion


Unter der Totalreflexion verstehen wir eine spezielle Situation bei der Brechung von Licht. Dabei betrachten wir den Fall des Übergangs von einem dichteren in ein optisch dünneres Medium. Unter bestimmten Bedingungen verschwindet die Brechung von Licht völlig und das gesamte Licht wird reflektiert, dann spricht man von Totalreflexion. Zur Totalreflexion kommt es, wenn der Lichtstrahl aus dem optisch dichteren Medium kommt und verhältnismäßig flach auf die Grenzfläche trifft. 
Im Experiment kann beobachtet werden, dass bei allmählich flacher werdendem Auftreffen (also größer werdendem Einfallswinkel) des Lichtes an der Grenzfläche dieser Effekt plötzlich auftritt. Der in diesem Moment wirksame Einfallswinkel wird als Grenzwinkel der Totalreflexion bezeichnet. Das Licht tritt nicht mehr größtenteils in das andere Medium über, sondern wird total ins Ausgangsmedium zurückreflektiert (Beim Übergang von Wasser in die Luft beträgt der Grenzwinkel ca. 48,6°.).

 

Vorkommen in der Natur

Das Funkeln geschliffener Diamanten, die „weiße“ Farbe von Zuckerkristallen oder faserigen Stoffen wie Papier – sofern sie nicht von Flüssigkeiten benetzt sind – sind weitestgehend der Totalreflexion zuzuschreiben. Lichtstrahlen dringen in die Materialien ein, verlassen diese aber erst nach einer oder mehreren Totalreflexionen wieder.

 

Technische Anwendungen

Beim sichtbaren Licht ist die optische Dichte der meisten Materialien größer als die der Luft. Dies wird zum Beispiel in Glasfaserkabeln ausgenutzt. Hier tritt die Totalreflexion beim Übergang vom optisch dichteren Medium (Faserkern) zur optisch dünneren Umgebung auf. Diese Umgebung könnte bereits die Luft sein. Oft liegen Glasfaserkabel in einer Umgebung die optisch sehr unterschiedliche Voraussetzungen bieten kann. Deshalb muss dafür gesorgt werden, dass die Umgebung des Glasfaserkabels keinen Einfluss auf die Funktionsweise hat. Um das sicherzustellen bestehen Glasfasern aus einem inneren Faserkern und einer optischen Ummantelung. Diese besteht dann einfach aus einer Glassorte mit einer dünneren optischen Dichte. Das Licht kann dann das optisch dichtere Material im Faserkern nicht mehr verlassen und wird an der Grenzfläche totalreflektiert. Erst am Ende des Glasfaserkabels kann das Licht dann das Kabel wieder verlassen. Licht kann derart nahezu verlustfrei in eine gewünschte Richtung gelenkt werden. Glasfaserkabel können Informationen in Form des Lichtes so bis zu 20.000 Meter weit transportieren, ohne dass eine Verstärkung notwendig wird.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


  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 4 - Lichtbrechung und Reflexion

(Abbildungen mit freundlicher Genehmigung des TECHNOSEUMS Mannheim)


Infotext - Lochkamera


Einfache Formen optischer Abbildungen finden sich bereits in der freien Natur: So nehmen Lichtflecken, die unter einem löchrigen Blätterdach am Boden sichtbar sind, nicht die Form der Löcher, sondern die der Lichtquelle an. Das heißt, bei Sonnenschein sind sie im Normalfall rund. Diese kreisrunden bis ellipsenförmigen hellen Lichtflecken werden als Sonnentaler oder Sonnenkringel bezeichnet. 
Eine optische Abbildung entsteht in der Physik durch die Erzeugung eines Bildpunkts von einem Gegenstandspunkt durch Vereinigung von Licht, das vom Gegenstandspunkt ausgeht, mittels eines optischen Systems. Das Bild ist die Gesamtheit aller einzelnen Bildpunkte, die alle Gegenstandspunkte repräsentieren. Kann das Bild auf einem Schirm aufgefangen werden, so spricht man von einem sogenannten „reellen Bild“.
Hinweis: Der Schattenwurf ist im eigentlichen Sinne keine optische Abbildung. Hier wird ein scharfes Bild dadurch erzeugt, dass von einem Gegenstandspunkt praktisch nur ein Strahl ausgeht, so dass kein optisches System zur Erzeugung der optischen Abbildung benötigt wird.

