Arbeitsblatt: Optik Skript

Natur Technik Optik Skript für Schülerinnen und Schüler Name: Optik Inhaltsverzeichnis 1 Lernziele. 3 2 Glossar. 4 3 Mind-Map5 4 Der Weg des Lichts6 4.1 Lichtquellen 6 4.2 Wie breitet sich Licht aus?7 5 Licht und Schatten10 5.1 Experiment 1 zu Licht und Schatten.12 6 Reflexion. 15 6.1 Reflexionsgesetz.17 6.1.1 Experiment 3 zu Reflexionsgesetz17 6.2 Reflexionsgesetz.18 6.3 Bildentstehung am ebenen Spiegel21 Aufgabe Spiegelbild.21 6.4 Gekrümmte Spiegel 22 6.5 Experiment: Reflexion an gewölbten Spiegeln24 7 Lichtbrechung. 25 7.1 Experiment Wasserstab25 7.2 Experiment Münze 25 7.3 Experiment Lichtbrechung27 7.4 Das Brechungsgesetz.28 7.5 Aufgabe 28 7.6 Totalreflexion 29 8 Linsen. 30 8.1 Experiment «die Sammellinse».30 8.2 Experiment «Die Streulinse».32 8.3 Linsenabbildungen34 9 Vom Lichtstrahl zum Bild.36 9.1 Camera obscura 36 9.2 Wie entstehen Bilder bei der Lochkamera38 10 Optische Anwendungen.39 10.1 Selbstständiger Auftrag39 Natur Technik Biologie 2019 2 Optik 1 Lernziele Für die Prüfun releva nt Lernziele Eigene Lernzielerfass ung Du kannst Beispiele zu natürlichen und künstlichen Lichtquellen nennen. Du kennst den Unterschied zwischen selbstleuchtenden Lichtquellen und beleuchtete Körper. Du erkennst, dass Licht von einem Punkt ausgeht und sich strahlenförmig, geradlinig ausbreitet. Du kannst Schattenbilder von einer oder zwei Lichtquellen zeichnen und kennst den Unterschied zwischen Kern- und Halbschatten. O O Du kannst zeigen, warum ein Gegenstand in einem hellen Raum sichtbar ist. Du kannst den Strahlengang bei der Reflexion von ebenen und gewölbten Spiegeln einzeichnen. Du kannst erklären, was der Brennpunkt ist. Du kennst den Unterschied und die Eigenschaften von konkaven und konvexen Spiegeln. (Brennpunkt) Du kennst das Brechungsverhalten von Lichtstrahlen an der Grenzfläche zweier optischer Medien. (Einfallwinkel Ausfallwinkel, Totalreflexion) Du kannst ein Lichtstrahl beim Durchgang durch ein Prisma richtig einzeichnen. Ich kenne beide Arten von Linsen und kann deren Wirkung beschreiben (konkav, konvex). Ich kann den Strahlengang bei einer konkaven und einer konvexen Linse einzeichnen und die Strahlen richtig beschriften. Du weisst wovon die Schattengrösse abhängig ist. Ich kann die Funktionsweise der Camera Obscura erklären Grundanforderungen Erweiterte Anforderungen Natur Technik Biologie 2019 3 Optik 2 Glossar Hier kannst du dein Wörterverzeichnis erstellen Wort Beispiele/ Seite Definition Natur Technik Biologie 2019 4 Optik 3 Mind-Map Hier kannst du dein Mind Map erstellen OPTI Natur Technik Biologie 2019 5 Optik 4 Der Weg des Lichts 4.1 Lichtquellen Aufgabe zum Licht Überlege dir, was du bereits zu Licht weisst. Folgende Fragen sollen dir dabei helfen: Was ist Licht? Wo kommt es her? Wozu braucht man Licht? Aus was besteht es? Können wir ohne Licht überleben? Versuche alles, was du bereits weisst, in einem Conzept Map darzustellen. Zeichne dieses hier auf das Blatt und versuche dabei möglichst viele Punkte miteinander zu verknüpfen. Natur Technik Biologie 2019 6 Optik Wir unterscheiden natürliche Lichtquellen und künstliche Lichtquellen. Zudem sind nicht alle leuchtenden Körper selbstleuchtend. Die meisten Körper sieht man nur, wenn sie von einer Lichtquelle bestrahlt werden. Aufgabe: Mache jeweils 3 Beispiele zu natürlichen und künstlichen Lichtquellen: Natürliche Lichtquellen: künstliche Lichtquellen: Körper, die kein Licht selbst erzeugen, sondern nur auftreffendes Licht reflektieren, nennt man beleuchtete Körper. Kannst du selbstleuchtende Lichtquellen von beleuchteten Körper unterscheiden? selbstleuchtende Lichtquellen: beleuchtete Körper: . 