Physik · Klasse 9 und 10 · Kapitel

Licht und Sehen

EntdeckenDie Frage zum Kapitel

Warum passt der Mond bei einer Sonnenfinsternis fast genau vor die Sonne?

Schreib eine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Für die Lehrkraft: Die Sonne ist rund 400-mal so groß wie der Mond und zugleich rund 400-mal so weit weg. Deshalb sehen beide am Himmel fast gleich groß aus. Licht breitet sich geradlinig aus, der Mondschatten fällt dann auf die Erde. Quelle: NASA, Sun Fact Sheet und Moon Fact Sheet (Durchmesser 1,39 Millionen und 3.474 Kilometer; Abstände 149,6 Millionen und 384.400 Kilometer)

Entdecken Frage, Vorstellung, Bild
Merken kommt ins Heft
Beispiel vorgerechnet, Schritt für Schritt
Üben selbst rechnen
Achtung typischer Fehler
Weiterdenken zum Knobeln und Vernetzen

○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.

1Ich beschreibe, wie Licht sich ausbreitet, und erkläre Schatten.

EntdeckenFrage

Warum passt der Mond bei einer Sonnenfinsternis fast genau vor die Sonne?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Die Sonne ist rund 400-mal so groß wie der Mond und zugleich rund 400-mal so weit weg. Deshalb sehen beide am Himmel fast gleich groß aus. Licht breitet sich geradlinig aus, der Mondschatten fällt dann auf die Erde.

MerkenLicht breitet sich geradlinig aus

Deshalb entstehen scharfe Schatten – und deshalb sieht man um die Ecke nichts.

BeispielLängen und Massen umrechnen

Rechne um: 12.000 m = ? km

Schritt für Schritt

1 km = 1000 m
12.000 : 1000 = 12
12.000 m = 12 km

1 km = 1000 m
12.000 : 1000 = 12
12.000 m = 12 km

Ergebnis:

12 km

AchtungMinuten als Dezimalstellen

So nicht

¼ h = 25 min

So richtig

¼ h = 60 : 4 = 15 min

Denk an die Uhr: Eine Stunde hat 60 Minuten.

ÜbenJetzt du

○1
Rechne um: 1,5 kg = ? g
So fängst du an:
1 kg = 1000 g
Lösung zeigen
1. 1 kg = 1000 g
2. 1,5 · 1000 = 1500
3. 1,5 kg = 1500 g
Ergebnis:
1500 g
●2
Rechne um: 6 m = ? cm
Lösung zeigen
1. 1 m = 100 cm
2. 6 · 100 = 600
3. 6 m = 600 cm
Ergebnis:
600 cm
★3
Rechne um: 1,5 t = ? g
Lösung zeigen
1. 1 t = 1.000.000 g
2. 1,5 · 1.000.000 = 1.500.000
3. 1,5 t = 1.500.000 g
Ergebnis:
1.500.000 g

2Ich unterscheide Lichtquelle, beleuchteten Körper und Auge.

EntdeckenFrage

Wenn die Sonne jetzt ausginge: Nach wie vielen Minuten würdest du es sehen?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Nach gut 8 Minuten. Das Licht legt 299.792.458 Meter pro Sekunde zurück und braucht für die 149,6 Millionen Kilometer bis zur Erde rund 499 Sekunden. Wir sehen die Sonne immer so, wie sie vor 8 Minuten war.

MerkenSehen

Wir sehen einen Körper, wenn Licht von ihm in unser Auge fällt.

Das Auge sendet kein Licht aus.

BeispielZeiten umrechnen

Rechne um: 4 h = ? min

Schritt für Schritt

1 h = 60 min
4 · 60 = 240
4 h = 240 min

1 h = 60 min
4 · 60 = 240
4 h = 240 min

Ergebnis:

240 min

ÜbenJetzt du

○4
Rechne um: 20 min = ? s
So fängst du an:
1 min = 60 s
Lösung zeigen
1. 1 min = 60 s
2. 20 · 60 = 1200
3. 20 min = 1200 s
Ergebnis:
1200 s
●5
Rechne um: 3 min = ? s
Lösung zeigen
1. 1 min = 60 s
2. 3 · 60 = 180
3. 3 min = 180 s
Ergebnis:
180 s
★6
Rechne um: 30 min = ? h
Lösung zeigen
1. 1 h = 60 min
2. 30 : 60 = 0,5
3. 30 min = 0,5 h
Ergebnis:
0,5 h

3Ich wende das Reflexionsgesetz an.

