Physik · Klasse 7 und 8 und 9 und 10 · Kapitel
Physik 7–10: Licht, Spiegel und Linsen
- 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 kann das Reflexionsgesetz anwenden und Winkel zum Lot messen.
MerkenReflexionsgesetz
Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
Beide misst man zum Lot, das senkrecht auf dem Spiegel steht. Der Winkel zum Spiegel ist 90° minus den Winkel zum Lot.
BeispielReflexionsgesetz
Schritt für Schritt
- Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
- Beide Winkel werden zum Lot gemessen, nicht zum Spiegel.
- β = α = 25°
- Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
- Beide Winkel werden zum Lot gemessen, nicht zum Spiegel.
- β = α = 25°
AchtungWinkel zum Spiegel statt zum Lot
Strahl 30° zum Spiegel: Reflexionswinkel 30°
30° zum Spiegel → 90° − 30° = 60° zum Lot, Reflexionswinkel 60°
Einfallswinkel und Reflexionswinkel misst man zum Lot, nicht zum Spiegel. Zum Lot sind es 90° minus den Winkel zum Spiegel.
ÜbenJetzt du
- ○1Ein Lichtbündel trifft unter 55° zum Lot auf einen Fahrradspiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel? Berechne mit Einheit.So fängst du an:Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
Lösung zeigen
- Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
- Beide Winkel werden zum Lot gemessen, nicht zum Spiegel.
- β = α = 55°
Ergebnis:55° - ●2Ein Lichtbündel trifft unter 40° zum Lot auf einen Fahrradspiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
- Beide Winkel werden zum Lot gemessen, nicht zum Spiegel.
- β = α = 40°
Ergebnis:40° - ★3Ein Lichtbündel trifft auf einen ebenen Spiegel. Einfallender und reflektierter Strahl schließen 120° ein. Wie groß ist der Einfallswinkel? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß, beide zum Lot gemessen.
- Zusammen bilden sie den Winkel zwischen den Strahlen: α + β = 120°
- α = 120° : 2 = 60°
Ergebnis:60°
2Ich kann vorhersagen, wohin ein Lichtstrahl beim Übergang Luft, Wasser und Glas gebrochen wird.
MerkenBrechung
Trifft Licht schräg auf eine Grenzfläche, wird es gebrochen.
Ins optisch dichtere Medium zum Lot hin, ins optisch dünnere vom Lot weg. Über dem Grenzwinkel gibt es Totalreflexion.
BeispielBrechung: zum Lot hin oder vom Lot weg?
Schritt für Schritt
- Gebrochen wird nur Licht, das schräg auf die Grenzfläche trifft.
- Hier fällt das Licht entlang des Lots ein.
- Also: gar nicht gebrochen.
- Gebrochen wird nur Licht, das schräg auf die Grenzfläche trifft.
- Hier fällt das Licht entlang des Lots ein.
- Also: gar nicht gebrochen.
AchtungDas Auge sendet Sehstrahlen
Das Auge schickt Sehstrahlen zum Fisch.
Fisch → Wasseroberfläche → Auge: Licht kommt vom Gegenstand ins Auge.
Das Auge sendet nichts aus. Wir sehen etwas, weil Licht von ihm in unser Auge fällt.
ÜbenJetzt du
- ○4Ein Lichtbündel geht unter 40° 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
- Ordne die Stoffe: Glas ist optisch dichter als Wasser, Wasser dichter als Luft.
- Glas ist optisch dichter als Wasser.
- Ins optisch dichtere zum Lot hin, ins optisch dünnere vom Lot weg. Also: zum Lot hin.
Ergebnis:zum Lot hin - ●5Ein Lichtbündel geht unter 70° zum Lot aus der Luft ins Glas. Wird es zum Lot hin oder vom Lot weg gebrochen?
Lösung zeigen
- 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 - ★6Ein Stein liegt 60 cm tief im Teich. Von schräg oben sieht es so aus, als wäre er weiter oben. Warum?
Lösung zeigen
- Sehen heißt: Licht kommt vom Gegenstand ins Auge. Hier kommt es von unter Wasser.
- Von Wasser in Luft geht es ins optisch dünnere: Es wird vom Lot weg gebrochen.
- 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.
3Ich kann Lage und Eigenschaften des Bildes an der Sammellinse aus Gegenstandsweite und Brennweite bestimmen.
