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Optica








Diese beiden Theorien sind nach heutiger Erkenntnis nicht vereinbar. Bis jetzt gilt das Gesetz, dass etwas entweder aus Energie (z. B. Arbeit) oder aber aus Materie (z. B. Festkörper) bestehe.
Dieses Problem gibt es aber nicht seit dem Beginn der Physik. Anfangs des 20. Jahrhunderts war man sich sicher, dass das Licht auf elektromagnetische Wellen zurückzuführen sei. Man konnte alle Gesetze der Optik auf die Grundgesetze der Elektrizitätslehre zurückführen. So glaubte man, das richtige Modell gefunden zu haben, nachdem sich schon etliche grosse Physiker (wie z. B. Newton) mit diesem Problem befasst hatten. Newton kam z. B. mit einem simplen Teilchenmodell aus. Im 18. Jahrhundert kam man jedoch zur Erkenntnis, dass Licht doch auf eine Wellentheorie zurückzuführen sei. Ungefähr 50 Jahre später kam man in eine Krise, da neue experimentelle Ergebnisse nach damaliger Naturauffassung nicht mit der Wellentheorie zu vereinbaren waren. In der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts kam man dann eben auf die elektromagnetische Wellentheorie.



Man war aber noch nicht am Ziel, wie sich Anfangs des 20. Jahrhunderts erweisen sollte. Neue experimentelle Befunde konnten durch die Wellentheorie nicht erklärt werden. Hier schaffte das Teilchenmodell Abhilfe, obwohl es gewisse andere Erscheinungen des Lichtes nicht erklären konnte. Man griff also auf eine Theorie zurück, die ca. 350 Jahre alt war. Newton hatte das Licht ja ebenfalls schon mit einem Teilchenmodell zu erklären versucht. Durch diese neue Entwicklung in der Modellfrage verfiel die Optik wiederum in eine Krise. Bis heute ist diese Modellfrage nicht vollständig gelöst.
An diesem Beispiel können wir sehen, dass die Naturwissenschaften noch lange nicht am Ende aller Wahrheiten ist. Man glaubte schon früher, die Wahrheit über das Licht gefunden zu haben. Diese Theorien stellten sich alsbald als falsch heraus, da man zu neuer Erkenntnis gelangt war. Doch die Auffassungsgabe vor dieser Erkenntnis liess eine solche revolutionäre Theorie gar nicht zu.
Auch heute können die Naturwissenschaften noch an der Auffassungsgabe scheitern, wie uns das Beispiel aus der Optik zeigt. Mit unseren heutigen Mitteln und Wegen ist es uns nicht möglich, die Natur des Lichtes zu erklären. Dies obwohl verschiedenste Physiker schon vor Jahrhunderten begonnen haben, dieser Natur auf die Schliche zu kommen. Licht war, ist und bleibt also etwas Faszinierendes.
2. Allgemeines zum Thema „Licht"
2.1 Die Berechnung der Lichtgeschwindigkeit
2.1.1 Die Astronomische Bestimmung von Römer
An dieser Methode, mit der die Lichtgeschwindigkeit zum ersten Male berechnet wurde, arbeiteten eigentlich 3 Astronomen über mehrere Jahrhunderte. Galilei war der erste von ihnen. Er stellte fest, dass der innerste Mond des Jupiters diesen in 42 ¸ Stunden umkreist. Dies sollte eine Hilfe für Seefahrer sein, die damit ihre Position hätten bestimmen können. In Wirklichkeit war diese Uhr aber gar nicht so genau. Abweichungen von 200 - 300 Seemeilen (370 - 560 km) waren keine Ausnahme.


