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Koronen sind farbige Ringsysteme um Sonne oder Mond. Sie entstehen in der Atmosphäre durch Beugung des Lichts an Wassertropfen in Wolken oder anderen kleinen Teilchen. Wichtig ist dabei, dass die Wolken optisch dünn sind. Dann streut das Licht auf seinem Weg von der Lichtquelle ins Auge des Beobachters nur an einem einzigen Tropfen. Außerdem sollten die streuenden Teilchen eine möglichst enge Größenverteilung haben. Erst dann wird die Korona in voller Ausprägung mit zentraler Aureole und mehreren farbigen Ringen sichtbar. Ihre grundlegenden physikalischen Eigenschaften lassen sich durch Beugung an einer einfachen Kreisblende verstehen. Genaue Resultate liefert die Mie-Theorie. Koronen können mit Computersimulationen und einfachen Experimenten gut im Unterricht behandelt werden. Aus den Abmessungen einer Korona lässt sich die Tröpfchengröße ermitteln.
A cone of light appears in a tank of water when a laser pointer shines through the water onto a white piece of paper upon which the tank is sitting. We describe how students can understand the origins of this cone by constructing multiple explanations, then proposing and designing experiments to test their explanations. This process is the foundation of the Investigative Science Learning Environment (ISLE) framework, designed to engage students in the reasoning activities similar to those that physicists use to construct and apply new knowledge. We describe typical student ideas and provide a list of equipment and suggestions for facilitating student exploration relating to optics. We also explain the formal physics behind the phenomena that are involved in the experiment. Finally, we suggest how the ISLE framework can be used to help instructors find problems and experiments that engage students in devising and testing multiple explanations.
Twice in a blue moon
(2009)
Model simulations of laboratory-generated and natural crepuscular rays are presented. Rays are created in the laboratory with parallel light beams that pass through artificial fogs and milk–water solutions. Light scattered by 90° in a dilute mixture of whole milk first increases in intensity with distance from the source to a maximum as a result of multiple scattering by mainly small angles before decreasing exponentially due to extinction as distance continues to increase. Crepuscular rays are simulated for three cloud configurations. In case 1, the Sun at the zenith is blocked by a cloud with an overhanging anvil. The rays appear white against blue sky and are brightest when atmospheric turbidity, β≈11 . Shading by the anvil separates maximum brightness from apparent cloud edge. In case 2, a ray passes through a rectangular gap in a cloud layer. The ray is faint blue in a molecular atmosphere but turns pale yellow as β and solar zenith angle, ϕsun , increase. At ϕsun=60° it appears most striking when the cloud is optically thick, β≈5 , and the beam width Δx≈1000 m . In these cases, increasing aerosol radius, raer , to about 1000 nm brightens, narrows, and shortens rays. In case 3, the twilight Sun is shaded by a towering cloud or mountain. The shaded rays are deeper blue than the sunlit sky because the light originates higher in the atmosphere, where short waves have suffered less depletion from scattering. The long optical path taken by sunlight at twilight makes color and lighting contrasts of the rays greatest when the air is quite clean, i.e., for β−1≪1 . In all cases, the brightest rays occur when sunlight passes through an optical thickness of atmosphere, τ≈O(1) .
© 2011 Optical Society of America
Abstract
So far experiments with artificial halos from single transparent crystals have suffered from the lack of apparatus that allows simultaneous rotation around two and three axes. A new setup is presented which overcomes these restrictions by combining electrical as well as pneumatic concepts. This enables reproducible experiments of the most common halos observed in nature and for the first time artificial ring halos from single hexagons rotating around three axes simultaneously. In addition, an old qualitative halo demonstration based on perceived colors of rotating colored areas whose contours represent scattering plots has been reinvestigated and the usually nonsaturated color of artificial parhelia was visualized using a crossed prism method. These new experiments are discussed in the context of all known artificial halo experiments.