EntdeckenFrage

Warum steht auf Krankenwagen vorn die Schrift seitenverkehrt?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Im Rückspiegel des Autos davor wird die Schrift noch einmal gespiegelt und ist dann richtig lesbar. Ein Spiegel wirft Licht so zurück, dass Einfallswinkel und Ausfallswinkel gleich sind. Dabei vertauscht er vorn und hinten, und aus der Schrift wird ein Spiegelbild.

MerkenReflexionsgesetz

Einfallswinkel = Reflexionswinkel. Beide werden zum Lot gemessen, nicht zum Spiegel.

BeispielReflexionsgesetz

Ein Lichtbündel trifft unter 60° zum Lot auf einen ebenen Spiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel? Berechne mit Einheit.

Schritt für Schritt

Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
Beide Winkel werden zum Lot gemessen, nicht zum Spiegel.
β = α = 60°

Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
Beide Winkel werden zum Lot gemessen, nicht zum Spiegel.
β = α = 60°

Ergebnis:

60°

ÜbenJetzt du

○7
Ein Lichtbündel trifft unter 50° zum Lot auf einen ebenen Spiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel? Berechne mit Einheit.
So fängst du an:
Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
Lösung zeigen
1. Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
2. Beide Winkel werden zum Lot gemessen, nicht zum Spiegel.
3. β = α = 50°
Ergebnis:
50°
●8
Ein Lichtbündel trifft unter 25° zum Lot auf einen ebenen Spiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
1. Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
2. Beide Winkel werden zum Lot gemessen, nicht zum Spiegel.
3. β = α = 25°
Ergebnis:
25°
★9
Ein Lichtbündel trifft auf einen ebenen Spiegel. Einfallender und reflektierter Strahl schließen 60° ein. Wie groß ist der Einfallswinkel? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
1. Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß, beide zum Lot gemessen.
2. Zusammen bilden sie den Winkel zwischen den Strahlen: α + β = 60°
3. α = 60° : 2 = 30°
Ergebnis:
30°

4Ich beschreibe die Brechung an der Grenzfläche.

EntdeckenFrage

Warum sieht ein Strohhalm im Wasserglas geknickt aus?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

An der Wasseroberfläche ändert das Licht seine Richtung, weil es im Wasser langsamer ist (rund 225.000 Kilometer pro Sekunde statt 300.000). Diese Brechung lässt den Halm unter Wasser verschoben erscheinen. Das Brechungsgesetz fand Willebrord Snell um 1621.

MerkenBrechung

Licht knickt beim schrägen Übergang in einen optisch dichteren Stoff zum Lot hin.

Von Wasser oder Glas in Luft knickt es vom Lot weg.

BeispielBrechung: zum Lot hin oder vom Lot weg?

Ein Lichtbündel geht unter 50° zum Lot aus der Luft ins Glas. Wird es zum Lot hin oder vom Lot weg gebrochen?

Schritt für Schritt

Ordne die Stoffe: Glas ist optisch dichter als Wasser, Wasser dichter als Luft.
Glas ist optisch dichter als Luft.
Ins optisch dichtere zum Lot hin, ins optisch dünnere vom Lot weg. Also: zum Lot hin.

Ordne die Stoffe: Glas ist optisch dichter als Wasser, Wasser dichter als Luft.
Glas ist optisch dichter als Luft.
Ins optisch dichtere zum Lot hin, ins optisch dünnere vom Lot weg. Also: zum Lot hin.

Ergebnis:

zum Lot hin

AchtungRichtung der Brechung vertauscht

So nicht

Luft → Wasser: vom Lot weg gebrochen

So richtig

Luft → Wasser: ins optisch dichtere, zum Lot hin

Frag, welcher Stoff optisch dichter ist. Ins dichtere zum Lot hin, ins dünnere vom Lot weg.

