Wellenoptik – elektromagnetisches Spektrum

Wellenoptik – elektromagnetisches Spektrum Übung

• Nenne Strahlungen des elektromagnetischen Spektrums, die im Sonnenlicht enthalten sind.

  Tipps

  Im Sommer wird es häufig richtig warm, wenn die Sonne scheint. Sobald die Sonne verdeckt ist, wird es deutlich kühler. Ist dafür eine Strahlung verantwortlich, die im Sonnenlicht enthalten ist oder wo kommt die Wärme her? Musst du im Sommer noch weitere Dinge im Bezug auf die Strahlung der Sonne beachten?

  Hast du schon einmal eine Infrarotlampe benutzt? Mit dieser werden häufig kleine Küken gewärmt oder auch ein Rücken. Wenn du deine Hand davor hältst, merkst du, dass sie warm wird. Wenn du deine Hand in die Sonnenstrahlen hältst, merkst du die gleiche Wärme. Welche Strahlungsart könnte von einer Infrarotlampe ausgehen?

  Besonders im Sommer musst du dich vor den Strahlen der Sonne schützen. Dazu gehören vor allem Sonnenbrille und Sonnencreme. Auf den Produkten muss der UV-Schutz besonders vermerkt sein. Wofür steht das und vor welchen Strahlen schützen diese Produkte?

  Lösung

  Im Sommer treffen die Sonnenstrahlen am direktesten auf unsere Erde. Damit sind auch die Auswirkungen am stärksten zu spüren.

  Es wird warm und wenn du dich vor den Strahlen nicht schützt, bekommst du einen Sonnenbrand. Das kann auch im Winter passieren, deswegen sollte auch im Winter auf ausreichend Sonnenschutz geachtet werden.

  Doch was für Strahlen schickt die Sonne zu uns?

  Dazu gehört erstmal das Licht, was wir sehen können. All diese Farben sind unter dem Spektrum des Lichts zusammengefasst.

  Doch auch die Wärme und die Verbrennungsgefahr muss irgendwo herkommen.
  Die Wärme kommt von der Infrarotstrahlung. Diese ist ebenfalls im Sonnenlicht enthalten. Wenn du deine Hand unter eine Infrarotlampe hältst, merkst du, dass sie warm wird. Dabei treffen dieselben Strahlen auf deine Hand wie im Sonnenlicht.
  Die Verbrennungsgefahr kommt von der ultravioletten Strahlung. Diese wird auch UV-Strahlung genannt.
  Diese Bezeichnung hast du vielleicht schon einmal an einer Sonnenbrille oder besonders auf der Sonnencreme gesehen. Es ist sehr wichtig, dass du immer, wenn die Sonne scheint, auf ausreichend UV-Schutz achtest.

  Die Zahlen auf der Sonnencreme stehen für den Lichtschutzfaktor. Dieser besagt, wie viele zusätzliche Minuten du dich der UV-Strahlung aussetzten darfst. Gibt der Wetterdienst an, dass man sich heute nur 15 Minuten der Sonne aussetzten sollte, kannst du mit einem LSF 45 also eine Stunde in der Sonne bleiben. Ist diese Stunde um, hilft auch kein erneutes Auftragen. Du musst dann raus aus der Sonne. Du solltest also lieber einen zu hohen, als einen zu niedrigen Schutzfaktor wählen, wenn du dich der Sonnenstrahlung aussetzt.

• Nenne die zu den Strahlungen gehörenden Wellenlängen.

  Tipps

  In Darstellungen des elektromagnetischen Spektrums werden die Strahlungsarten nach ihrer Wellenlänge sortiert. Dabei hat Röntgenstrahlung die längste und Mikrowellen haben die kürzeste Wellenlänge.

  Wenn du alle Einheiten in Meter umwandelst, kannst du die Wellenlängen leicht vergleichen und nach der Größe sortieren. Dazu musst du das Komma um entsprechend viele Stellen nach rechts verschieben.

  Betrachte dazu die Zahl im Exponenten und verschiebe das Komma um genau so viele Stellen nach links. Damit ist $1 ~ mm = 1 \cdot 10^{-3} ~m = 0,001~ m$. Je größer der negative Exponent in der Angabe in Meter ist, desto kleiner ist die Zahl.