4.2 Wie breitet sich Licht aus? Das Lichtbündel Licht breitet sich gradlinig nach allen Seiten aus. Durch verschiedene Arten von Blenden lässt es sich bündeln. Der Lichtstrahl Wird ein Lichtbündel durch Lochblenden mit kleiner werdenden Löchern immer weiter eingeengt, so wird es immer schmaler. Wenn du dir vorstellst, dass vor einer Lampe unendlich viele solcher Lochblenden stehen, dann hättest du hinter der letzten Blende ein Lichtbündel, das keinen Durchmesser mehr hätte. Ein solches gedachtes Lichtbündel heisst Lichtstrahl. In Wirklichkeit ist dies nicht zu erreichen. Es bleibt Natur Technik Biologie 2019 7 Optik immer ein Lichtbündel mit einem geringen Durchmesser übrig. Der Lichtstrahl ohne Durchmesser ist also ein physikalisches Modell. Natur Technik Biologie 2019 8 Optik Licht breitet sich geradlinig nach allen Seiten aus Es lässt sich bündeln (Lichtbündel) Aufgabe: Verdeutliche mit Hilfe von Lichtstrahlen, wie sich Licht von den dargestellten Lichtquellen aus ausbreitet! Punktförmige Glühlampe Kerzenflamme Sonne Merksatz: . . Natur Technik Biologie 2019 9 Optik 5 Licht und Schatten Aufgabe: Was ist Schatten? Versuche den Schatten in eigenen Worten zu definieren. . . . Aufgabe Schattengebiete 1 Zeichne in die Skizzen die Schattengebiete ein. Markiere sie. (L Lichtquelle) Aufgabe Schattengebiete 2 Ein Körper wird von zwei punktförmigen Lichtquellen beleuchtet. Zeichne die Schattengebiete (Kernschatten, Halbschatten) ein und markiere sie. Oft sieht man bei Fussballspielen in einem Stadion am Abend von einem Spieler mehrere Schatten. Wieso? Natur Technik Biologie 2019 10 Optik Natur Technik Biologie 2019 11 Optik 5.1 Experiment 1 zu Licht und Schatten Versuch 1 Ziel Licht und Schatten 15 Hypothe se Was denkst du, wovon ist die Schattengrösse abhängig? Du findest heraus, wovon Grösse und Form eines Schattens abhängig ist. Auftrag siehe entsprechende Versuchskarte Aufgabe Konstruiere die Schattenbilder zu den verschiedenen Positionen Beispiel: Beobacht ung Natur Technik Biologie 2019 12 Optik Natur Technik Biologie 2019 13 Optik Natur Technik Biologie 2019 14 Optik 6 Reflexion Lichtstrahlen breiten sich geradlinig aus. Lichtstrahlen, die auf einen Gegenstand fallen, werden zurückgeworfen, man sagt auch, sie werden reflektiert. Die reflektierten Lichtstrahlen erreichen das Auge des Betrachters. So ist der Gegenstand deutlich zu sehen. Hier hast du Platz um die «Reflexion» anhand einer Zeichnung aufzuzeigen. Einfluss der Oberfläche auf die Reflexion Die Oberfläche spielt bei der Reflexion des Lichtes eine wichtige Rolle. Glatte Gegenstände reflektieren das Licht genau in eine Richtung (Direkte Reflexion), während unebene Gegenstände das Licht in alle Richtungen reflektieren (Diffuse Reflexion). Einfluss der Farbe auf die Reflexion Helle Gegenstände reflektieren das Licht viel besser als dunkle Gegenstände. Eigentlich verschlucken (absorbieren) schwarze Gegenstände das Licht, während weisse Gegenstände das Licht vollständig reflektieren. Graue Gegenstände sind eine Mischung zwischen dem Verhalten der schwarzen Gegenstände (Absorption Natur Technik Biologie 2019 15 Optik des gesamten Lichtes) und dem Verhalten von weissen Gegenständen (Totalreflexion des Lichtes) Warum wird Skifahrern dringend geraten Skibrille zu tragen, wenn die Sonne scheint? . . . . Merksatz zu Reflexion: Natur Technik Biologie 2019 16 Optik 6.1 Reflexionsgesetz 6.1.1 Experiment 3 zu Reflexionsgesetz Versuch 3 Ziel Wie man dem Spiegel auf die Schliche kommt 30 ** Hypothes Was denkst du, wie hängen Einfallswinkel und Reflexionswinkel zusammen? Du entdeckst, wie Spiegel Licht umlenken. Auftrag siehe entsprechende Versuchskarte Aufgabe Zeichne den