Optik
1. Was untersucht die physikalische Optik?
Lösung:
Die physikalische Optik befasst sich mit den Welleneigenschaften des Lichts. Sie untersucht
- die Natur des Lichts
- den Ursprung des Lichts
- die Ausbreitung des Lichts
- Reflexion und Brechung des Lichts
- Interferenz des Lichts durch Reflexion und Beugung
- Dispersion des Lichts
- Polarisation des Lichts
Licht ist elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im Vakuum (in Luft) von 380nm bis 760nm (7.8·1014Hz bis 3.8·1014Hz). Die Phasengeschwindigkeit des Lichts im Vakuum (in Luft) ist c = 3·108m·s-1. In anderen Stoffen gilt v < c.
- Lichtquelle: Ein Körper, der elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen λ = 380nm – 760nm aussendet.
- Lichtdetektor: Ein Gerät zum Empfang und zur Registrierung von Licht
- Optisches Medium: transparent, lichtundurchlässig, durchscheinend, homogen.
- Ausbreitung des Lichts: In einem homogenen Medium breitet sich Licht geradlinig aus.
- Fermatsches Prinzip: Wenn ein Lichtstrahl zwischen zwei Punkten verläuft, wählt er immer den Weg, für den die Laufzeit am kürzesten ist.
- Prinzip der Unabhängigkeit der Strahlen: Wenn sich zwei Lichtstrahlen schneiden, beeinflussen sie einander nicht und breiten sich im Medium unabhängig voneinander aus.
2.In welcher Zeit gelangt das Licht von Mond und Sonne zur Erde? Die Entfernung Mond – Erde ist 384,450 km und die Entfernung Sonne – Erde ist 150,000,000 km.
Lösung:
Analyse:
Das Licht legt die Strecke vom Mond zur Erde in 1.28 Sekunden zurück, von der Sonne zur Erde in 8.33 Minuten.
3.Licht legt im Vakuum in 0.1335 Sekunden eine Strecke zurück, die der Länge des Äquators entspricht. Bestimme den Radius der Erde.
Lösung:
Analyse:
t = 0.1335s, c = 3·108m·s-1, R = ?
Der Radius der Erde ist R = 6378 km.
4.Sirius A, der hellste Stern an unserem ganzen Himmel, ist 8.69 Lichtjahre von uns entfernt. Wie viele Meter sind das?
Lösung:
Analyse:
Ein Lichtjahr (l.y) ist die Strecke, die das Licht im Vakuum in einem Jahr zurücklegt.
1(l.y) = c·t
1(l.y) = 3·108m·s-1(60·60·24·365.25)s = 9.467·1015m
s = 8.69·1(l.y)
s = 8.69·9.467·1015m = 82.27·1015m = 8.227·1016m
s = 8.227·1016m
Der Stern Sirius A befindet sich in einer Entfernung s = 8.227·1016m von uns.
5.Wie hoch ist ein Baum, der einen 36m langen Schatten wirft, wenn die Sonnenhöhe α = 240 ist? Wie lang ist der Schatten eines 44.52m hohen Gebäudes zur selben Zeit?
Lösung:
Analyse:
α = 240, t = 36m, x = ? v = 44.52m, y = ?
Der Baum ist 16m hoch. Das Gebäude wirft einen 100m langen Schatten.
6. Astronomen haben festgestellt, dass pro Minute 2·10-18kg Licht auf die Erde pro 1m2 fällt. Wie viele Kilogramm Licht fallen in einem Jahr auf unseren Planeten? R = 6378km = 6.378·106m. 1 Jahr = 31557600s.
Lösung:
Analyse:
1 Jahr = 31557600s, m = 2·10-18kg·m-2·min-1
Pro Minute: m = 2·10-18kg·m-2·min-1
Pro Sekunde: m‘ = 3.33·10-20kg·m-2·s-1
Oberfläche der Erde: S = 4π·R2= 12.56·(6.378·106m)2 = 510.9·1012m2
Masse des Lichts auf der Erdoberfläche pro 1s: m‘‘ = 510.9·1012m2·3.33·10–20kg·m-2·s-1
m‘‘ = 1701·10-8kg·s-1
Masse des Lichts auf der Erdoberfläche in einem Jahr: M = 1701·10-8kg·s-1·(60·60·24·365.25)s = 537kg
In einem Jahr fallen 537kg Licht auf die Oberfläche unserer Erde.