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Donnerstag, 11. September 2014, 06:00

Optik - Linse am Aquarium

Eine plankonvexe Linse (nL= 1,51) mit dem Krümmungsradius R1 = 20 cm liegt mit der Planfläche auf der Scheibe eines wassergefüllten Aquariums.
a) Wo liegt der Brennpunkt im Wasser (n W = 1,33) ?
b) In welcher Entfernung entsteht das Bild eines Fisches, der 25 cm von der Linse entfernt im Wasser schwimmt ?
c) Welchen Unterschied macht es aus, wenn die Linse an der Außenwand oder alternativ an der Innenwand des Aquariums geklebt wird?

Wie gehe ich hier vor?

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2

Freitag, 12. September 2014, 10:29

Wahrscheinlich gibt es da einschlägige Beispiele in Spezialbüchern für geometrische Optik.
Ich beginne mal mit a)
Ich wähle einen Parallelstrahl zur opt. Achse, der in h=2cm auf die Linse trifft. sin(a)=h/r=0,1 ; a=5,739° . Der Brechwinkel im Linsenglas beträgt dann: sin(b)=sin(a)/n(Gl)=0,06623 ; b=3,797° . Der Einfallswinkeln auf die Aquariumwand beträgt dann c=a-b=1,942° . Der Brechwinkel im Wasser beträgt dann: sin(d)=sin(c)*n(Gl)/n(W)=0,03847 ; c=2,205° . Der Winkel gegen die Ursprungsrichtung beträgt dann: e=c+d =4,147° . Für diesen Winkel gilt: h/f=tan(e) , woraus sich die Brennweite im Wasser zu f(W)=27,58cm berechnet.
Als Nebenergebnis könnte man die Brennweite in Luft aus der Ablenkung eines Parallelstrahls aus dem Wasser berechnen sin(a)=h/r=0,1 (wie eben). Der Brechwinkel in Luft beträgt dann:
sin(b)=sin(a)*n(Gl)=0,151 ; b=6,685° . Die Ablenkung gegenüber der Ursprungsrischtung beträgt jetzt: c=b-a=2,946°; f=h/tan(c) = 38,86cm . ie Brennweite auf der Luftseite beträgt also f(L)=38,86cm.
Die (fast) gleiche Brennweite ergibt sich auch aus der Formel: 1/f=(n-1)*1/r , mit f=39,22cm

Ich hoffe, mich bei dem "Gewusel" von Winkeln nicht irgendwo vertan zu haben...

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3

Freitag, 12. September 2014, 11:00

Ich glaube schon einen Fehler entdeckt zu haben. Der Winkel im Wasser, mit dem der Lichtstrahl sich auf die optische Achse zu bewegt, also Richtung f(W) beträgt d=2,205° (fälschlich c genannt) und nicht der Winkel e.
Demnach betrüge die Brennweite im Wasser dann: h/f=tan(d) => f(W) = 51,94cm

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4

Freitag, 12. September 2014, 11:12

Zu Frage b)

Irgendwo (ich weiß den Zusammenhang nicht mehr) habe ich mal eine Formel gesehen:

1/F = 1/f(1) +1/f(2)

Wenn ich die mal anwende, erhalte ich ein F=22,22 cm
Wenn ich mit diesem F und der Gegenstandsweite g=25 cm in die Linsenformel gehe, dann würde ich auf eine Bildweite von 200 cm kommen.

Aber ob das hier überhaupt relevant ist,...keine Ahnung. Eventuell hast Du ja schon genauere Recherchen...

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5

Samstag, 13. September 2014, 15:43

Bei der weiteren Bearbeitung der Aufgabe bin ich auf einige, hoffentlich nicht nur zufällige, Zusammenhänge gestoßen.
a) Brennweite der Glaslinse in Luft: (Berechnet aus Brechung = 38,9 cm)
\[{1\over f_L}=(n-1)\cdot \frac 1 r \ \ \ =>\ f_L=39,2\,cm\]
b) Brennweite in Wasser: (Berechnet aus Brechung = 51,9 cm)
\[f_W=n_W\cdot f_L\ =52,1\,cm\]
c) Bildweite in Wasser:
\[{1\over f_W}={1\over 45cm}+{1\over b_W}\ \ \ =>\ \ b_W=\,-330,2\,cm\]
d) Linse mit planer Seite an Innenwand des Aquariums:
Berechnet aus Strahlengang:
\[f_L=110,6\,cm\ \ \ \ f_W=146,9\,cm\]
Das ist (zufällig ? ?) das (n(W)+n(L))= 2,84 fache der Brennweiten in Luft oder Wasser.
Das erklärt sich auch dadurch, daß jetzt die stärkste Krümmung nicht mehr zwischen den Medien mit der größten Brechzahldifferenz angeordnet ist.
Das Verhältnis der Brennweiten f(W) : f(L) ist auch hier wieder 1,33 = n(W)
Wenn man diese Proportionalität zwischen Wasserseite und Luftseite einmal auf die anderen Weiten anwendet, dann wäre die Gegenstandsweite in Luft nicht 45 cm, sondern 45/1,33=33,8cm .
Berechnet man nun die Bildweite für Luft, b(L) für die erste Anordnung der Linse, so erhält man:
\[{1\over f_L}={1\over g_L}+{1\over b_L}\ \ \ \ =>\ b_L=\,-245,4\,cm\]
Wendet man nun wieder für die Größen auf der Wasserseite die Beziehung: b(W)=b(L)*n(W) an, so erhält man wieder b(W)=326,4 cm in guter Übereinstimmung.

Laß mal hören, was sich sonst so ergeben hat.
Auwi

Chemi-kerin

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6

Sonntag, 28. September 2014, 07:22

Hallo Auwi,

kann leider noch nicht sagen. Habe alles noch etwas mit Skizzen verschönt, nachgerechnet und abgegeben. Der Lehrer kontrolliert noch.
Sobald ich was weiß, gebe ich Info.

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Dank Ihrer Hilfe gab es insgesamt eine 3+ in Physik.

Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von »PaprikaChips« (4. November 2014, 18:30) aus folgendem Grund: Beiträge zusammengeschrumpft, achte bitte demnächst drauf nicht zu viele inhaltslose Beiträge zu posten. Liebe Grüße, Paprika.


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