SBL Physik Einheit am 22.01.2021 - Bernd Riederer

SBL Physik
Einheit am 22.01.2021

Bernd Riederer

Zusammenfassung Elektrodynamik
Anwendungen

• Wirkungsweiße elektromagnetischer Felder (Lorentzkraft):

 • Elektrisches Feld: Kraft entlang der Feldes

 • Magnetisches Feld: Kraft normal zum Feld und zur Bewegung

• Stromkreis:

 • geschlossener Kreis aus Spannungsquelle, Leiter und Verbraucher

Zusammenfassung Elektrodynamik
 Ohmsches Gesetz und Schaltpläne

 • Ohmsches Gesetz:

 • Verhältnis von Strom zu Spannung ist konstant

 U
 • De nition von Widerstand: R = ; [R] = Ω … Ohm
 I

 • Schaltplan:

 • Schematische Darstellung von Stromkreisen mit genormten Symbolen
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Zusammenfassung Elektrodynamik
Schaltpläne & Kirchho sche Regeln

 • Wichtig zur Berechnung der richtigen Ströme an Verbrauchern

• Kirchho sche Regeln:

 • Beschreiben Strom uss und Spannungsabfall in Stromkreisen

 • Knotenregel: Ein ießender Strom an Knoten = Aus ießender Strom

 • Maschenregel: Spannungsabfall ist in jedem geschlossenem Kreis der selbe
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Zusammenfassung Elektrodynamik
Stromerzeugung & Elektromotor

• Verwendung/Erzeugung von Strom zur Erzeugung/durch Verwendung
 mechanischer Arbeit

• Grundprinzip:

 • Kombination aus Spulen und Magneten

 • Durch Bewegung einer der Komponenten wird Strom erzeugt (Induktion)

 • Einfachster Fall: Wechselstrom aufgrund von ändernder Magnetpolung

Zusammenfassung Elektrodynamik
Elektromagnetische Wellen

• Schwingende EM-Feldstärken (keine Materieschwingung)

• Benötigt keine Materie zur Ausbreitung (Vakuum, Weltall, …)

• Erzeugung und Verwendung:

 • Schwingkreis aus Kondensator und Spule → Magnetfeld startet Welle

 • Datenübermittlung durch Frequenz- oder Amplituden-Modulation

Fragen zur letzten Einheit?

6) Optik

• Lehre des Lichts

• Beschreibung der Ausbreitung und Wirkung

• Bisher: Licht ist elektromagnetische Welle

• Andererseits: Photonen sind Lichtteilchen

• Was ist Licht wirklich?

6.1) Wellenoptik & Welle-Teilchen-Dualismus

• Annahme im antiken Griechenland:

 • Auge sendet Sehstrahlen aus welche re ektiert werden (vgl. Echolot)

 • Licht und Helligkeit ist immer da

• Etwas muss auf unser Auge tre en!

 • Was tri t auf unser Auge?

 • Wie schnell bewegt es sich auf unser Auge zu?
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Geschwindigkeit

• 4 Möglichkeiten:

 • Welle oder Teilchen + endliche oder unendliche Geschwindigkeit

• Geschwindigkeit des Lichts

 • Grundsätzlich spricht nichts gegen unendlich

 • Wie kann man das messen/heraus nden?

 • 17 Jhdt.: Ole Rømer beobachtet Ver nsterung von Jupitermonden
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Geschwindigkeit

• Abhängig von Abstand Erde-Jupiter “verschwindet” der Mond früher/später

 • Längerer Weg für das Licht → Längere Zeit → Geschwindigkeit ist endlich!

 6 km
 • Sein Wert: cLicht,Ole ≈ 2.3 ⋅ 10
 s

 m km
 Quelle: https://www.jagranjosh.com/general-knowledge/roemers-
 determination-of-speed-of-light-1481101968-1
 6
• Heute: cLicht = 299 792 458 ≈ 3 ⋅ 10
 s s

• Abhängig von Medium (im Vakuum am schnellsten) und Art/Farbe

Bescha enheit von Licht

 • Lange Geschichte seit 17. Jhdt. ob Welle oder Teilchen

 • Untersuchung unterschiedlicher Eigenschaften

 Eigenschaft Welle Teilchen

 (erster) Vertreter Huygens Newton

 Ausbreitung

 Re exion

 Brechung/
 Selbstwechselwirkung
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Eigenschaft Welle Teilchen
 Ausbreitung von Licht
 (erster) Vertreter Huygens Newton

 Ausbreitung 0 1

 • Licht breitet sich geradlinig aus Re exion

 Brechung/
 • Teilchenmodel: Selbstwechselwirkung

 • Strahl von Teilchen

 • Wellenmodel:

 • Wellenfronten
 Quelle: https://www.licht.de/ leadmin/bildarchiv/bilder/
 04_Gra ken/Lichtlehre/16_lw01_09_LI_Modelle_Licht.jpg

 • Problem: Ausbreitung um Ecken (vgl. Schalwellen) nicht realistisch
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Eigenschaft Welle Teilchen
 Re exion
 (erster) Vertreter Huygens Newton

 Ausbreitung 0 1

 • Licht wird an Ober ächen re ektiert Re exion 1 1

 Brechung/
 • Teilchenmodel: Selbstwechselwirkung

 • Teilchen wird zurückgeworfen (vgl. Ball gegen Wand)

 • Wellenmodel:

 • Beschreibung möglich (siehe Echo von Schalwellen)

 • Spezialfall: Streuung (di use Re exion) auch möglich
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Eigenschaft Welle Teilchen
 Brechung/Selbstwechselwirkung
 (erster) Vertreter Huygens Newton

