Argumente gegen Mikrowelle: ungleichmäßige Erwärmung (Hot Spots), ungeeignetes Geschirr/Kunststoffe können problematisch sein (Weichmacher). 8 Sender: erzeugt ein hochfrequentes elektromagnetisches Signal (Träger- Schwingung) und moduliert es so, dass sie die Information trägt. Antenne: wandelt das elektrische Signal in eine elektromagnetische Welle um und strahlt diese ab. (2,4 bis 2,48 GHz) Empfänger: Empfangsantenne nimmt die Welle auf ⇒ es entsteht ein elektrisches Signal, das anschließend demoduliert/rekonstruiert wird, sodass die ursprünglichen digitalen Daten (Datenbits) wiederhergestellt werden. 9 UV-Strahlung wird nach Wellenlänge eingeteilt: UV-A, UV-B, UV-C; eine ausführliche Beschreibung findest du im digitalen Zusatzmaterial. 10 Röntgenstrahlen haben ein hohes Durchdringungsvermögen, werden aber je nach Material unterschiedlich stark absorbiert. Knochen enthalten u.a. Kalzium (höhere Ordnungszahl) und absorbieren Röntgenstrahlen stärker als Weichteile. Deshalb erscheinen Knochen im Röntgenbild als „Schatten“. Warum zu viel gefährlich ist: Röntgenstrahlung ist eine kurzwellige, energiereiche Strahlung und wirkt ionisierend. Sie kann Zellen schädigen, weshalb Strahlenschutz und sparsame Exposition wichtig sind. 11 + 12 + 13 Beispielantworten im digitalen Zusatzmaterial Rechenaufgaben 1 λ = c _ f = 3·10 8 m/s __ 99,9·10 6 s −1 = 3 _ 0,999 m≈3m Ein 99,9MHzSender liegt mit einer Wellenlänge von etwa 3m im UKW-Radiowellenbereich (FM-Rundfunk). 2 f = 1 __ 2π· √ _ LC = 1 _____ 2π· √ __________________ (10 −5 Vs/A)·(2·10 −10 As/V) = 1 __ 2π· √ _2 ·10 −15 s −1 f ≈ 1 __ 2π·4,47·10 −8 Hz ≈ 3,56·10 6 Hz 3 f = 1 __ 2π √ _ LC ⇒ L = 1 __ (2πf)2 C L = 1 _____ (2π·728·10 3 s −1) 2·(365·10 −12 As/V) ≈ 1,31·10 −4 V·s/A (H) 4 f = 1 __ 2π √ _ LC ⇒ f ∝ 1 _ √ _ C Wenn die Kapazität halbiert wird Cʹ = C/2, dann gilt: fʹ _ f = 1/ √ __ Cʹ _ 1/ √ _ C = √ __ C _ Cʹ = √ ___ C _ C/2 = √ _ 2≈ 1,414 Prozentuale Erhöhung: Δ % ≈ (1,414 − 1)·100 % ≈ 41,4 % Licht 1 Reflexion und Brechung, S. 69 Teste dein Wissen 1 Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist a) größer als in Materie. 2 Rotes Licht ist in Materie a) schneller als violettes Licht und wird daher b) schwächer gebrochen (violettes Licht wird stärker gebrochen). 3 Voraussetzungen für Totalreflexion: 1. Licht muss vom optisch dichteren Medium ins optisch dünnere übergehen, also von größerer Brechzahl n 1 zu kleinerer Brechzahl n 2. 2. Der Einfallswinkel im dichteren Medium ist größer als der Grenzwinkel β G. Mit dem Brechungsgesetz: sinα _ sinβ = n Beim Grenzfall läuft der gebrochene Strahl parallel zur Grenzfläche, also α = 9 0 ∘ und mit α = 9 0 ∘ ⇒ sin90 ∘ = 1folgt für den Grenzwinkel β G: 1 _ sinβ G = n ⇒ sinβ G = 1 _ n ⇒ β G = arcsin( 1 _ n )Totalreflexion gibt es also nur, wenn n > 1. 4 Optische Instrumente (z. B. Brillen, Lupen, Mikroskope, Fernrohre, Projektoren) dienen dazu, Bilder zu erzeugen und Gegenstände vergrößert/verkleinert, aufrecht/verkehrt oder seitenrichtig/seitverkehrt darzustellen. Sie helfen, sehr kleine oder sehr weit entfernte Dinge besser zu sehen. 5 Das Auge kann scharf stellen, weil die Augenlinse ihre Krümmung mithilfe des Ziliarmuskels ändern kann. Dadurch ändert sich die Brennweite und das Bild wird jeweils auf der Netzhaut scharf abgebildet. Diese Fähigkeit heißt Akkommodation (ungefähr von 10 cm Nahpunkt bis „unendlich“ scharf). 6 In einem Prisma wird Licht gebrochen. Dabei werden verschiedene Farben unterschiedlich stark gebrochen (weil die Brechzahl vom Material und von der Lichtfarbe/Frequenz abhängt). Daher fächert ein Prisma weißes Licht in die Spektralfarben (Rot bis Violett) auf. Dabei wird Rot am schwächsten und Violett am stärksten gebrochen. 7 Man lässt das Licht (oder das von der Farbe kommende Licht) durch ein Prisma laufen: – Reine Spektralfarbe (monochromatisch): wird nicht weiter aufgefächert, bleibt „eine Farbe“. – Farbmischung (polychromatisch): wird im Prisma in mehrere Farben zerlegt (Spektrum). 8 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 9 Die Dioptrie (dpt) ist die Einheit der Brechkraft D einer Linse: D = 1 _ f wobei f die Brennweite in Metern ist. Einheit: 1 dpt = 1 m−1 Für Sammellinsen ist D > 0, für Zerstreuungslinsen D < 0. 