Aufgaben: Das Licht

Das Sonnenlicht durchquert etwa $150$ Millionen Kilometer praktisch leeren Raum, bis es die Erde erreicht.

1. a) Braucht Licht ein Medium, um sich auszubreiten?
2. b) Wie nennt man Wellen, die sich wie das Licht auch im Vakuum ausbreiten können?
3. c) Wenn ein weit entfernter Stern explodieren würde, was würden wir von der Erde aus wahrnehmen: sein Licht, seinen Knall oder beides? Begründe.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt $c = 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$.

1. a) Welche Strecke legt das Licht in einer Sekunde zurück? Gib sie in Metern und in Kilometern an.
2. b) Der Erdumfang beträgt etwa $40\,000\ \text{km}$: Wie oft könnte das Licht in einer Sekunde um die Erde laufen?

Beim Durchgang durch ein Prisma wird das weiße Sonnenlicht in ein Farbband wie beim Regenbogen zerlegt.

1. a) Nenne die Farben dieses Bandes der Reihe nach.
2. b) Welche unsichtbaren Strahlungen gibt es jenseits von Rot und jenseits von Violett? Nenne je ein Anwendungsbeispiel.
3. c) Breiten sich rotes und violettes Licht im Vakuum mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus?

Ein Taschenlampenstrahl trifft im Badezimmer auf den Spiegel und bildet mit dem Lot, der Senkrechten zum Spiegel, einen Winkel von $30^\circ$. Die Abbildung zeigt den einfallenden Strahl auf den Spiegel.

1. a) Unter welchem Winkel, vom Lot aus gemessen, wird der Strahl reflektiert?
2. b) Formuliere das Reflexionsgesetz mit eigenen Worten.
3. c) Zeichne in dein Heft den Spiegel, das Lot, den einfallenden und den reflektierten Strahl und trage die Winkel ein.

Du kannst es auf Papier machen und ein Foto deiner Antwort schicken.

Ein Strohhalm in einem Glas Wasser sieht genau an der Wasseroberfläche geknickt aus. Die Abbildung zeigt, was man beobachtet.

1. a) Ist der Strohhalm wirklich geknickt? Erkläre, was passiert.
2. b) Was geschieht mit dem Licht, das vom eingetauchten Teil des Strohhalms kommt, wenn es vom Wasser in die Luft übergeht?
3. c) Wie heißt dieses Phänomen?

Ordne jede elektromagnetische Strahlung ihrer Anwendung zu und schreibe die fünf vollständigen Paare auf:

1. a) Röntgenstrahlung.
2. b) Infrarot.
3. c) Mikrowellen.
4. d) Ultraviolett.
5. e) Radiowellen.

Anwendungen: eine Röntgenaufnahme im Krankenhaus, die Fernbedienung des Fernsehers, Essen in der Mikrowelle erwärmen, Falschgeld erkennen und den Radiosender im Auto hören.

Was haben alle diese Strahlungen gemeinsam?

Der Mond ist etwa $384\,000\ \text{km}$ von der Erde entfernt. Wie lange braucht sein Licht bis zu uns? Gib das Ergebnis mit einer Nachkommastelle an. ($c = 3\cdot10^{5}\ \text{km/s}$.)

Wir können nicht sehen, was hinter einer Ecke ist, hören aber die Geräusche, die von dort kommen.

1. a) Was sagt uns das über die Art, wie sich Licht ausbreitet?
2. b) Erkläre, wie der Schatten deiner Hand auf der Wand entsteht.
3. c) Nenne ein astronomisches Phänomen, das sich auf dieselbe Weise erklären lässt.

Das Sonnenlicht braucht etwa $8\ \text{min}$ und $20\ \text{s}$, um die Erde zu erreichen.

1. a) Gib diese Zeit in Sekunden an.
2. b) Berechne den Abstand zwischen Sonne und Erde in Kilometern mit $c = 3\cdot10^{5}\ \text{km/s}$ und gib ihn in wissenschaftlicher Schreibweise an.