ÜbenJetzt du

○10
Ein Lichtbündel geht unter 20° zum Lot aus dem Wasser ins Glas. Wird es zum Lot hin oder vom Lot weg gebrochen?
So fängst du an:
Ordne die Stoffe: Glas ist optisch dichter als Wasser, Wasser dichter als Luft.
Lösung zeigen
1. Ordne die Stoffe: Glas ist optisch dichter als Wasser, Wasser dichter als Luft.
2. Glas ist optisch dichter als Wasser.
3. Ins optisch dichtere zum Lot hin, ins optisch dünnere vom Lot weg. Also: zum Lot hin.
Ergebnis:
zum Lot hin
●11
Ein Lichtbündel geht unter 40° zum Lot aus der Luft ins Glas. Wird es zum Lot hin oder vom Lot weg gebrochen?
Lösung zeigen
1. Ordne die Stoffe: Glas ist optisch dichter als Wasser, Wasser dichter als Luft.
2. Glas ist optisch dichter als Luft.
3. Ins optisch dichtere zum Lot hin, ins optisch dünnere vom Lot weg. Also: zum Lot hin.
Ergebnis:
zum Lot hin
★12
Ein Stein liegt 30 cm tief im Schwimmbecken. Von schräg oben sieht es so aus, als wäre er weiter oben. Warum?
Lösung zeigen
1. Sehen heißt: Licht kommt vom Gegenstand ins Auge. Hier kommt es von unter Wasser.
2. Von Wasser in Luft geht es ins optisch dünnere: Es wird vom Lot weg gebrochen.
3. Das Auge nimmt an, das Licht kam gerade. Es verlängert den Strahl rückwärts, deshalb erscheint der Gegenstand höher.
Ergebnis:
Das Licht vom Gegenstand knickt beim Austritt vom Lot weg, das Auge verlängert es gerade zurück.

5Ich untersuche Bilder an der Sammellinse.

EntdeckenFrage

Wie kann man mit einer Lupe in der Sonne Papier zum Brennen bringen?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Die Lupe bricht die parallelen Sonnenstrahlen so, dass sie sich in einem kleinen Fleck treffen, dem Brennpunkt. Dort ist die gesamte Strahlung auf kleiner Fläche gebündelt, das Papier erhitzt sich. Brenngläser kannte man schon im alten Griechenland.

MerkenSammellinse

Parallele Strahlen treffen sich im Brennpunkt. Der Abstand dorthin ist die Brennweite f.

BeispielWelches Bild macht die Sammellinse?

Ein beleuchtetes Dia steht 15 cm vor einer Sammellinse mit f = 5 cm. Auf dem Schirm entsteht ein scharfes Bild. Wie ist es?

Schritt für Schritt

Vergleiche g mit f und mit 2f.
2f = 10 cm, g = 15 cm
g ist größer als 2f: Das Bild ist umgekehrt und verkleinert.

Vergleiche g mit f und mit 2f.
2f = 10 cm, g = 15 cm
g ist größer als 2f: Das Bild ist umgekehrt und verkleinert.

Ergebnis:

umgekehrt und verkleinert

ÜbenJetzt du

○13
Eine kleine Lampe steht 24 cm vor einer Sammellinse mit f = 8 cm. Auf dem Schirm entsteht ein scharfes Bild. Wie ist es?
So fängst du an:
Vergleiche g mit f und mit 2f.
Lösung zeigen
1. Vergleiche g mit f und mit 2f.
2. 2f = 16 cm, g = 24 cm
3. g ist größer als 2f: Das Bild ist umgekehrt und verkleinert.
Ergebnis:
umgekehrt und verkleinert
●14
Ein beleuchtetes Dia steht 22,5 cm vor einer Sammellinse mit f = 15 cm. Auf dem Schirm entsteht ein scharfes Bild. Wie ist es?
Lösung zeigen
1. Vergleiche g mit f und mit 2f.
2. 2f = 30 cm, g = 22,5 cm
3. g liegt zwischen f und 2f: Das Bild ist umgekehrt und vergrößert.
Ergebnis:
umgekehrt und vergrößert
★15
Ein Käfer liegt 9 cm vor einer Lupe mit f = 12 cm. Was für ein Bild entsteht?
Lösung zeigen
1. Vergleiche die Gegenstandsweite mit der Brennweite.
2. g = 9 cm ist kleiner als f = 12 cm.
3. Innerhalb der Brennweite gibt es kein Bild auf dem Schirm. Durch die Lupe sieht man es aufrecht und vergrößert.
Ergebnis:
aufrecht und vergrößert, nur durch die Lupe zu sehen

6Ich erkläre Kurz- und Weitsichtigkeit.

EntdeckenFrage

Warum sehen Kurzsichtige die Tafel verschwommen, ihr Handy aber scharf?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Bei Kurzsichtigkeit ist das Auge zu lang oder bricht das Licht zu stark. Das Bild ferner Gegenstände entsteht vor der Netzhaut. Nahe Gegenstände bilden sich weiter hinten ab, genau auf der Netzhaut. Eine Brille mit Zerstreuungslinse schiebt das Bild zurück.

MerkenAuge und Brille

Kurzsichtig: Bild vor der Netzhaut, Zerstreuungslinse hilft. Weitsichtig: umgekehrt.