reflektierten Strahl in das untenstehende Schema mit rot ein und Beschrifte den Einfallswinkel , den Reflexionswinkel und das Lot. Verändere den Winkel des Spiegels und miss für Einfallswinkel von 0 bis 80 die dazugehörenden Reflexionswinkel. Notieren die Ergebnisse in der Messwerttabelle. Einfallswinkel 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Reflexionswinkel Natur Technik Biologie 2019 17 Optik Beobacht ung 6.2 Reflexionsgesetz Der Lichtstrahl verlässt die Oberfläche im gleichen Winkel wie er aufgetroffen ist. Das heisst Einfallswinkel ist gleich Ausfallswinkel. Manche der reflektierten Lichtstrahlen gelangen in deine Augen. Dank diesen reflektierten Lichtstrahlen kannst du den Gegenstand sehen. Zeichne in untenstehender Abbildung die Lichtstrahlen gemäss dem Reflexionsgesetz ein. Beschrifte die Skizze mit folgenden Stichworten richtig: Einfallender Stahl, ausfallender Strahl, Einfallswinkel, Ausfallswinkel, reflektierter Strahl Einfallsl ot Spieg el Natur Technik Biologie 2019 18 Optik Aufgabe: Ergänze jeweils den Strahlenverlauf! Licht trifft unter verschiedenen Winkeln auf unterschiedliche Spiegel. a) b) Natur Technik Biologie c) 2019 d) 19 Optik Aufgabe: Spiegellabyrinth In einem Raum sind sechs Spiegel angebracht. Mit einem Scheinwerfer wird durch den Eingang auf den ersten Spiegel geleuchtet. Wo verlässt der Lichtstrahl den Raum. Konstruiere den Strahlengang mit dem Geodreieck! Natur Technik Biologie 2019 20 Optik 6.3 Bildentstehung am ebenen Spiegel In einem Spiegel zeigt sich ein Bild der Gegenstände, die sich vor dem Spiegel befinden. Die entstehende Bild lässt sich zeichnerisch anhand des Reflexionsgesetzes (am besten mit einem Geodreieck) konstruieren. Lichtstrahlen, die von einem Punkt des Gegenstandes G, ausgehen, treffen unter verschiedenen Einfallswinkeln auf den Spiegel und werden nach dem Reflexionsgesetz zurückgeworfen. Ein Teil der Strahlen gelangt in das Auge des Beobachters. Verlängert man diese Strahlen geradlinig nach hinten, so schneiden sie sich in einem Bildpunkt hinter dem Spiegel. Für den Betrachter scheint das ins Auge fallende Licht von diesem Punkt Aufgabe Spiegelbild Stelle eine Playmobilfigur auf einen Lineal und vor einen Spiegel. Konstruiere das Spiegelbild in die untenstehende Grafik! Spiege Natur Technik Biologie 2019 21 Optik 6.4 Gekrümmte Spiegel Gekrümmte Spiegel werden oft eingesetzt, um parallele Lichtbündel «einzuengen» oder «aufzuweiten». Verwendung finden die gekrümmten Spiegel z.B. im Strassenverkehr, wo sie zur Sicherheit dienen. Spiegelformen. Spiegelformen: Gekrümmte Spiegel dienen der Sicherheit im Strassenverkehr. Was denkst du, ist unten auf dem Bild ein konkav oder konvex geformte Spiegel zu sehen? Begründe deine Antwort. . . Natur Technik Biologie 2019 22 Optik . Natur Technik Biologie 2019 23 Optik 6.5 Experiment: Reflexion an gewölbten Spiegeln Versuch 4 Ziel Spieglein, Spieglein an der Wand 30 ** Du entdeckst den Unterschied zwischen ebenen und gewölbten Spiegeln und ihre Anwendungsmöglichkeiten Hypothes Vermute, ob die gekrümmten Spiegel das parallele Lichtbündel einengen oder aufweiten. Auftrag siehe entsprechende Versuchskarte Aufgabe Licht wird an unterschiedlichen Spiegeln reflektiert! Ergänze jeweils den Strahlenverlauf! Wie werden die parallel einfallenden Lichtstrahlen gespiegelt? Hohlspiegel (konkav) Wölbspiegel (konvex) a) c) Natur Technik Biologie 2019 24 Optik Beobacht ung 7 Lichtbrechung 7.1 Experiment Wasserstab Fülle einen Becher mit Wasser und nimm einen Stift. Halte den Stift senkrecht ins Wasser, mache eine Skizze. Führe den Stift leicht schräg ins Wasser ein, mache eine Skizze. Stelle den Stift ganz schräg ins