Das Lichtjahr ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt: etwa $9,5\cdot10^{12}\ \text{km}$. Proxima Centauri, der der Sonne nächste Stern, ist $4,2$ Lichtjahre entfernt.

1. a) Berechne diese Entfernung in Kilometern in wissenschaftlicher Schreibweise.
2. b) Wie lange braucht das Licht von Proxima Centauri bis zu uns?

Ein Lichtstrahl trifft auf einen ebenen Spiegel und bildet mit der Spiegeloberfläche einen Winkel von $40^\circ$. Die Abbildung zeigt den einfallenden Strahl auf den Spiegel.

1. a) Welchen Winkel bildet der einfallende Strahl mit dem Lot?
2. b) Wie groß ist der Reflexionswinkel, vom Lot aus gemessen?
3. c) Zeichne die Situation in dein Heft und kennzeichne alle Winkel.

Du kannst es auf Papier machen und ein Foto deiner Antwort schicken.

Das Licht breitet sich im Wasser mit etwa $225\,000\ \text{km/s}$ aus, langsamer als in der Luft, wo es etwa $300\,000\ \text{km/s}$ schnell ist. Die Abbildung zeigt die Richtungsänderung des Strahls beim Übergang von Luft in Wasser.

1. a) Berechne, wie viel Mal schneller das Licht in Luft ist als in Wasser, mit einer Nachkommastelle.
2. b) Beim Übergang von Luft in Wasser wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen: Setze diese Richtungsänderung mit der Änderung der Geschwindigkeit in Beziehung und nenne das Phänomen.
3. c) Erkläre damit, warum ein Strohhalm in einem Glas Wasser geknickt aussieht.

In einer Glasfaser breitet sich das Licht mit $2\cdot10^{8}\ \text{m/s}$ aus.

1. a) Wie lange braucht ein Lichtimpuls für $100\ \text{km}$ Glasfaser? Gib das Ergebnis in wissenschaftlicher Schreibweise an.
2. b) Rechne das Ergebnis in Millisekunden um.
3. c) Erkläre, warum die Glasfaser die Internetverbindung mit so geringer Verzögerung überträgt.

Die Astronauten der Apollo-Missionen sprachen per Funk mit dem Kontrollzentrum in Houston, und Radiowellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Der Mond ist $384\,000\ \text{km}$ entfernt.

1. a) Wie lange braucht eine Frage aus Houston bis zum Mond?
2. b) Wie viel Zeit vergeht mindestens zwischen der Frage aus Houston und dem Eintreffen der Antwort des Astronauten?
3. c) Warum sagen wir „mindestens“?

Das Licht von Sirius, dem hellsten Stern am Nachthimmel, braucht $8,6$ Jahre bis zur Erde.

1. a) Wie weit ist Sirius entfernt, angegeben in Lichtjahren?
2. b) Wenn du ihn heute Nacht beobachtest, siehst du Sirius dann so, wie er jetzt ist, oder so, wie er vor einiger Zeit war? Erkläre deine Antwort.
3. c) Was meinen Astronomen, wenn sie sagen, mit einem Teleskop in die Ferne zu schauen heiße, in die Vergangenheit zu blicken?

Ein T-Shirt sieht im weißen Sonnenlicht rot aus.

1. a) Erkläre, was der Stoff mit den verschiedenen Anteilen des weißen Lichts macht, damit wir ihn rot sehen.
2. b) Sage voraus, welche Farbe dieses T-Shirt in einem Raum hat, der nur mit grünem Licht beleuchtet wird, und begründe es.
3. c) Welche Farbe hat in demselben Raum ein weißes T-Shirt? Begründe deine Antwort.

Wir berechnen, wie viele Kilometer ein Lichtjahr sind.

1. a) Wie viele Sekunden hat ein Jahr mit $365$ Tagen? Gib es in wissenschaftlicher Schreibweise an.
2. b) Multipliziere diese Zeit mit der Lichtgeschwindigkeit ($c = 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$) und gib die Strecke in Metern und in Kilometern an.
3. c) Der Stern Wega ist etwa $25$ Lichtjahre entfernt: Berechne diese Entfernung in Kilometern.