© 2014 Optical Society of America
Coole Experimente
(2001)
Experimente mit flüssigem Stickstoff kommen in der Lehre - vor allem an Hochschulen - bislang zu kurz. Dabei gibt es schöne Versuche aus nahezu allen Bereichen der Physik, die in Lehrveranstaltungen relativ einfach vorgeführt werden können. Wir stellen hier einige Experimente vor, die eindrucksvoll demonstrieren,wie sich physikalische Eigenschaften bei tiefen Temperaturen ändern.
Haushaltsmikrowellen bieten ein interessantes Feld für einfache, teilweise spektakuläre Vorführexperimente. Mit Thermofaxpapier und Infrarotkamera lassen sich zum Beispiel die Modenverteilungen des Zentimeterwellenfeldes im Garraum sichtbar machen. Eine Reihe von Versuchen kann die Absorption durch Metalle zeigen, besonders interessant sind dabei dünne Drähte und Drahtspitzen: Lampenbirnen glühen und Wunderkerzen zünden von selbst. Mikrowellen können auch Entladungslampen starten, Wasser im Eisblock erhitzen und Eier explodieren lassen.
The physics behind the sometimes strange effects and 'unnatural' appearance of near-infrared (NIR) photographs is discussed in terms of reflection, absorption and transmission of NIR radiation with the respective objects. Besides discussing how NIR cameras work, several visible and NIR photograph pairs are presented, which include vegetation, natural water, clouds, the sky, and humans. In addition, some physics-oriented experimental NIR images are presented which clearly demonstrate some of the basic physics behind some of these awesome sights.
Rotwein zu Wasser
(2015)
Abstract
Die Sensoren von Digitalkameras sind fähig, Licht im Nahinfraroten (NIR) bis hin zu Wellenlängen von 1100 nm aufzunehmen. Infrarotfilter blockieren diesen für den Menschen nicht sichtbaren Spektralbereich, um irritierende Falschfarbeneffekte in den Aufnahmen zu verhindern. Diese Filter sind aber entfernbar, und derart umgerüstete Kameras erschließen eine verblüffende Welt. Beim Übergang zum NIR ändern sich die optischen Eigenschaften vieler Objekte. In Landschaftsaufnahmen werden Blätter zu den hellsten Objekten. Rotwein, Cola oder Kaffee werden scheinbar zu Wasser. Man kann zudem unter die Oberfläche von Farben, Stoffen, Lacken und sogar der Haut schauen.
Thermography of Microsystems
(2004)
Bei Interferometrie denkt man an teure optische Aufbauten. Doch für Schulversuche geht es viel einfacher. Auf einem Küchentisch lassen sich mit Laserpointern oder Laserdioden, Glasplättchen, Spiegeln, Linse und Knetgummi in wenigen Minuten komplette Interferometer aufbauen. Wir konnten das mit funktionsfähigen Jamin-, Michelson- und Mach-Zehnder-Interferometern demonstrieren. Sie erlauben sogar Versuche mit Proben, zum Beispiel die Bestimmung der Brechzahl von erhitzter Luft.
Die Physik der Haushaltsmikrowelle ist erstaunlich reichhaltig: Sie umfasst die Erzeugung von Mikrowellen in Magnetrons, Wellenleiter und Resonatoren für elektromagnetische Felder, die dielektrische Relaxation bei der Orientierungspolarisation von Wasser, und die Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen in Materie. Eine Abschätzung der Bedingungen für Multiphotonenionisation und Dissoziation zeigt, dass Haushaltsmikrowellen Speisen chemisch nicht verändern können.
Max Planck legte 1900 mit dem nach ihm benannten Strahlungsgesetz das quantitative Fundament zu so genannten Wärmebildsystemen. 100 Jahre später gibt es — mit bedingt durch Fortschritte in der Halbleitertechnologie und Mikrosystemtechnik — Infrarotkameras, mit denen sowohl die von Planck untersuchten Strahlungsgesetze zur Hohlraumstrahlung als auch allgemein wissenschaftliche und technische Anwendungen der Temperaturstrahlung von Körpern untersucht werden können. Darüber hinaus bieten sich solche Systeme auch für didaktische Zwecke an, da physikalische Gesetzmäßigkeiten mit Energieaustauschprozesssen aus sehr vielen Gebieten der Physik durch eine etwas andere, physikalische Sehweise visualisiert und damit für Lehrzwecke eingesetzt werden können.
