Elektromagnetisches Spektrum

Electromagnetic Spectrum

Physik Klasse 11 15 Aufgaben

OptikElektromagnetisches SpektrumWelle-Teilchen-DualismusKerncurriculum

Sichtbares Licht ist nur ein winziger Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums, das von Radiowellen über Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht und UV bis zu Röntgen- und γ-Strahlung reicht — geordnet nach Wellenlänge und Frequenz (kurze Wellenlänge = hohe Frequenz = hohe Energie). Innerhalb des sichtbaren Bereichs bestimmt die Wellenlänge die Farbe, von Rot (~700 nm) bis Violett (~400 nm). Licht wird durch zwei Modelle beschrieben: das Wellenmodell erklärt Interferenz und Beugung, das Photonenmodell den Photoeffekt — Modelle haben Anwendungsbereiche, statt „wahr" oder „falsch" zu sein. Trägt Energieniveaus und die Quantisierung.

Voraussetzungen (1)

Interferenz und Beugung

Klasse 11

›

Ermöglicht (1)

Energieniveaus und Quantisierung

Klasse 11

›

Leicht

Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Welche Reihenfolge der elektromagnetischen Strahlung ist nach zunehmender Wellenlänge korrekt?

● Röntgenstrahlung – UV – sichtbares Licht – Infrarot – Mikrowellen – Radiowellen
○ Radiowellen – Mikrowellen – Infrarot – sichtbares Licht – UV – Röntgenstrahlung
○ Infrarot – sichtbares Licht – UV – Mikrowellen – Röntgenstrahlung – Radiowellen

Von kurzer zu langer Wellenlänge: Gammastrahlung < Röntgen < UV < sichtbares Licht < Infrarot < Mikrowellen < Radiowellen.

Wahr / Falsch #2 12s ▶ Testen

Auf der Sonne starten gleichzeitig ein Radiosignal und ein Röntgenblitz Richtung Erde. Beide treffen nach derselben Zeit ein.

✓ Wahr

Richtig. Im Vakuum breiten sich alle elektromagnetischen Wellen mit derselben Geschwindigkeit c ≈ 3·10⁸ m/s aus — unabhängig von ihrer Wellenlänge.

Lückentext #3 10s ▶ Testen

Sichtbares Licht hat Wellenlängen im Bereich von etwa 400 nm (violett) bis ___ nm (rot).

✓ Antwort: 700

Das sichtbare Spektrum reicht von ca. 400 nm (violett/blau) bis ca. 700 nm (rot).

Wahr / Falsch #4 10s ▶ Testen

Infrarotstrahlung hat eine höhere Frequenz als sichtbares Licht.

✓ Falsch

Falsch. Infrarot hat eine größere Wellenlänge und damit niedrigere Frequenz als sichtbares Licht (f = c/λ: größeres λ → kleineres f).

Lückentext #5 10s ▶ Testen

Im Photonenmodell hat jedes Photon die Energie E = ___ · f.

✓ Antwort: h

E = h·f (h = Planck'sches Wirkungsquantum ≈ 6,63·10⁻³⁴ J·s). Die Energie eines Photons ist proportional zur Frequenz.

Zahleneingabe #6 15s ▶ Testen

Radiowellen mit f = 100 MHz: Berechne die Wellenlänge in Metern.

✓ Antwort: 3

λ = c/f = 3·10⁸ / (100·10⁶) = 3·10⁸ / 10⁸ = 3 m.

Wahr / Falsch #7 10s ▶ Testen

UV-Strahlung hat mehr Energie pro Photon als rotes Licht.

✓ Wahr

Richtig. UV hat eine kürzere Wellenlänge und höhere Frequenz als rotes Licht. Da E = h·f, ist die Photonenenergie von UV größer.

Multiple Choice #8 10s ▶ Testen

Welche Anwendung nutzt Mikrowellenstrahlung?

● Mikrowellenherd zum Erwärmen von Speisen
○ Röntgenaufnahmen beim Arzt
○ Sichtbare Beleuchtung
○ Bräunung der Haut

Mikrowellen (λ ≈ mm–cm) regen Wassermoleküle in Speisen zu Schwingungen an und erwärmen sie so. Röntgenaufnahmen nutzen Röntgenstrahlung, UV bräunt die Haut.

Lückentext #9 10s ▶ Testen

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt c ≈ 3 · 10___ m/s.

✓ Antwort: ⁸

c ≈ 3·10⁸ m/s = 300 000 km/s.

Multiple Choice #10 10s ▶ Testen

Welche elektromagnetische Strahlung wird von der Erde als Wärmestrahlung abgegeben?

● Infrarotstrahlung
○ Sichtbares Licht
○ UV-Strahlung
○ Radiowellen

Die Erde gibt aufgrund ihrer Temperatur hauptsächlich Infrarotstrahlung ab. Je heißer ein Objekt, desto kurzwelliger seine Strahlung (Wien'sches Verschiebungsgesetz).

Wahr / Falsch #11 10s ▶ Testen

Elektromagnetische Wellen benötigen ein Medium zur Ausbreitung.

✓ Falsch

Falsch. Elektromagnetische Wellen breiten sich auch im Vakuum aus — im Gegensatz zu mechanischen Wellen (Schall), die ein Medium brauchen.

Mittel

Zahleneingabe #1 25s ▶ Testen

Berechne die Frequenz von grünem Licht (λ = 550 nm) in THz. (c = 3·10⁸ m/s; 1 THz = 10¹² Hz). Runde auf ganze THz.

✓ Antwort: 545

f = c/λ = 3·10⁸ / (550·10⁻⁹) = 3·10⁸ / 5,5·10⁻⁷ = 5,45·10¹⁴ Hz = 545 THz.

Multiple Choice #2 12s ▶ Testen

Welches Phänomen erklärt das Wellenmodell des Lichts NICHT?

● Den Photoeffekt
○ Interferenz am Doppelspalt
○ Beugung an einem Einzelspalt

Der Photoeffekt (Herauslösen von Elektronen durch Licht) kann nur mit dem Photonenmodell erklärt werden: E = h·f. Das Wellenmodell versagt hier; Interferenz und Beugung dagegen sind seine Paradebeispiele.

Multiple Choice #3 15s ▶ Testen

Extrem lichtschwaches Licht fällt auf einen Doppelspalt; ein empfindlicher Schirm registriert Photon für Photon. Was zeigt der Schirm nach langer Zeit?

● Ein Streifenmuster, aufgebaut aus einzelnen Punkten
○ Zwei helle Streifen genau hinter den beiden Spalten
○ Eine gleichmäßig ausgeleuchtete Fläche ohne Muster

Das ist der Welle-Teilchen-Dualismus in einem Bild: Jedes Photon kommt als einzelner Punkt an (Teilchenaspekt), aber die Verteilung der vielen Punkte folgt dem Interferenzmuster der Welle. Zwei getrennte Streifen zeigte nur ein reiner Kügelchen-Strom — den es nicht gibt.

Zahleneingabe #4 25s ▶ Testen

Röntgenstrahlung mit λ = 0,1 nm: Berechne die Frequenz in Hz als Potenz von 10 (gib den Exponenten an).

✓ Antwort: 18

f = c/λ = 3·10⁸ / (0,1·10⁻⁹) = 3·10⁸ / 10⁻¹⁰ = 3·10¹⁸ Hz. Der Exponent (Größenordnung) ist 18.