10b) subtraktive Farbmischung 11 Der Vierfarbendruck arbeitet mit Cyan (C), Magenta (M), Gelb (Y) und Schwarz (K). Durch Übereinanderdruck (unterschiedliche Intensitäten/Rasterung) werden Farbanteile des Lichts subtraktiv herausgefiltert, sodass (nahezu) alle Farbtöne erzeugt werden können. Schwarz (K) dient u.a. für Kontrast und tiefe Dunkelwerte. 12 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial Rechenaufgaben 1 Farbe Rot Gelb Grün Violett λ Luft 700 nm 600 nm 500 nm 400 nm λ Wasser 525 nm 450 nm 375 nm 300 nm λ Glas 467 nm 400 nm 333 nm 267 nm 2 ausführliche Antwort im digitalen Zusatzmaterial Brennweiten: Alex: Rechts: D = −8 ⇒ f R = 1 _ − 8 m = −0,125 m = −12,5 cm, Links: D = −10 ⇒ f L = 1 _ − 10 m = −0,10 m = −10 cm Mutter: Rechts: D = +0,5 ⇒ f R = 1 _ 0,5 m = 2 m, Links: D = +1,5 ⇒ f L = 1 _ 1,5 m ≈ 0,67m 3 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 2 Beugung und Interferenz des Lichts, S. 79 Teste dein Wissen 1 Für die Wellennatur des Lichts sprechen Phänomene, die nur mit Wellen erklärbar sind, Beispiele dazu im digitalen Zusatzmaterial. 2 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 3 Ein Strichgitter hat viele parallele Spalten im Abstand d (Gitterkonstante). An jedem Spalt wird Licht gebeugt, wobei sich Teilwellen überlagern. In bestimmten Richtungen kommt es zu konstruktiver Interferenz (helle Maxima). Für die Maxima gilt: sinφ = k λ _ d (k = 0, 1, 2, …) Da jede Spektralfarbe eine andere Wellenlänge λ hat, liegen die Maxima für Rot, Grün, Blau bei unterschiedlichen Winkeln φ. Dadurch entsteht links und rechts vom weißen Maximum nullter Ordnung (Hauptmaximum) ein „Gitterspektrum“. 4 Man richtet einen Laser auf eine Wand und hält ein Haar in den Strahl. Statt eines Punktes sieht man ein Beugungsmuster (helle/dunkle Streifen). Ein Haar wirkt wie ein sehr schmales Hindernis (Beugung ähnlich wie am Spalt). Eine ausführliche Beschreibung findest du im digitalen Zusatzmaterial. 5 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 6 Es ergibt sich ein (minimaler) auflösbarer Sehwinkel von etwa 1ʹ (Winkelminute). Das entspricht etwa 1mm aus 6m Entfernung, weitere Informationen dazu im digitalen Zusatzmaterial. 7 Erzeugen (2 typische Wege): 1. Polarisationsfilter (Polfilter): Ein Filter lässt nur die Feldkomponente durch, die parallel zur Durchlassrichtung schwingt dahinter ist das Licht linear polarisiert. 2. Reflexion an Glas/Wasser: Reflektiertes Licht wird bei geeignetem Einfallswinkel linear polarisiert. Bei Glas beträgt dieser Winkel etwa 5 7∘. Nachweisen kann man linear polarisiert Licht, indem man einen zweiten Polfilter als Analysator nimmt und ihn dreht. Dabei ändert sich die Helligkeit und bei gekreuzten Filtern (90°) wird es (nahezu) dunkel. 8 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 9 Polaroidbrillen enthalten Polarisationsfilter. Licht, das an glatten Flächen (z. B. Wasser, Straße) reflektiert wird, ist oft teilweise polarisiert und verursacht starke Blendung. Eine Polaroidbrille ist so orientiert, dass sie diese Polarisationsrichtung stark abschwächt Reflexe/Blendung werden reduziert (z. B. beim Blick auf Wasser). 10 Warum ist der Himmel blau? Das Sonnenlicht wird von den kleinen Teilchen der Atmosphäre (z. B. Stickstoff, Sauerstoff) gestreut. Da blaues Licht viel stärker gestreut wird als rotes und dadurch eine geringere Eindringtiefe hat, verteilt es sich am Himmel in alle Richtungen. Wenn wir nach oben schauen, sehen wir dieses allgegenwärtige Streulicht als Himmelsblau. Wie entsteht das Abendrot? Bei Sonnenuntergang muss das Licht einen viel längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen (ca. 300km). Auf dieser Strecke wird das blaue Licht fast vollständig weggestreut. Übrig bleibt fast nur das rote Licht, das eine viel höhere Eindringtiefe hat und uns daher noch erreicht. 11 Möglichkeit 1: Prisma (Dispersion), Möglichkeit 2: Beugungsgitter (Interferenz), weitere Informationen im digitalen Zusatzmaterial 12 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial Rechenaufgaben 1 s _ a = k·λ _ d (k = 0, 1, 2, 3…) Umgestellt nach der Wellenlänge ergibt sich für k = 1: λ = s·d _ a ⇒ (3,25·10 −2 m)(1·10 −4 m) ____ 5 m = 3,25·10 −6 __ 5 = 6,5·10 −7 m 132 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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