Measurements of illuminance during a solar eclipse are presented. The data are compared to theoretical predictions, based on a geometrical model for obscuration. The model assumes a straight and uniform motion of the sun and moon as well as a spherical shape of both, i.e. it neglects any effects of limb darkening. Furthermore, the sun's disk is assumed to have homogeneous luminosity, i.e. any luminosity variations due to sun spots are neglected. Input parameters are the duration of the eclipse, the duration of totality, the impact parameter, i.e. the distance between the two trajectories of sun and moon, and the sizes of sun and moon. The model applies to all types of eclipses, partial, annular and total.
nfrared spectrometry is one of the most important tools in the field of spectroscopic analysis. This is due to the high information content of spectra in the so-called spectroscopic fingerprint region, which enables measurement not only of gases, but also of liquids and solids. Today, infrared spectroscopy is almost completely dominated by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. FTIR spectroscopy is able to detect minute quantities in the ppm and ppb ranges, and the respective analyses are now standard tools in science as well as industry. Therefore FTIR spectroscopy should be taught within the standard curriculum at university to physicists and engineers. Here we present respective undergraduate laboratory experiments designed for students at the end of their third year. Experiments deal first with understanding the spectrometer and second with recording and analysing spectra. On the one hand, transmission spectra of gases are treated which relate to environmental analytics (being probably the most prominent and well-known examples), and on the other hand, the focus is on the transmission and reflection spectra of solids. In particular, silicon wafers are studied—as is regularly done in the microelectronics industry—in order to characterize their thickness, oxygen content and phonon modes.
Experimente mit IR- Kameras
(2014)
Die moderne optische Spektroskopie kann geringste Substanzmengen nachweisen. Für schnelle Routinemessungen reichen konventionelle Zweistrahl-Spektralphotometer. Eine wesentlich höhere Nachweisempfindlichkeit im ppm- oder sogar ppb-Bereich ermöglichen das Atomabsorptions-Spektrometer (AAS) und das Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer (FTIR). Ein AAS atomisiert die Probe vollständig und weist dann einzelne Elemente nach. Deshalb ist es zum Beispiel für die Schwermetall-Analyse geeignet. Bei der Analyse von Molekülen dominieren heute FTIR-Geräte. Ihr Herzstück ist meist ein Michelson-Interferometer. Zusammen mit schnellen Fourier-Algorithmen erlaubt es, sehr schnell breite Spektren aufzunehmen. Stationäre und mobile FTIR-Geräte können vielfältig eingesetzt werden.
Abstract
The brilliant visible colors of various hot springs and pools in Yellowstone National Park are explained with a combination of scattering from the water and from microbial mats that coat the bottoms of these thermal features. A simple 1D radiative transfer model was used to simulate the colors recorded in visible photographs and the spectrum of light making up these colors. The model includes attenuation in water by absorption and molecular scattering as well as reflection characteristics of the microbial mats and surface reflection of the water. Pool geometries are simulated as simple rough cones scaled to have depths and widths that match published data. Thermal images are also used to record the spatial distribution of water skin temperature. The measurements and simulations confirm that colors observed from shallow-water features arise primarily from the spectral properties of the microbial mat, which is related to the water temperature, while colors observed from deeper water arise primarily from the wavelength-dependent absorption and scattering in the water.
This article forms the second of two papers on the subject of microwave cookers. In the first paper Michael Vollmer describes the physics behind the production of microwaves in the magnetron of the oven, the waveguide and the interaction between the microwaves and the food. This article looks at the physics of cooking, and how the appliance and the food industries have developed products which are now part of many of our students' lifestyles. We include many interesting demonstrations that illustrate this history and which could be used to teach many principles of physics.