Um den Seefahrern eine bessere Orientierung zu ermöglichen, erstellte der franz. Astronom Giovanni Domenico Cassini eine Tafel, in der er die Verfinsterung dieses Jupitermondes niederlegte.
Im Jahre 1675 wollte der dänische Astronom Ole Römer diese Zeittafel verbessern. Er stellte aber erstaunlicherweise Differenzen von bis zu 1000 Sekunden fest. Je nachdem, wo sich die Erde relativ zum Jupiter befand, waren die Abweichungen grösser oder kleiner. Befand sich die Erde im Punkt kleinster Entfernung zum Jupiter, stimmte die Tafel mit den Messungen überein. Er kam zum Schluss, dass wenn die Erde sich nicht bewegen würde, dass der Mond dann alle 42 ¸ Stunden den selben Platz einnehmen würde. Er nahm nun an, dass der Mond gerade aus dem Schatten des Jupiters hinaustritt. So würde er, würde die Erde am Punkt A stehenbleiben, nach 42 ¸ Stunden wieder aus dem Schatten des Jupiters hinaustreten.
Nun rechnete er aber damit, dass sich die Erde in diesen 42 ¸ Stunden von Punkt A nach Punkt B bewegt, was sie ja in Wirklichkeit auch tut. Nun braucht der Mond von der Erde aus gesehen 42 ¸ Stunden plus die Zeit, die das Licht braucht um von A nach B zu gelangen, um aus dem Schatten des Jupiters hinauszutreten. In einem halben Jahr ändert sich die Distanz zwischen Jupiter und Erde um den Erdbahndurchmesser (300’000’000 km). Die Abweichung der Zeittafel ergab in einem halben Jahr etwa 1000 Sekunden. Somit konnte Römer die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichtes berechnen:
c = 2r/t = 2 • 150 • 106 m / 1000 s = 300’000 km/s
2.1.2 Die Zahnradmethode von Fizeau
Dem französischen Physiker Hippolyte Fizeau gelang die Messung der Lichtgeschwindigkeit 175 Jahre später auf der Erde. Er benötigte dazu eine Lampe, zwei Spiegel, ein Zahnrad und ein kleines Fernrohr. Diese Utensilien stellte er der Anordnung gemäss auf. Das Zahnrad und der eine Spiegel mussten auf den Millimeter genau ausgerichtet sein. Diese Ausrichtung war zu dieser Zeit ein Meisterwerk besonderer Art. Die Idee des Experimentes war folgende: Das Zahnrad dreht sich. Dadurch wird der, die Lücke des Zahnrades durchlaufende Lichtstrahl in Lichtblitze unterteilt. Ein solcher Lichtblitz schiesst auf den 10 km entfernten Spiegel los, wird dort reflektiert und kehrt zum Zahnrad zurück. Je nach Drehgeschwindigkeit des Zahnrades durchläuft der Lichtblitz noch die selbe Lücke, trifft auf einen Zahn oder strömt erst durch die zweite Lücke zurück. Auf der Linse des Fernrohres erscheint ein kurzes Aufleuchten, das von diesem Lichtblitz erzeugt wurde. Aus der Drehzahl des Zahnrades, der Anzahl Zähne, deren Abständen und der vom Licht durchlaufenen Strecke kann man nun die Lichtgeschwindigkeit berechnen.


Später ergaben genauere Messungen im Labor eine Lichtgeschwindigkeit von
c = 299’792’458 m/s
2.1.3 Messung der Lichtgeschwindigkeit in Materie
Durch Messungen von Leon Foucault im Jahre 1862 erwies sich, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum nicht gleich gross ist, wie diejenige in Materie. Foucalt mass die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichtes in Wasser und in Schwefelkohlenstoff. Er erhielt wesentlich kleinere Werte als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
Auch die Art des Materials spielt eine Rolle. Licht pflanzt sich also nicht in jedem Stoff gleich schnell fort. Im Gegensatz zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum spielt die Farbe des Lichtes in Materie eine Rolle. Rotes Licht pflanzt sich in Materie schneller fort als z. B. blaues Licht.
Halten wir also fest:
Im Vakuum beträgt die Lichtgeschwindigkeit ca. 300’000 km/s In Materie ist die Lichtgeschwindigkeit sowohl von der Art des Materials, wie auch von der Farbe des Lichtes abhängig. Sie ist aber kleiner als im Vakuum.
2.2 Reflexion und Brechung des Lichtes
2.2.1 Das Reflexionsgesetz
Der erste, der sich mit der Reflexion des Lichtes beschäftigte, war wahrscheinlich Euklid (ca. 300 v. Chr.). Er entdeckte auch das Gesetz für die Reflexion des Lichtes.
Der Reflexionswinkel a ¢ ist gleich dem Einfallswinkel a zum Lot der Reflexionsoberfläche. Der reflektierte Strahl, der einfallende Strahl und das Lot zur Reflexionsoberfläche befinden sich in einer Ebene.
2.2.2 Das Brechungsgesetz
Dieses Gesetz liess fast 2000 Jahre länger auf sich warten. Zu dieser Zeit gelang es dem holländischen Mathematiker Willebrord Snellius, eine Gesetzmässigkeit über die Brechung des Lichtes aufzustellen. Er verglich die beiden Katheten EP und GQ (siehe Skizze) miteinander und stellte fest, dass deren Verhältnis beim gleichen Material immer den gleichen Wert besitzt. Da die Hypothenusen der Dreiecke EP0 und GQ0 die gleichen Werte besitzen, stehen die Gegenkatheten EP und GQ in direkter Proportionalität mit den sin-Werten der Winkel a und b . Dies wiederum heisst, das sich sin a und sin b in festem Verhältnis stehen. Dieses Verhältnis wird Brechungsquotient genannt und erhält die Variable n.
n = sin a / sin b = konst.
Wie schon beim Reflexionsgesetz liegen das Lot zur Brechungsebene, der einfallende Strahl und der gebrochene Strahl und in einer Ebene.




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