MerkenBilder an der Sammellinse
Das Bild auf dem Schirm steht immer auf dem Kopf.
Außerhalb von 2f wird es kleiner, zwischen f und 2f größer. Innerhalb von f ist die Linse eine Lupe.
BeispielWelches Bild macht die Sammellinse?
Schritt für Schritt
- Vergleiche g mit f und mit 2f.
- 2f = 16 cm, g = 12 cm
- g liegt zwischen f und 2f: Das Bild ist umgekehrt und vergrößert.
- Vergleiche g mit f und mit 2f.
- 2f = 16 cm, g = 12 cm
- g liegt zwischen f und 2f: Das Bild ist umgekehrt und vergrößert.
AchtungDas Bild wandert durch die Linse
Das Bild ist eine kleine, aufrechte Kopie, die durch die Linse wandert.
Gegenstand aufrecht → Bild auf dem Schirm umgekehrt; jeder Punkt geht durch die ganze Linse.
Das Bild auf dem Schirm steht auf dem Kopf. Von jedem Punkt des Gegenstands geht Licht durch die ganze Linse und trifft sich hinter ihr wieder.
ÜbenJetzt du
- ○7Ein beleuchtetes Dia steht 45 cm vor einer Sammellinse mit f = 15 cm. Auf dem Schirm entsteht ein scharfes Bild. Wie ist es?So fängst du an:Vergleiche g mit f und mit 2f.
Lösung zeigen
- Vergleiche g mit f und mit 2f.
- 2f = 30 cm, g = 45 cm
- g ist größer als 2f: Das Bild ist umgekehrt und verkleinert.
Ergebnis:umgekehrt und verkleinert - ●8Ein beleuchtetes L steht 75 cm vor einer Sammellinse mit f = 15 cm. Auf dem Schirm entsteht ein scharfes Bild. Wie ist es?
Lösung zeigen
- Vergleiche g mit f und mit 2f.
- 2f = 30 cm, g = 75 cm
- g ist größer als 2f: Das Bild ist umgekehrt und verkleinert.
Ergebnis:umgekehrt und verkleinert - ★9Ein beleuchtetes L steht 30 cm vor einer Sammellinse mit f = 5 cm. Er wird auf 7,5 cm herangeschoben. Was geschieht mit dem Bild?
Lösung zeigen
- Bestimme die Bereiche: f und 2f vor der Linse.
- Vorher: 30 cm liegt außerhalb von 2f = 10 cm, nachher: 7,5 cm liegt zwischen f und 2f.
- Rückt der Gegenstand zum Brennpunkt, wird das Bild größer und entsteht weiter hinten.
Ergebnis:Es wird größer und rückt weiter von der Linse weg.
4Ich kann mit der Abbildungsgleichung 1/f = 1/g + 1/b rechnen.
MerkenAbbildungsgleichung
Die Weiten hängen über ihre Kehrwerte zusammen: 1/f = 1/g + 1/b gilt immer.
Rechne mit den Brüchen und dreh das Ergebnis am Ende um.
BeispielAbbildungsgleichung: Bildweite
Schritt für Schritt
- Nach 1/b umstellen: 1/b = 1/f − 1/g
- 1/b = 16 − 115 = 530 − 230 = 330 = 110
- b = 10 cm
- Nach 1/b umstellen: 1/b = 1/f − 1/g
- 1/b = 16 − 115 = 530 − 230 = 330 = 110
- b = 10 cm
AchtungFormel falsch umgestellt
V = ρ · m
ρ = m : V | · V | : ρ → V = m : ρ
Stell die Formel wie eine Gleichung um: Auf beiden Seiten dasselbe tun, bis die gesuchte Größe allein steht.
ÜbenJetzt du
- ○10Ein beleuchtetes L steht 25 cm vor einer Sammellinse mit f = 20 cm. Berechne die Bildweite b mit 1/f = 1/g + 1/b.So fängst du an:Nach 1/b umstellen: 1/b = 1/f − 1/g
Lösung zeigen
- Nach 1/b umstellen: 1/b = 1/f − 1/g
- 1/b = 120 − 125 = 5100 − 4100 = 1100 = 1100
- b = 100 cm
Ergebnis:100 cm - ●11Ein leuchtender Pfeil steht 48 cm vor einer Sammellinse mit f = 12 cm. Berechne die Bildweite b mit 1/f = 1/g + 1/b.