 Ausbreitung 0 1

 • Brechung bezeichnet die Änderung der Richtung Re exion 1 1
 des Lichtstrahls beim Übergang zwischen Medien Brechung/
 1
 Selbstwechselwirkung

 • Beispiel: Übergang von Wasser → Glas → Luft

 • Wellenmodel:

 • Aufteilung in re ektierte und einfallende Welle
 Quelle: https://www.lei physik.de/optik/lichtbrechung/versuche

 • Analog dazu: Wasserwelle in unterschiedlich tiefen Wasserstellen
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Eigenschaft Welle Teilchen
 Brechung/Selbstwechselwirkung
 (erster) Vertreter Huygens Newton

 Ausbreitung 0 1

 • Teilchenmodel: Re exion 1 1

 Brechung/
 1 0.5
 • Teilchen werden an Materialgrenze von Atomen Selbstwechselwirkung

 angezogen → Richtungsänderung

 • Geschwindigkeit höher im Material

 • Problem: Selbstwechselwirkung
 Quelle: https://www.lei physik.de/optik/lichtbrechung/versuche

 • Starke Lichtstrahlen sollten kollidieren und sich ablenken
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Bescha enheit von Licht

 Eigenschaft Welle Teilchen

 (erster) Vertreter Huygens Newton

 Ausbreitung 0 1

 Re exion 1 1

 Brechung/
 1 0.5
 Selbstwechselwirkung

 • Teilchentheorie gewinnt (vorerst)

 • Ende 18. Jhdt.: Messung von Lichtgeschwindigkeit in Materialien

 • Langsamer und somit Teilchentheorie unbrauchbar → Wellentheorie
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Bescha enheit von Licht

• Außerdem: Doppelspaltexperiment

 Quelle: https://www.lei physik.de/optik/wellenmodell-des-lichts/grundwissen/licht-als-welle

 • Interferenzmuster beobachtet → Wellenmodel
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Bescha enheit von Licht

 • Mitte 19. Jhdt.: James Clerk Maxwell formuliert die Theorie der EM-Wellen

 • Einige Jahre später:

 • Verbindung zu Lichtwellen mittels Experimenten stark unterstützt

 • Geschwindigkeiten stimmen überein

 • Die nale Entscheidung:
 Quelle: https://physicsmasterclasses.org/
 exercises/bonn2/de/inhalt-3.2.2.html

 • 20. Jhdt.: Einstein beobachtet Photoe ekt → Teilchencharakter
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Was ist es nun?

• Lösung: Es ist sowohl Welle als auch Teilchen

• Startpunkt der Quantenmechanik

• Versuch der Veranschaulichung:
 Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Travelling_Particle_Wavepacket.svg

• Abhängig von Prozess (mikro- oder makroskopisch) unterschiedliche Eigenschaften

Frequenzspektrum

• Unterschiedliche Frequenzen → unterschiedliche Energien/Informationen

• Sichtbarer Bereich: Auge kann bestimmte Frequenzen/Energien verarbeiten

• Niedrige Frequenzen: Telekommunikation (letzte Einheit)

• Mikrowelle & Infrarot: Schwingungsfrequenz von Moleküle → Wärmestrahlung

• Hohe Frequenzen: Hochenergie-Bereiche

 Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EM_Spectrum_Properties_edit.svg

6.2) Geometrischee Optik

• Auch genannt Strahlenoptik

• Nutzt (beinahe) geradlinige Ausbreitung des Lichts zur Bestimmung von Weg

• Komplett geometrische Konstruktion möglich

• Beschreibung anhand 3 Punkte +1:

 • Ausbreitung, Re exion, Brechung

 • Interaktion mit Linsen (z.B. Lupe)
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6.2.1) Ausbreitung

• Licht breitet sich geradlinig in alle Richtungen von
 Punktquelle aus

• Erstes Beispiel: Schatten

• Zweites Beispiel: Blende Quelle: https://www.lei physik.de/optik/lichtausbreitung/
 grundwissen/schatten

• Strahlensatz: Verhältnis von Breite des Strahlenbündels B
 zum Abstand g ist konstant
 B
 = const .
 g Quelle: https://www.lei physik.de/optik/lichtausbreitung/
 grundwissen/strahlensatz
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6.2.2) Re exion

• Annahmen:

 • Einfallswinkel = Ausfallswinkel gemessen
 am Lot

 • Einfallsstrahl, Ausfallstrahl und Lot liegen
 in einer Ebene

 • Vergleich mit Re exion von Ball an Wand Quelle: https://www.lei physik.de/optik/lichtre exion/grundwissen/re exionsgesetz
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Spiegel

 • Re exion ist Grundprinzip eines Spiegels

 • Licht wird von Spiegel re ektiert

 • Virtueller Bildpunkt “im Spiegel” entsteht

 • Abstände und Höhe bleiben erhalten

 • Richtung ändert sich (links/rechts)
 Quelle: https://www.lei physik.de/optik/lichtre exion/grundwissen/spiegelbild-fortfuehrung
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6.2.3) Brechung

• An Grenz ächen zweier Medien kommt es zur Brechung

• Abhängig von der optischen Dichte wird:

 • von dünn zu dicht: zum Lot hingebrochen

 • von dicht zu dünn: vom Lot weggebrochen

• Totalre exion: vollständige Re exion ab gewissen Winkel

 • Nutzung: Glasfaserkabel Quelle: https://www.lei physik.de/optik/lichtbrechung/
 grundwissen/lichtbrechung-einfuehrung
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6.2.4) Optische Linsen

• Diverse Möglichkeiten:

 • Abhängig von Form der Linse

 • Nutzt Brechung

• Viele Animationen auf

 • https://www.lei physik.de/optik/optische-linsen
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