Wasser und mache auch eine Skizze. Schaue horizontal auf den Becher! a) b) c) Beobachtungen: 7.2 Experiment Münze Material: Glas, Münze, Wasser. Natur Technik Biologie 2019 25 Optik Lege die Münze auf einen Tisch. Stelle zuerst das Glas ohne Wasser auf die Münze und betrachte von allen Seiten auf die Münze. Dann stelle das Glas mit Wasser auf die Münze und betrachte wieder von allen Seiten die Münze. Was ist geschehen? Beobachtungen: Natur Technik Biologie 2019 26 Optik 7.3 Experiment Lichtbrechung Versuch 5 Ziel Vom Knick in der Optik Auftrag siehe entsprechende Versuchskarte Aufgabe Lege das Prismenmodell auf die Vorlage und schicke drei Lichtstrahlen in den eingezeichneten Richtungen durch das Prismenmodell und zeichne ihren Weg mit Farbstiften ein. Beobacht ung 40 ** Du erfährst, wie Lichtstrahlen ihre Richtung ändern, wenn sie von einem durchsichtigen Stoff in einen anderen durchsichtigen Stoff übergehen. Natur Technik Biologie 2019 27 Optik 7.4 Das Brechungsgesetz Wie lautet das Brechungsgesetz? Ergänze in der Skizze den Strahlenverlauf! Benenne alle gezeichneten Teile einschließlich der Winkel! Luft Wasser 7.5 Aufgabe Licht trifft auf eine Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Stoffen. Ergänze jeweils den Strahlenverlauf! Begründe ihn! a) Luft Natur Technik Biologie b) Luft c) Luft 2019 28 Optik 7.6 Totalreflexion Beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium kommt es zur Totalreflexion, wenn der Grenzwinkel überschritten wird. Er beträgt gegen Luft bei Wasser 48.5, bei Gläsern 35 42 und bei Diamanten 24. Durch welchen Teil der Wasseroberfläche kann der Delfin sehen? Zeichne die Lichtstrahlen ein! Markiere den betreffenden Teil der Wasseroberfläche farbig! 7.7 Natur Technik Biologie 2019 29 Optik 8 Linsen 8.1 Experiment «die Sammellinse» Versuch 6 Ziel Sammellinse 30 ** Vermutu ng Was denkt du, was passiert mit den einfallenden Lichtstrahlen? Du entdeckst, wie sich der „Knick in der Optik bei Konvexlinsen auswirkt, und weshalb sie „Sammellinsen genannt werden. Auftrag siehe entsprechende Versuchskarte Aufgabe: Zeichne den weiteren Verlauf der 5 parallel einfallenden Lichtstrahlen Beobacht ung Natur Technik Biologie 2019 30 Optik Natur Technik Biologie 2019 31 Optik 8.2 Experiment «Die Streulinse» Versuch 7 Ziel Zerstreuungslinse 20 ** Vermutu ng Was denkt du, was passiert mit den einfallenden Lichtstrahlen? Du entdeckst, wie sich der „Knick in der Optik bei der Konkavlinse auswirkt, und weshalb sie „Streulinse genannt wird. Auftrag siehe entsprechende Versuchskarte Aufgabe: Zeichne den weiteren Verlauf der 5 parallel einfallenden Lichtstrahlen Beobacht ung Natur Technik Biologie 2019 32 Optik t Natur Technik Biologie 2019 33 Optik Man unterscheidet also zwei wesentliche Linsentypen Konvexlinsen, auch . genannt, brechen parallel einfallende Lichtstrahlen so, dass sich die Lichtstrahlen im . kreuzen Konkavlinsen, auch . einfallende Lichtstrahlen so, dass sich genannt, die brechen parallel Lichtstrahlen im Raum . Grösse bei Linsenabbildungen 8.3 Linsenabbildungen Die Gegenstandsgrösse ist die Höhe des Gegenstandes, der abgebildet wird. Die Gegenstandsweite ist der Abstand zwischen dem Gegenstand, der abgebildet wird, und der Linsenebene. Die Bildgröße ist die Höhe des Bildes, wenn dieses scharf abgebildet wird. Natur Technik Biologie 2019 34 Optik Die Bildweite ist der Abstand zwischen dem scharf abgebildeten Bild und der Linsenebene. Linsen besitzen auf beiden Seiten der Linsenebene im Abstand der Brennweite einen Brennpunkt. Man bezeichnet diese mit F1 und F2. Gegenstandsweite Gegenstan ds-grösse Brennweite Bildgrösse Bildweite Aufgabe: Zeichne den Strahlengang ein