Lösung zeigen
- Nach 1/b umstellen: 1/b = 1/f − 1/g
- 1/b = 112 − 148 = 448 − 148 = 348 = 116
- b = 16 cm
Ergebnis:16 cm - ★12Eine kleine Lampe steht 18 cm vor einer Sammellinse mit f = 15 cm. Wie weit muss der Schirm vom Gegenstand entfernt sein? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Zuerst die Bildweite: 1/b = 1/f − 1/g
- 1/b = 115 − 118 = 690 − 590 = 190 = 190
- b = 90 cm, Abstand Gegenstand bis Schirm: 18 cm + 90 cm = 108 cm
Ergebnis:108 cm
5Ich kann den Abbildungsmaßstab und die Bildgröße berechnen.
MerkenAbbildungsmaßstab
Der Abbildungsmaßstab sagt, wievielmal so groß das Bild ist wie der Gegenstand.
Es gilt A = B : G = b : g, ohne Einheit.
BeispielAbbildungsmaßstab
Schritt für Schritt
- A = Bildweite : Gegenstandsweite = b : g
- A = 18 cm : 90 cm
- A = 0,2
- A = Bildweite : Gegenstandsweite = b : g
- A = 18 cm : 90 cm
- A = 0,2
AchtungBrennweite mit Bildweite verwechselt
f = 10 cm, also entsteht das Bild 10 cm hinter der Linse
f = 10 cm, g = 15 cm: b = 30 cm. Nur sehr ferne Gegenstände bilden sich im Brennpunkt ab.
Die Brennweite gehört zur Linse und ändert sich nie. Die Bildweite hängt davon ab, wo der Gegenstand steht.
ÜbenJetzt du
- ○13Ein Gegenstand steht 45 cm vor einer Linse mit f = 20 cm, das Bild entsteht 36 cm dahinter. Wie groß ist der Abbildungsmaßstab A? Berechne.So fängst du an:A = Bildweite : Gegenstandsweite = b : g
Lösung zeigen
- A = Bildweite : Gegenstandsweite = b : g
- A = 36 cm : 45 cm
- A = 0,8
Ergebnis:A = 0,8 - ●14Ein Gegenstand steht 14 cm vor einer Linse mit f = 10 cm, das Bild entsteht 35 cm dahinter. Wie groß ist der Abbildungsmaßstab A? Berechne.
Lösung zeigen
- A = Bildweite : Gegenstandsweite = b : g
- A = 35 cm : 14 cm
- A = 2,5
Ergebnis:A = 2,5 - ★15Ein Gegenstand steht 10 cm vor einer Sammellinse mit f = 6 cm. Wie groß ist der Abbildungsmaßstab A = b : g? Berechne.
Lösung zeigen
- Zuerst die Bildweite: 1/b = 1/f − 1/g
- 1/b = 16 − 110 = 530 − 330 = 230 = 115
- b = 15 cm, A = 15 cm : 10 cm = 1,5
Ergebnis:A = 1,5
6Ich kann die Brechkraft einer Brille berechnen und Kurz- und Weitsichtigkeit zuordnen.
MerkenBrechkraft und Brille
Die Brechkraft ist D = 1 : f mit f in Metern, gemessen in Dioptrien.
Kurzsichtige brauchen eine Zerstreuungslinse mit Minus, Weitsichtige eine Sammellinse mit Plus.
BeispielBrechkraft in Dioptrien
Schritt für Schritt
- Die Brechkraft rechnet mit der Brennweite in Metern, ihre Einheit ist die Dioptrie.
- f = 25 cm = 0,25 m
- D = 1 : 0,25 m = 4 dpt
- Die Brechkraft rechnet mit der Brennweite in Metern, ihre Einheit ist die Dioptrie.
- f = 25 cm = 0,25 m
- D = 1 : 0,25 m = 4 dpt
AchtungBrennweite in cm statt m
f = 50 cm: D = 1 : 50 = 0,02 dpt
f = 50 cm = 0,5 m: D = 1 : 0,5 m = 2 dpt
Dioptrie heißt: 1 durch die Brennweite in Metern. Rechne die Zentimeter zuerst in Meter um.
ÜbenJetzt du
- ○16Eine Lesebrille hat die Brennweite 20 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
- 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 - ●17Eine Lesebrille hat die Brennweite 100 cm. Wie groß ist ihre Brechkraft D = 1 : f? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Die Brechkraft rechnet mit der Brennweite in Metern, ihre Einheit ist die Dioptrie.