BeispielBrechkraft in Dioptrien

Eine Lesebrille hat die Brennweite 20 cm. Wie groß ist ihre Brechkraft D = 1 : f? Berechne mit Einheit.

Schritt für Schritt

Die Brechkraft rechnet mit der Brennweite in Metern, ihre Einheit ist die Dioptrie.
f = 20 cm = 0,2 m
D = 1 : 0,2 m = 5 dpt

Die Brechkraft rechnet mit der Brennweite in Metern, ihre Einheit ist die Dioptrie.
f = 20 cm = 0,2 m
D = 1 : 0,2 m = 5 dpt

Ergebnis:

5 dpt

ÜbenJetzt du

○16
Eine Sammellinse hat die Brennweite 100 cm. Wie groß ist ihre Brechkraft D = 1 : f? Berechne mit Einheit.
So fängst du an:
Die Brechkraft rechnet mit der Brennweite in Metern, ihre Einheit ist die Dioptrie.
Lösung zeigen
1. Die Brechkraft rechnet mit der Brennweite in Metern, ihre Einheit ist die Dioptrie.
2. f = 100 cm = 1 m
3. D = 1 : 1 m = 1 dpt
Ergebnis:
1 dpt
●17
Ein Brillenglas hat die Brennweite 40 cm. Wie groß ist ihre Brechkraft D = 1 : f? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
1. Die Brechkraft rechnet mit der Brennweite in Metern, ihre Einheit ist die Dioptrie.
2. f = 40 cm = 0,4 m
3. D = 1 : 0,4 m = 2,5 dpt
Ergebnis:
2,5 dpt
★18
Ein Brillenglas hat die Brechkraft 2 dpt. Wie groß ist ihre Brennweite in Zentimetern? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
1. D = 1 : f, also f = 1 : D, mit f in Metern
2. f = 1 : 2 dpt = 0,5 m
3. 0,5 m = 50 cm
Ergebnis:
50 cm

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

●19
Ein Lichtbündel trifft unter 40° zum Lot auf einen Badezimmerspiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
1. Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
2. Beide Winkel werden zum Lot gemessen, nicht zum Spiegel.
3. β = α = 40°
Ergebnis:
40°
●20
Ein Lichtbündel trifft unter 35° zur Spiegelfläche auf einen ebenen Spiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
1. Der Reflexionswinkel wird zum Lot gemessen. Das Lot steht senkrecht auf dem Spiegel.
2. Einfallswinkel α = 90° − 35° = 55°
3. β = α = 55°
Ergebnis:
55°
●21
Ein Lichtbündel geht unter 30° zum Lot aus dem Glas ins Wasser. Wird es zum Lot hin oder vom Lot weg gebrochen?
Lösung zeigen
1. Ordne die Stoffe: Glas ist optisch dichter als Wasser, Wasser dichter als Luft.
2. Wasser ist optisch dünner als Glas.
3. Ins optisch dichtere zum Lot hin, ins optisch dünnere vom Lot weg. Also: vom Lot weg.
Ergebnis:
vom Lot weg
●22
Licht geht unter 75° zum Lot aus der Luft ins Glas und hat dort 40°. Nun läuft Licht im Glas unter 40° zurück in die Luft. Welcher Winkel zum Lot?
Lösung zeigen
1. Der Lichtweg ist umkehrbar: Rückwärts nimmt das Licht denselben Weg.
2. Aus der Luft 75° wird im Glas 40°, ins dünnere wird es vom Lot weg gebrochen.
3. Winkel in der Luft: α = 75°
Ergebnis:
75°
●23
Ein leuchtender Pfeil steht 40 cm vor einer Sammellinse mit f = 10 cm. Auf dem Schirm entsteht ein scharfes Bild. Wie ist es?
Lösung zeigen
1. Vergleiche g mit f und mit 2f.
2. 2f = 20 cm, g = 40 cm
3. g ist größer als 2f: Das Bild ist umgekehrt und verkleinert.
Ergebnis:
umgekehrt und verkleinert
●24
Ein beleuchtetes L steht 16 cm vor einer Sammellinse mit f = 8 cm. In welchem Abstand hinter der Linse ist das Bild scharf? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
1. Vergleiche g mit der Brennweite.
2. g = 16 cm = 2 · 8 cm, der Gegenstand steht genau bei 2f.
3. Dann entsteht das Bild ebenfalls bei 2f: b = 16 cm, gleich groß und umgekehrt.
Ergebnis:
16 cm

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Licht breitet sich geradlinig aus: Deshalb entstehen scharfe Schatten – und deshalb sieht man um die Ecke nichts.
Sehen: Wir sehen einen Körper, wenn Licht von ihm in unser Auge fällt.
Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel. Beide werden zum Lot gemessen, nicht zum Spiegel.
Brechung: Licht knickt beim schrägen Übergang in einen optisch dichteren Stoff zum Lot hin.
Sammellinse: Parallele Strahlen treffen sich im Brennpunkt. Der Abstand dorthin ist die Brennweite f.
Auge und Brille: Kurzsichtig: Bild vor der Netzhaut, Zerstreuungslinse hilft. Weitsichtig: umgekehrt.

