Ein Laserstrahl trifft unter 40° zum Lot schräg auf eine Glasfläche. Unter welchem Winkel zum Lot läuft er im Glas weiter?

Erklärung: Beim Übergang vom optisch dünneren Medium (Luft) ins optisch dichtere Medium (Glas) wird der Strahl zum Lot hin gebrochen — der Brechungswinkel ist kleiner als der Einfallswinkel. 40° hieße gar keine Brechung, 55° wäre vom Lot weg.

Eine Taucherin richtet ihre Lampe schräg nach oben zur Wasseroberfläche. Beim Austritt in die Luft knickt der Strahl vom Lot weg.

Erklärung: Richtig — beim Übergang vom optisch dichteren Medium (Wasser) ins optisch dünnere Medium (Luft) wird der Strahl vom Lot weg gebrochen. Der Brechungswinkel ist größer als der Einfallswinkel.

Drei Glaskörper liegen auf dem Tisch. Mit welchem kannst du Sonnenlicht in einem hellen Punkt auf einem Blatt Papier bündeln?

Erklärung: Das ist eine Sammellinse (konvexe Linse) — in der Mitte dicker als am Rand. Sie bündelt parallel einfallende Sonnenstrahlen im Brennpunkt F. Die randdicke Linse zerstreut das Licht, die Glasplatte lässt es parallel weiterlaufen.

Der Abstand zwischen dem Mittelpunkt einer Sammellinse und ihrem Brennpunkt heißt ___.

Erklärung: Die Brennweite f ist der Abstand zwischen der Linsenmitte und dem Brennpunkt. Sie ist eine wichtige Kenngröße jeder Linse.

Ein Brillenglas ist in der Mitte dünner als am Rand. Was macht es mit einem parallelen Laserstrahl-Bündel?

Erklärung: Ein in der Mitte dünnes Glas ist eine Zerstreuungslinse (konkave Linse). Sie zerstreut parallele Lichtstrahlen, sodass sie scheinbar von einem virtuellen Brennpunkt vor der Linse kommen.

Das Bild, das ein Beamer an die weiße Wand wirft, ist ein reelles Bild.

Erklärung: Richtig! Die Lichtstrahlen treffen sich tatsächlich an der Wand — deshalb lässt sich das Bild dort auffangen. Genau das ist das Kennzeichen eines reellen Bildes.

Mit einer Sammellinse (Brennweite 10 cm) willst du ein verkleinertes, umgekehrtes Bild einer Kerze auf einem Schirm auffangen. Wo muss die Kerze stehen?

Erklärung: Ist der Gegenstand mehr als zwei Brennweiten (hier 20 cm) von der Linse entfernt, entsteht auf der anderen Seite ein reelles, verkleinertes, umgekehrtes Bild — so funktioniert eine Kamera. Bei 10 cm (im Brennpunkt) entsteht gar kein Bild, bei 5 cm nur ein virtuelles, vergrößertes.

Ein kleines Lämpchen steht genau im Brennpunkt einer Sammellinse (f = 5 cm). Was findest du, wenn du hinter der Linse einen Schirm hin- und herschiebst?

Erklärung: Steht der Gegenstand genau im Brennpunkt, verlaufen die gebrochenen Strahlen parallel zueinander. Sie treffen sich in keinem Punkt — auf keinem Schirmabstand entsteht ein Bild.

Du benutzt eine Linse mit Brennweite 6 cm als Lupe und willst eine Briefmarke aufrecht und vergrößert sehen. In welchem Abstand vor der Linse hältst du die Briefmarke?

Erklärung: Nur wenn der Gegenstand näher als der Brennpunkt steht (hier näher als 6 cm), entsteht ein virtuelles, aufrechtes, vergrößertes Bild — das Prinzip der Lupe. Bei genau 6 cm entsteht kein Bild, bei 15 cm ein umgekehrtes reelles.

Eine Sammellinse wirft ein scharfes Bild einer Kerze auf einen Schirm. Du klebst die untere Hälfte der Linse mit Papier ab. Was passiert mit dem Bild?

Erklärung: Jeder Bildpunkt entsteht aus einem breiten Strahlenbündel, das durch die ganze Linse läuft. Deckt man die halbe Linse ab, sammelt jeder Bildpunkt weniger Licht — das vollständige Bild bleibt, nur dunkler. Kein Bildteil fällt weg.

Die Sammellinse im Auge fokussiert das Licht auf die ___.