- f = 100 cm = 1 m
- D = 1 : 1 m = 1 dpt
Ergebnis:1 dpt - ★18Eine Lesebrille hat die Brechkraft 1 dpt. Wie groß ist ihre Brennweite in Zentimetern? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- D = 1 : f, also f = 1 : D, mit f in Metern
- f = 1 : 1 dpt = 1 m
- 1 m = 100 cm
Ergebnis:100 cm
Vermischte Übungen
Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?
Üben
- ●19Ein Lichtbündel trifft unter 50° zum Lot auf einen ebenen Spiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
- Beide Winkel werden zum Lot gemessen, nicht zum Spiegel.
- β = α = 50°
Ergebnis:50° - ●20Ein Lichtbündel trifft unter 15° zur Spiegelfläche auf einen Badezimmerspiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Der Reflexionswinkel wird zum Lot gemessen. Das Lot steht senkrecht auf dem Spiegel.
- Einfallswinkel α = 90° − 15° = 75°
- β = α = 75°
Ergebnis:75° - ●21Ein Lichtbündel geht unter 70° zum Lot aus dem Wasser in die Luft. Wird es zum Lot hin oder vom Lot weg gebrochen?
Lösung zeigen
- Ordne die Stoffe: Glas ist optisch dichter als Wasser, Wasser dichter als Luft.
- Luft ist optisch dünner als Wasser.
- Ins optisch dichtere zum Lot hin, ins optisch dünnere vom Lot weg. Also: vom Lot weg.
Ergebnis:vom Lot weg - ●22Licht geht unter 60° zum Lot aus der Luft ins Wasser und hat dort 41°. Nun läuft Licht im Wasser unter 41° zurück in die Luft. Welcher Winkel zum Lot?
Lösung zeigen
- Der Lichtweg ist umkehrbar: Rückwärts nimmt das Licht denselben Weg.
- Aus der Luft 60° wird im Wasser 41°, ins dünnere wird es vom Lot weg gebrochen.
- Winkel in der Luft: α = 60°
Ergebnis:60° - ●23Ein beleuchtetes L steht 80 cm vor einer Sammellinse mit f = 20 cm. Auf dem Schirm entsteht ein scharfes Bild. Wie ist es?
Lösung zeigen
- Vergleiche g mit f und mit 2f.
- 2f = 40 cm, g = 80 cm
- g ist größer als 2f: Das Bild ist umgekehrt und verkleinert.
Ergebnis:umgekehrt und verkleinert - ●24Ein beleuchtetes L steht 40 cm vor einer Sammellinse mit f = 20 cm. In welchem Abstand hinter der Linse ist das Bild scharf? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Vergleiche g mit der Brennweite.
- g = 40 cm = 2 · 20 cm, der Gegenstand steht genau bei 2f.
- Dann entsteht das Bild ebenfalls bei 2f: b = 40 cm, gleich groß und umgekehrt.
Ergebnis:40 cm
Auf einen Blick
MerkenDas Wichtigste
- Reflexionsgesetz
- Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel.
- Brechung
- Trifft Licht schräg auf eine Grenzfläche, wird es gebrochen.
- Bilder an der Sammellinse
- Das Bild auf dem Schirm steht immer auf dem Kopf.
- Abbildungsgleichung
- Die Weiten hängen über ihre Kehrwerte zusammen: 1/f = 1/g + 1/b gilt immer.
- Abbildungsmaßstab
- Der Abbildungsmaßstab sagt, wievielmal so groß das Bild ist wie der Gegenstand.
- Brechkraft und Brille
- Die Brechkraft ist D = 1 : f mit f in Metern, gemessen in Dioptrien.
AchtungRichtung der Brechung vertauscht
Luft → Wasser: vom Lot weg gebrochen
Luft → Wasser: ins optisch dichtere, zum Lot hin
Ins optisch dichtere Medium wird das Licht zum Lot hin gebrochen, ins optisch dünnere vom Lot weg. Senkrecht einfallendes Licht geht geradeaus.
AchtungTotalreflexion übersehen
Glas → Luft unter 50°: tritt aus, vom Lot weg
Glas → Luft unter 50°, Grenzwinkel 42°: Totalreflexion
Totalreflexion gibt es nur, wenn Licht ins optisch dünnere Medium will und der Winkel zum Lot größer als der Grenzwinkel ist.