AchtungWinkel zum Spiegel statt zum Lot

So nicht

Einfallswinkel 30° zum Spiegel → Reflexionswinkel 30° zum Spiegel

So richtig

zum Lot gemessen: 60° → Reflexionswinkel 60°  (zum Spiegel wären es 30°)

Beide Winkel werden IMMER zum Lot gemessen – der Strich senkrecht auf dem Spiegel.

AchtungBrennweite mit Bildweite verwechselt

So nicht

Linse f = 5 cm, Gegenstand bei g = 15 cm → Bild bei b = 5 cm

So richtig

1/f = 1/g + 1/b → 1/b = 1/5 − 1/15 = 2/15 → b = 7,5 cm  (f bleibt 5 cm, b ändert sich)

f gehört zur Linse und ändert sich nie. b hängt davon ab, wo der Gegenstand steht.

AchtungDas Auge sendet Licht aus

So nicht

Im völlig dunklen Raum sehe ich nichts, weil mein Auge zu schwach strahlt

So richtig

Kein Licht → nichts fällt ins Auge → nichts zu sehen. Lampe an: Licht Lampe → Gegenstand → Auge

Wir sehen, weil Licht ins Auge fällt – nicht, weil das Auge etwas aussendet.

Kannst du das?

Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.

ÜbenSelbsttest

Ich beschreibe, wie Licht sich ausbreitet, und erkläre Schatten.
25
Rechne um: 2500 g = ? kg
Lösung zeigen
Ergebnis:
2,5 kg
Ich unterscheide Lichtquelle, beleuchteten Körper und Auge.
26
Rechne um: 10 min = ? s
Lösung zeigen
Ergebnis:
600 s
Ich wende das Reflexionsgesetz an.
27
Ein Lichtbündel trifft unter 75° zum Lot auf einen ebenen Spiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
Ergebnis:
75°
Ich beschreibe die Brechung an der Grenzfläche.
28
Ein Lichtbündel geht unter 40° zum Lot aus dem Wasser ins Glas. Wird es zum Lot hin oder vom Lot weg gebrochen?
Lösung zeigen
Ergebnis:
zum Lot hin
Ich untersuche Bilder an der Sammellinse.
29
Ein beleuchtetes Dia steht 30 cm vor einer Sammellinse mit f = 12 cm. Auf dem Schirm entsteht ein scharfes Bild. Wie ist es?
Lösung zeigen
Ergebnis:
umgekehrt und verkleinert
Ich erkläre Kurz- und Weitsichtigkeit.
30
Ein Brillenglas hat die Brennweite 40 cm. Wie groß ist ihre Brechkraft D = 1 : f? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
Ergebnis:
2,5 dpt
Ich erkläre Farben als Zerlegung von weißem Licht.
31
Ein Lichtbündel trifft unter 75° zum Lot auf einen Badezimmerspiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
Ergebnis:
75°
Ich übe gemischte Aufgaben.
32
Ein Lichtbündel trifft unter 50° zum Lot auf einen ebenen Spiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
Ergebnis:
50°

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Die Frage vom Anfang

EntdeckenRückschau

Warum passt der Mond bei einer Sonnenfinsternis fast genau vor die Sonne?

Lies deine Vermutung vom Anfang. Kannst du die Frage jetzt mit dem Kapitel beantworten?

Auflösung

Lösungen

1500 g
600 cm
1.500.000 g
1200 s
180 s
0,5 h
50°
25°
30°
zum Lot hin
zum Lot hin
Das Licht vom Gegenstand knickt beim Austritt vom Lot weg, das Auge verlängert es gerade zurück.
umgekehrt und verkleinert
umgekehrt und vergrößert
aufrecht und vergrößert, nur durch die Lupe zu sehen
1 dpt
2,5 dpt
50 cm
40°
55°
vom Lot weg
75°
umgekehrt und verkleinert
16 cm
2,5 kg
600 s
75°
zum Lot hin
umgekehrt und verkleinert
2,5 dpt
75°
50°