 

Mit Hilfe von sehr einfachen Voraussetzungen lassen sich bereits optische Abbildungen erzeugen. Dazu gehören sogenannte „Blenden“, das sind punktförmige Öffnungen durch die das Licht hindurchscheinen kann. Sie lassen sich bereits alleine als optische Systeme für optische Abbildungen verwenden. Dies führt uns in einem ersten Schritt zur Entwicklung der Camera Obscura (lat. camera „Kammer“; obscura „dunkel“): In einem abgedunkelten Raum, dessen eine Wand ein kleines Loch hat, wird auf der Rückseite eine Abbildung der äußeren Realität erzeugt. Hat der dunkle Raum die Größe einer Schachtel, spricht man auch von einer Lochkamera. Die Schemazeichnung auf der Fole oben zeigt exemplarisch zwei Strahlenbündel, die von zwei Punkten eines Gegenstands (hier die Kerzenflamme) in das Loch eintreten. Der kleine Durchmesser der Blende (das Loch) beschränkt die Bündel auf einen kleinen Öffnungswinkel. Strahlen vom oberen Bereich eines Gegenstands fallen auf den unteren Rand der Projektionsfläche, Strahlen vom unteren Bereich werden nach oben weitergeleitet. Jeder Punkt des Gegenstands wird als Scheibchen auf der Projektionsfläche abgebildet. Auf der Rückwand im Inneren der Lochkamera entsteht dadurch ein auf dem Kopf stehendes und seitenverkehrtes Bild. Dieses Bild ist zudem umso heller, je größer das Loch ist. Allerdings nimmt mit zunehmender Größe des Lochs auch die Schärfe des Bildes ab. 

 

Geschichte

Das Prinzip der Lochkamera erkannte bereits Aristoteles (384–322 v. Chr., griech. Universalgelehrter) im 4. Jahrhundert v. Chr. Vom Ende des 13. Jahrhunderts an wurde die Camera obscura  dann von Astronomen zur Beobachtung von Sonnenflecken und Sonnenfinsternissen benutzt, um nicht mit bloßem Auge in das helle Licht der Sonne blicken zu müssen. Roger Bacon (ca. 1220–1292, engl. Naturphilosoph) baute für Sonnenbeobachtungen die ersten Apparate in Form einer Camera obscura. Im 15. Jahrhundert untersuchte Leonardo da Vinci (1452–1519, ital. Universalgelehrter) den Strahlengang und stellte fest, dass dieses Prinzip in der Natur beim Auge wieder zu finden ist.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.



Aufgaben:

  1. Was ist eine „Lochkamera“?
  2. Was benötigst du alles, um eine Lochkamera zu bauen? Notiere alle Bestandteile und bau dir eine Lochkamera selbst, es ist nicht schwer (vgl. Video).
  3. Was versteht man unter einer „Blende“ und welche Funktion erfüllt sie?
  4. Die Abbildung bei einer Lochkamera zeigt eine Besonderheit. Was fällt dir auf beim Betrachten der Abbildung?
  5. A) Was für eine Blende ist für eine sehr scharfe Abbildung notwendig?
    B) Welchen Nachteil beobachtet man bei einer sehr scharfen Abbildung?
  6. Was ist eine „optische Linse“ und welchen Vorteil hat sie beim Erzeugen einer optischen Abbildung?



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Weiterführende Links für Interessierte, "Bastler" und Fortgeschrittene:



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Quellenangaben zu den Inhalten auf dieser Seite


Infotext ([11/12] Spiegelbilder)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Spiegel, Konvexspiegel und Hohlspiegel aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
Bildquellen: (beide Bilder) von Pixabay, Verkehrsspiegel:succo, Landschaftsbild: srkcalifano (Großer Teton, wyoming)


Infotext ([13/14] Brechung von Licht)

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Infotext ([15] Totalreflexion)

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Infotext ([16] Lochkamera)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Lochkamera, Optische_Abbildung, Camera obscura, Roger Bacona und Sonnentaler aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.