AchtungBereiche vor der Linse verwechselt
g = 15 cm, f = 10 cm: Bild verkleinert
g = 15 cm liegt zwischen f und 2f: Bild vergrößert, hinter 2f
Vergleiche die Gegenstandsweite mit f und mit 2f. Außerhalb von 2f wird das Bild kleiner, zwischen f und 2f größer.
AchtungMit den Weiten statt mit den Kehrwerten gerechnet
f = 10 cm, g = 15 cm: b = 15 − 10 = 5 cm
1/b = 1/10 − 1/15 = 3/30 − 2/30 = 1/30, b = 30 cm
Die Abbildungsgleichung gilt für die Kehrwerte. Rechne mit 1/f, 1/g und 1/b und dreh das Ergebnis am Ende um.
AchtungKurz- und Weitsichtigkeit vertauscht
kurzsichtig: Sammellinse mit Plus
kurzsichtig: Bild vor der Netzhaut → Zerstreuungslinse mit Minus
Kurzsichtig heißt: Nur Nahes ist scharf, das Bild liegt vor der Netzhaut. Eine Zerstreuungslinse mit Minus hilft.
AchtungZwischenergebnis als Antwort
Gesamtwiderstand gesucht, Antwort: I = 0,5 A
erst I = 0,5 A, dann weiter bis zur gesuchten Größe
Das ist ein richtiger Zwischenschritt. Lies noch einmal, was gesucht ist, und rechne weiter.
AchtungEinheit vergessen
ρ = 54 : 20 = 2,7
ρ = 54 g : 20 cm³ = 2,7 g/cm³
Deine Zahl stimmt – aber eine Größe ist Zahl und Einheit. Schreib die Einheit dazu.
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 kann das Reflexionsgesetz anwenden und Winkel zum Lot messen.
25Ein Lichtbündel trifft unter 55° zum Lot auf einen ebenen Spiegel. Wie groß ist der Reflexionswinkel? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:55°Ich kann vorhersagen, wohin ein Lichtstrahl beim Übergang Luft, Wasser und Glas gebrochen wird.
26Ein Lichtbündel geht unter 20° zum Lot aus dem Glas ins Wasser. Wird es zum Lot hin oder vom Lot weg gebrochen?Lösung zeigen
Ergebnis:vom Lot wegIch kann Lage und Eigenschaften des Bildes an der Sammellinse aus Gegenstandsweite und Brennweite bestimmen.
27Ein beleuchtetes Dia steht 30 cm vor einer Sammellinse mit f = 20 cm. Auf dem Schirm entsteht ein scharfes Bild. Wie ist es?Lösung zeigen
Ergebnis:umgekehrt und vergrößertIch kann mit der Abbildungsgleichung 1/f = 1/g + 1/b rechnen.
28Ein beleuchtetes L steht 36 cm vor einer Sammellinse mit f = 20 cm. Berechne die Bildweite b mit 1/f = 1/g + 1/b.Lösung zeigen
Ergebnis:45 cmIch kann den Abbildungsmaßstab und die Bildgröße berechnen.
29Ein Gegenstand ist 3 cm groß. Sein Bild auf dem Schirm ist 9 cm groß. Wie groß ist der Abbildungsmaßstab A? Berechne.Lösung zeigen
Ergebnis:A = 3Ich kann die Brechkraft einer Brille berechnen und Kurz- und Weitsichtigkeit zuordnen.
30Eine Lesebrille hat die Brennweite 10 cm. Wie groß ist ihre Brechkraft D = 1 : f? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:10 dpt
Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.
Wörter
- Gleichung
- zwei Rechnungen, die gleich viel wert sind
Wie es zusammenhängt
Das brauchst du vorher: Winkel, Verschieben, Spiegeln, Drehen, Brüche und Dezimalzahlen
Lösungen
- 55°
- 40°
- 60°
- 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 verkleinert
- Es wird größer und rückt weiter von der Linse weg.
- 100 cm
- 16 cm
- 108 cm
- A = 0,8
- A = 2,5
- A = 1,5
- 5 dpt
- 1 dpt
- 100 cm
- 50°
- 75°
- vom Lot weg
- 60°
- umgekehrt und verkleinert
- 40 cm
- 55°
- vom Lot weg
- umgekehrt und vergrößert
- 45 cm
- A = 3
- 10 dpt