und zeichne die Bildgrösse Natur Technik Biologie 2019 35 Optik 9 Vom Lichtstrahl zum Bild 9.1 Camera obscura Versuch 8 Ziel Verkehrte Welt 30 ** Du baust eine Lochkamera und kannst herausfinden, wie sie funktioniert. Auftrag siehe entsprechende Versuchskarte Aufgaben: Schaue durch die Kamera das Bild der Kerze an. Was stellst du fest? . . Zeichne in die untenstehende Skizze deine Erkenntnisse ein. untenstehende Skizze deine Erkenntnisse ein. Schaue dir weitere Dinge draussen an. Was Passiert, wenn du die Distanz und den Winkel variierst? Verschiebe auch das Innenrohr. Beobacht zur Distanzveränderung: ung zu unterschiedlichen Winkeln: Natur Technik Biologie 2019 36 Optik Was könnte man tun, damit das Bild scharf wird? Natur Technik Biologie 2019 37 Optik 9.2 Wie entstehen Bilder bei der Lochkamera Warum steht das Bild bei der Lochkamera auf dem Kopf? . . Versuche in der unteren Darstellung diesen Vorgang einzuzeichnen. Das Bild wird als Pfeil (Gegenstand) dargestellt. Gegensta nd Natur Technik Biologie Lochkam era 2019 Abbildung 38 Optik 10 Optische Anwendungen Das Kapitel 7. Optische Anwendungen (im Alltag) bearbeitest du alleine ausserhalb der eigentlichen Unterrichtszeit. Du wählst einen der folgenden Anwendungen aus und betrachtest diesen intensiver. Daraus wird eine Präsentation, die du der Klasse vorstellst. 10.1 Selbstständiger Auftrag Ziel Du erarbeitest eine optische Anwendung selbstständig und kannst dann darüber detailliert Auskunft geben. Auftrag Du arbeitest in Partnerarbeit und stellst deine optische Anwendung mit Hilfe eines Plakates (A3) dem Publikum vor. Optische Anwendung en Inhalt Informiere dich, wie die optische Anwendung aufgebaut ist und welche Linsen wie und wo um Einsatz kommen Stelle einen Querschnitt durch die optische Anwendung auf deinem Plakat grafisch dar (Zeichnung) und zeichne auch den Lichtstrahlengang dazu. Informiere dich, wie die optische Anwendung funktioniert, bzw. warum sie funktioniert Zusatz Lupe/Brille: Stelle die unterschiedlichen Sehhilfen dar und zeige auch, bei welchen Beschwerden sie verwendet werden können Zusatz Menschliches Auge: Dazu gehören auch die Beschwerden, die mit Sehhilfen korrigiert werden können oder auch nicht (inkl. Blindheit). Zusatz Tierische Augen: Zeige auf, welche andern Augenarten in der Natur auch noch vorkommen und zeige ihre Unterschiede zum menschlichen Auge auf. Zeige mindestens 3 andere unterschiedliche Augenarten Plakat Format A3, Zeichnungen: Bilder aus dem Internet erlaubt, wenn sie in genügend grosser Auflösung vorhanden sind und gross aufgeklebt werden können. Auf eine leserliche Handschrift wird Wert gelegt. Abgabeter min Wird noch definiert: Beurteilung Diese Fleissarbeit wird nach Inhalt und Gestaltung beurteilt. Auf Handarbeit wird Wert gelegt. Du musst Mikroskop Fernrohr Dia-Projektor Hellraumprojektor Fotoapparat (Baue dir eine eigene Camera obscura) Lupe Brille Kontaktlinse Menschliches Auge Tierische Augen (Facettenauge, Adlerauge, .) Natur Technik Biologie 2019 39 Optik darauf gefasst sein, Fragen zum „Apparat beantworten zu können. Natur Technik Biologie 2019 40 Optik Heftnote Kriterien sehr gut gut mittel ungenüge (4P) (3P) (2P) nd (1P) Glossar Concept Map Schrift Sauberkeit Skript Aufgaben komplett Zusatzblätter eingeordnet Punkte Note Selbstbeurteilung Markiere mit gelber Farbe die Felder, bei welchen du denkst, dass du sie erreicht hast. Beantworte die folgenden Fragen: Weshalb? Wie interessant fand ich das Thema? Wie gut habe ich das Thema verstanden? Was ist mir noch nicht klar? Wie gut fühle ich mich für die Prüfung vorbereitet? Was hat mir bei den Unterrichtsstunden gefehlt? Natur Technik Biologie 2019 41