Erklärung: Die Augenlinse bündelt das einfallende Licht so, dass auf der Netzhaut (Retina) ein scharfes, reelles, umgekehrtes Bild entsteht. Gedreht wird dabei nichts — das Gehirn hat gelernt, das Netzhautbild richtig zu deuten.

Jonas liest Bücher mühelos, erkennt aber Gesichter auf dem Pausenhof erst aus der Nähe. Wo entsteht in seinem Auge das Bild der fernen Gesichter?

Erklärung: Jonas ist kurzsichtig: Der Augapfel ist zu lang oder die Brechkraft zu groß, das Bild ferner Gegenstände entsteht vor der Netzhaut und ist dort schon wieder unscharf. Korrektur: Zerstreuungslinse (Minusglas).

Opa hält die Zeitung auf Armlänge von sich weg — erst dann werden die Buchstaben scharf. Welches Brillenglas braucht er zum Lesen?

Erklärung: Opa ist weitsichtig — die Brechkraft seines Auges reicht für die Nähe nicht, das Bild würde hinter der Netzhaut entstehen. Eine Sammellinse (Plusglas) verstärkt die Brechung und verlagert das Bild auf die Netzhaut.

Du betrachtest eine Kirchturmspitze. Auf deiner Netzhaut zeigt die Spitze nach unten.

Erklärung: Richtig! Die Augenlinse erzeugt ein reelles, umgekehrtes, verkleinertes Bild auf der Netzhaut — die Spitze landet unten. Das Gehirn verarbeitet das Signal so, dass wir die Welt trotzdem aufrecht wahrnehmen.

Ein Lichtstrahl trifft senkrecht auf eine Glasplatte. Was passiert?

Erklärung: Bei senkrechtem Einfall (Einfallswinkel = 0°) findet keine Brechung statt — der Strahl geht geradlinig durch die Grenzfläche. Gebrochen wird nur bei schrägem Einfall; Totalreflexion gibt es nur beim Übergang vom dichteren ins dünnere Medium.

Ein Sonnenstrahl fällt schräg auf einen Teich. Im Wasser läuft er steiler — also näher am Lot — weiter als in der Luft.

Erklärung: Richtig! Wasser ist optisch dichter als Luft. Beim Eintritt ins dichtere Medium wird der Strahl zum Lot hin gebrochen und verläuft steiler.

Bei der Abbildung durch eine Sammellinse nutzt man drei besondere Strahlen: den Parallelstrahl, den Mittelpunktstrahl und den ___.

Erklärung: Die drei Hauptstrahlen sind: Parallelstrahl (parallel zur optischen Achse, geht nach Brechung durch den Brennpunkt), Mittelpunktstrahl (durch die Linsenmitte, ungebrochen) und Brennpunktstrahl (durch den Brennpunkt, wird nach Brechung parallel).

Ein Gegenstand steht in doppelter Brennweite (2f) vor einer Sammellinse. Wie ist das Bild?

Erklärung: Bei Gegenstandsweite = 2f entsteht das Bild ebenfalls in 2f Entfernung auf der anderen Seite — gleich groß, reell und umgekehrt. 2f ist genau die Grenze zwischen verkleinert (weiter weg) und vergrößert (näher dran).

Im Projektor steht ein kleines Dia 10,5 cm vor dem Objektiv (f = 10 cm). Wie weit hinter dem Objektiv muss die Leinwand stehen, damit das Bild scharf ist?

Erklärung: 2,1 m. Aus 1/f = 1/g + 1/b folgt 1/b = 1/10 − 1/10,5, also b = 210 cm. Steht der Gegenstand knapp außerhalb der Brennweite, liegt sein Bild weit hinten und ist stark vergrößert — hier 20-fach. Im Brennpunkt (10 cm) sammelt sich nur Licht von sehr weit entfernten Gegenständen. So weit hinten wie vorn (b = g) liegt das Bild nur, wenn der Gegenstand in doppelter Brennweite steht.

Eine Kamera (f = 50 mm) ist auf einen Baum in 10 m Entfernung scharf gestellt. Jetzt fotografierst du eine Blume 50 cm vor dem Objektiv. Wohin musst du das Objektiv schieben?

Erklärung: Weiter vom Sensor weg. Für den Baum liegt das scharfe Bild etwa 50,3 mm hinter der Linse, für die Blume bei etwa 55,6 mm (1/b = 1/50 − 1/500). Rückt der Gegenstand näher, wandert sein Bild nach hinten und wird größer — deshalb fährt ein Objektiv beim Scharfstellen auf nahe Dinge heraus. Die Brennweite bleibt gleich, der Bildabstand nicht.

Aufgabe 1 von 20