  Lösung

  Im elektromagnetischen Spektrum sind verschiedene Strahlungen zusammengefasst.

  Diese werden durch die Wellenlänge unterschieden.
  In Graphiken zum elektromagnetischen Spektrum werden die Strahlungsarten meist auch nach dieser sortiert.

  Das Spektrum des Lichts umfasst dabei alle Strahlungen, die wir mit bloßem Auge erkennen können. Das sind Strahlungen zwischen 380 und 780 Nanometern.

  Am leichtesten können die Wellenlängen verglichen werden, wenn sie alle in Meter umgewandelt werden. Dazu muss das Komma entsprechend verschoben werden. Die Zahlen können auch mithilfe der Multiplikation mit Zehn und einem dazugehörigen Exponenten ausgedrückt werden.

  Es gilt zum Beispiel für die kleinste Wellenlänge des sichtbaren Lichts:
  $380 ~ nm = 380 \cdot 10^{-9} m$.
  Das ist dann violettes Licht.

• Erkläre Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen den verschiedenen elektromagnetischen Strahlungen.

  Tipps

  Verschiedenste Experimente haben gezeigt, dass sich Licht wie eine Welle ausbreitet. Wodurch unterscheidet sich Licht von einer Wasserwelle? Wie verhält es sich mit anderen elektromagnetischen Strahlungen?

  Jeder Welle kann eine Wellenlänge und eine Frequenz zugeordnet werden. Die Wellenlänge gibt dabei an, wie weit zwei phasengleiche Punkte, zum Beispiel Punkte maximaler Auslenkung, voneinander entfernt sind.

  Könnten zwei Strahlungsarten voneinander unterschieden werden, wenn sie dieselbe Wellenlänge haben?

  Lösung

  In verschiedenen physikalischen Versuchen wurde bewiesen, dass sich Licht wie eine Welle ausbreitet. Dasselbe gilt auch für alle weiteren elektromagnetischen Strahlungen. Die Wellen werden deswegen auch elektromagnetische Wellen genannt.

  Im Gegensatz zu anderen Wellen benötigen sie keine Materie zur Ausbreitung. Dies ist zum Beispiel bei Wasserwellen nicht der Fall.

  Wie jeder Welle kann den Wellen eine Wellenlänge, eine Frequenz und auch eine Amplitude zugeordnet werden. Die letztere gibt bei elektromagnetischen Wellen die Intensität an.

  Durch die Wellenlänge können die Strahlungsarten unterschieden werden. Jede Strahlungsart befindet sich im Bereich einer bestimmten Wellenlänge.

  Das Spektrum des Lichts umfasst alle Strahlungen, die wir mit bloßem Auge wahrnehmen können. Diese bewegen sich in Wellenlängen zwischen 430 und 780 Nanometern.

• Finde heraus, wo Infrarotstrahlungen auf der Erde zu finden sind.

  Tipps

  In der Sonne wird dir schnell ganz schön warm. An welchen Strahlen, die im Sonnenlicht enthalten sind, liegt das?

  Wenn wir mit unseren Händen etwas anfassen, dann fühlt es sich intuitiv warm oder kalt an. Das hängt dabei von unser eigenen Körpertemperatur ab. Jeder Körper über dem absoluten Nullpunkt enthält ein bisschen Wärme und gibt diese nach außen ab.

  Ein Körper gibt Wärme immer in Form von Strahlung ab. Wie könnte man diese Strahlung nennen?

  Lösung

  Wenn du im Sommer in der Sonne stehst, dann wird dir ganz schnell ziemlich heiß. Das liegt an den Infrarotstrahlen, die in den Sonnenstrahlen enthalten sind.

  Sie gehören zu den elektromagnetischem Spektrum, bewegen sich also in Form von elektromagnetischen Wellen vorwärts. Die wichtigste Eigenschaft von Infrarotstrahlen ist dabei, dass sie Wärme übertragen. Daher kommt auch der Name Wärmestrahlung.

  Die meisten Infrarotstrahlen gelangen also über die Sonne auf unsere Erde. Sie werden von den Körpern in unserer Umgebung aufgenommen (absorbiert) und auch wieder abgestrahlt (reflektiert).
  Dadurch kommt es, dass auch andere Körper sich warm anfühlen können. Wie warm oder kalt sich ein Körper anfühlt, hängt dabei von der eigenen Körperwärme ab.

  Jeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts enthält etwas Wärme und strahlt diese in Form von Wärmestrahlung ab.

• Nenne den Begriff, unter dem alle elektromagnetischen Strahlungen zusammengefasst sind.

  Tipps

  Mit dem Begriff Spektrum werden verschiedene Arten zusammengefasst.

  Licht ist eine Strahlung und breitet sich in Form von Wellen aus. Gibt es noch andere Strahlungen und wodurch unterscheiden sich diese vom sichtbaren Licht?

  Es gibt noch mehr Strahlungen als das sichtbare Licht. Dieses ist nur ein kleiner Bereich im gesamten Spektrum. Es handelt sich dabei um alle elektromagnetischen Strahlungen.

  Lösung

  Licht ist die einzige Strahlung, die wir mit bloßem Auge wahrnehmen können. Das Licht kann in die verschiedenen Farben unterteilt werden. Insgesamt wird es als Spektrum des Lichts bezeichnet.

  Es gibt aber noch viele weitere Strahlungen: Sie werden auch elektromagnetische Strahlungen genannt. Dieser Begriff rührt daher, dass sie Wellen aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern sind.
  Alle Strahlungen breiten sich in Form von Wellen aus. Auch das Licht.

  Auch du kennst noch weitere Strahlungen als das Licht. Denn du hast dir sicher schon einmal was zu essen in der Mikrowelle warm gemacht. Hier wird das Essen mithilfe von Mikrowellen erwärmt. Daher kommt auch der Name.

  Auch ein Radio hast du schon mal benutzt. Hast du eine Idee, welche Wellen hier genutzt werden?

  Die Gesamtheit aller elektromagnetischen Strahlungen wird dann elektromagnetisches Spektrum genannt.

• Erkläre, wie Sonnenstrahlen unser Weltbild beeinflussen.

  Tipps

  In einem Regenbogen kannst du alle Farben erkennen, die das Sonnenlicht enthält. Es entsteht durch die Aufspaltung des Sonnenlichts in seine einzelnen Bestandteile. Die Farben die wir in unserer Welt sehen, finden wir auch in den Farben des Regenbogens wieder.

  Wenn die Sonne durch viele Wolken bedeckt ist, wirkt alles trist und grau. Liegt das nur daran, dass wir die Sonne so gerne mögen oder könnte es auch etwas mit den Sonnenstrahlen zu tun haben?

  Wenn Licht auf einen Spiegel trifft, dann wird das Licht reflektiert. Nur deswegen sehen wir unser Spiegelbild. Es liegt an der besonders glatten Oberfläche, dass der Spiegel das Licht reflektiert. Auch jeder andere Körper reflektiert einen Teil des Lichts. Was passiert mit dem Rest und welche Auswirkung hat der reflektierte Anteil?

  Lösung

  Es muss der Weg des Lichts von der Sonne bis zum Auge Schritt für Schritt nachvollzogen werden.

  Die Sonnenstrahlen kommen von der Sonne und treffen auf die Erde. In ihnen sind alle Farben enthalten, die wir sehen.
  Dies wird auch bei einem Regenbogen deutlich. Dort wird das Sonnenlicht in seine Spektralfarben des Lichts aufgefächert und das Spektrum des Lichts wird sichtbar.

  Das Sonnenlicht trifft auf alle Gegenstände. Zu den wichtigen Eigenschaften von Wellen gehört, das diese reflektiert und absorbiert werden können. Komplett glatte Flächen, wie ein Spiegel, reflektieren das gesamte Licht. Deswegen sehen wir unser Spiegelbild.
  Andere, nicht so glatte Gegenstände absorbieren auch einen Teil des Lichts. Es hängt dabei stark von dem Gegenstand ab, welche Farben absorbiert werden. Die Farben die reflektiert werden, treffen als nächstes auf unser Auge.

  Und deswegen nehmen wir einen Gegenstand in bestimmten Farben wahr.

  Ein komplett schwarzer Körper ist dabei ein Körper, der das gesamte sichtbare Licht absorbiert und keins mehr reflektiert.