Beteigeuze, ein Stern im Sternbild Orion, ist etwa $640$ Lichtjahre entfernt, und Astronomen erwarten, dass er eines Tages als Supernova explodiert.

1. a) Wenn die Teleskope morgen die Explosion beobachten würden, wann hat sie sich tatsächlich ereignet? Was geschah ungefähr zu jener Zeit in der Geschichte der Erde?
2. b) Wenn die Explosion wirklich heute stattfände, wann würde die Nachricht die Erde erreichen?
3. c) Erkläre, warum Astronomen die Beobachtung sehr weit entfernter Objekte mit dem Empfang eines vor langer Zeit geschriebenen Briefes vergleichen.

Die Astronauten der Apollo-Missionen ließen Spiegelfelder auf dem Mond zurück. Von einer Sternwarte wird ein Laserpuls gesendet, der an ihnen reflektiert wird und $2,56\ \text{s}$ später zurückkehrt. Der Mond ist $384\,000\ \text{km}$ entfernt. Das Schema zeigt den Weg des Lichtpulses.

1. a) Welche Gesamtstrecke legt der Lichtpuls zurück?
2. b) Berechne die Lichtgeschwindigkeit, die sich aus diesem Experiment ergibt, und gib sie in $\text{km/s}$ und in $\text{m/s}$ an.
3. c) Erkläre, warum man die Lichtgeschwindigkeit nicht mit einer Taschenlampe und einer Stoppuhr zwischen den beiden Enden des Schulhofs messen kann.

Ein einfaches Periskop hat zwei parallele ebene Spiegel, die jeweils um $45^\circ$ gegen die Waagerechte geneigt sind, einen oben und einen unten im Rohr. Die Abbildung zeigt das Periskop mit seinen beiden Spiegeln.

1. a) Zeichne in dein Heft den Weg eines Lichtstrahls, der waagerecht auf den oberen Spiegel trifft, bis zum Auge, indem du an jedem Spiegel das Reflexionsgesetz anwendest.
2. b) Welchen Winkel bildet der Strahl an jedem Spiegel mit dem Lot? Um wie viel wird der Strahl bei jeder Reflexion abgelenkt?
3. c) Erkläre, warum der Strahl, der das Auge erreicht, waagerecht und parallel zum eintretenden Strahl verläuft.
4. d) Nenne eine praktische Anwendung eines Periskops.

Du kannst es auf Papier machen und ein Foto deiner Antwort schicken.

Ein Angler, der am Ufer steht, sieht einen Fisch unter Wasser.

1. a) Die Lichtstrahlen, die vom Fisch ausgehen, treten vom Wasser in die Luft über, wo sie sich schneller ausbreiten: Werden sie beim Austritt an der Oberfläche zum Lot hin oder vom Lot weg gebrochen?
2. b) Unser Gehirn deutet das Licht so, als wäre es geradlinig angekommen: Begründe, warum der Fisch näher an der Oberfläche zu sein scheint, als er tatsächlich ist.
3. c) Zeichne in dein Heft die Strahlen und die scheinbare Position des Fisches.
4. d) Warum muss man beim Speerfischen unterhalb der Stelle zielen, an der man den Fisch sieht?

Du kannst es auf Papier machen und ein Foto deiner Antwort schicken.

Rotes Licht hat eine Wellenlänge von etwa $6\cdot10^{-7}\ \text{m}$, die Mikrowellen eines Ofens haben $0,12\ \text{m}$. Alle elektromagnetischen Wellen breiten sich im Vakuum mit $c = 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$ aus.

1. a) Berechne die Frequenz des roten Lichts und die der Mikrowellen mit $c = \lambda \cdot f$.
2. b) Welche der beiden hat die größere Frequenz?
3. c) Vervollständige die Regel und begründe sie mit der Formel: „Je größer die Wellenlänge, desto $\dots$ die Frequenz.“
4. d) Ordne diese Strahlungen nach aufsteigender Frequenz: Röntgenstrahlung, Infrarot, sichtbares Licht und Radiowellen.

Nach einem Sommergewitter erscheint der Regenbogen, wenn die Sonne tief in deinem Rücken steht und der Regen vor dir ist.

1. a) Erkläre, was mit dem Sonnenlicht geschieht, wenn es in einen Regentropfen eintritt, die Rückseite des Tropfens erreicht und ihn wieder verlässt, und nenne die beteiligten Phänomene.
2. b) Jede Farbe wird unter einem etwas anderen Winkel gebrochen: Wie nennt man die Zerlegung des weißen Lichts in Farben?
3. c) Begründe, warum man für einen Regenbogen die Sonne hinter sich und den Regen vor sich haben muss.
4. d) Der Bogen ist zu sehen, weil dir nur die Tropfen, die unter einem bestimmten Winkel zur Sonnenrichtung stehen, das Licht zurückwerfen: Erkläre, warum das eine gekrümmte Linie ergibt.

Du kannst es auf Papier machen und ein Foto deiner Antwort schicken.

Alle elektromagnetischen Strahlungen breiten sich im Vakuum mit derselben Geschwindigkeit aus, aber die Energie jedes Photons nimmt mit der Frequenz zu, und Strahlungen mit sehr hoher Frequenz, wie Röntgenstrahlung, sind sehr durchdringend.

1. a) Ordne nach aufsteigender Frequenz: Infrarot, Ultraviolett, sichtbares Licht und Röntgenstrahlung.
2. b) Erkläre, warum Sonnenbrillen und Sonnencremes vor allem die ultraviolette Strahlung und nicht die infrarote herausfiltern.
3. c) Warum schützt sich das medizinische Personal beim Röntgen hinter einer Bleiwand, und warum wird die Zahl der Röntgenaufnahmen bei einem Patienten begrenzt?
4. d) Wärmebildkameras erfassen die Infrarotstrahlung, die warme Körper aussenden: Erkläre, warum sie sich eignen, um Personen im Dunkeln aufzuspüren.

Themenprojekt. Entwirf einen Plan zur akustischen und lichttechnischen Optimierung deines Lernplatzes zu Hause. Gehe in diesen vier Phasen vor:

1. Einordnung: Recherchiere die von der WHO empfohlenen Lärmpegel ($55\text{ dB}$) und die mittlere Sonneneinstrahlung deines Wohnorts auf der Website des Deutschen Wetterdienstes und begründe, warum man die einfallende Wellenenergie regulieren muss.

2. Experiment zu Hause: Verwende eine kostenlose Handy-App (Schallpegelmesser oder Luxmeter). Wähle eine feste Quelle (Lautsprecher mit konstantem Ton oder Lampe) und miss den Schallpegel ($\text{dB}$) oder die Beleuchtungsstärke ($\text{lx}$) in fünf verschiedenen Abständen ($d \pm 0,02\text{ m}$, zwischen $0,50\text{ m}$ und $2,50\text{ m}$). Wiederhole jede Messung dreimal, um den repräsentativen Wert und seine Unsicherheit zu bestimmen.

3. Datenauswertung: Erstelle eine Tabelle mit deinen Ergebnissen und zeichne das Diagramm der gemessenen Größe gegen den Abstand (beim Schall rechnest du vorher die $\text{dB}$ mit $I = I_0\cdot 10^{L/10}$, $I_0 = 10^{-12}\text{ W/m}^2$ in Intensität um) und vergleiche es mit dem idealen Modell $I \propto 1/d^2$. Interpretiere die Kurve und erkläre, wie sich die Energie der Welle ausbreitet, ohne Materie zu verschieben, und wie Absorption und Reflexion eine Rolle spielen.

4. Begründeter Vorschlag: Verfasse einen kurzen Bericht (eine Seite) mit zwei Verbesserungsmaßnahmen für dein Zimmer, die auf den Eigenschaften von Licht und Schall beruhen.

Bewertet werden:

• Experimentelle Sorgfalt bei den Messungen, der Berechnung der Unsicherheiten sowie bei Tabelle und Diagramm.

• Korrekte Anwendung der Gesetze und Eigenschaften von Wellen, Schall und Licht.

• Umsetzbarkeit und wissenschaftliche Begründung des Vorschlags zur Raumgestaltung.