Didaktik der Physik CD zur Frühjahrstagung des Fachverbandes Didaktik der Physik in der deutschen Physikalischen Gesellschaft ; Beiträge zur Frühjahrstagung der DPG - Augsburg 2003

Neben den Beiträgen zur Frühjahrstagung Augsburg 2003 enthält die CD-ROM zusätzlich: * Bildarchiv zum Plenarvortrag "Eine Reise durch Raum und Zeit" (© H. Ruder, Tübingen) * Beiträge zum "Workshop Multimedia" (Redaktion: V. Nordmeier, Berlin, AK "Multimedia") * Lehrertage der DPG / Dresden 2003 (Redaktion: K. Morawetz, Chemnitz) * Lernumgebung: "Das Potsdamer Holographie-Simulationsprogramm" (© M.E. Horn, H.F. Mikelskis und N. Landwehr, Potsdam) * Dokumentation zur Ausstellung "Grenzflächen - ästhetische Aspekte der Physik 2003" (Redaktion: K. Jacobs, R. Magerle und N. Nestle, Saarbrücken, Bayreuth und Darmstadt, AK "Physik und Kunst") Inhalt 1 Über die Beobachtung von Naturphänomenen und den Grund für dieses Buch Farbtafeln 4 Luftspiegelungen 5 Regenbögen 6 Halos 7 Koronen 8 Glorien 9 Blauer Himmel 10 Dämmerung 11 Verschiedenes 1.1 Übersicht besonders empfohlener Bücher zur Vertiefung bzw. Ergänzung 2 Grundlegende Konzepte 2.1 Was ist Licht? 2.1.1 Definition 2.1.2 Farbe des Lichts und Wellenlänge 2.2 Was ist Sehen? 2.2.1 Licht muss ins Auge gelangen 2.2.2 Schwarzer oder blauer Himmel 2.2.3 Lichtstreuung im Alltag 2.2.4 Die Sonne als Lichtquelle 2.2.5 Empfindlichkeit des menschlichen Auges 2.2.6 Individuelle Farbwahrnehmung 2.3 Grundlagen der geometrischen Optik 2.3.1 Die Reflexion von Licht 2.3.2 Konzept der Materie: Der Brechungsindex 2.3.3 Die Brechung des Lichts und Totalreflexion 2.3.4 Der Einfluss des Brechungsindex auf optische Phänomene der Atmosphäre 2.4 Grundlagen der Wellenoptik 2.4.1 Was sind Wellen? 2.4.2 Ebene Wellen und Kugelwellen 2.4.3 Polarisation von Wellen 2.4.4 Interferenz von Wellen 2.4.5 Beugung von Wellen 2.5 Beschreibung von Wellenphänomenen des Lichts 2.5.1 Licht als harmonische Welle 2.5.2 Das Prinzip von Huygens 2.5.3 Exakte Lösungen der Beugungstheorie für Kugeln: Mie-Theorie 2.5.4 Alltagsbeispiele 2.5.5 Polarisationsabhängige Effekte bei Reflexion und Brechung: Fresnel-Gleichungen 2.6 Referenzen 3 Übersicht über Phänomene atmosphärischer Optik 3.1 Die Atmosphäre 3.1.1 Gasförmige Bestandteile der Luft 3.1.2 Wassertropfen 3.1.3 Eiskristalle 3.1.4 Aerosole 3.1.5 Der vertikale Aufbau der Atmosphäre 3.2 Physikalische Prozesse des Lichts mit den Bestandteilen der Atmosphäre 3.3 Klassifikation der Phänomene atmosphärischer Optik 3.3.1 Einteilung nach theoretischen Modellen 3.3.2 Einteilung nach Bestandteilen der Atmosphäre 3.3.3 Praktische Einteilung nach Phänomenen 3.4 Referenzen 4 Luftspiegelungen: Oasen, Seeungeheuer und weitere Spielereien der Fata Morgana 4.1 Luftspiegelungen in Kultur und Gesellschaft 4.3 Verwandte Wahrnehmungstäuschungen 4.3.1 Abplattung des Himmelsgewölbes 4.3.2 Mondillusion 4.4 Luftspiegelungen: Qualitative Beschreibung und Beobachtungen 4.4.1 Untere Luftspiegelungen 4.4.2 Obere Spiegelungen 4.5 Quantitative Beschreibung von Luftspiegelungen 4.6 Simulationsexperimente von Luftspiegelungen 4.6.1 Untere Spiegelungen 4.6.2 Obere Spiegelungen 4.7 Referenzen 5 Regenbögen 5.1 Bemerkungen zur Kulturgeschichte des Regenbogens 5.1.1 Regenbogen im Christentum 5.1.2 Das Brückensymbol 5.1.3 Das Glückszeichen 5.1.4 Der Unglücksbote, Unglücksbringer 5.1.5 Darstellungen in der Kunst 5.1.6 Regenbogensymbole im 20. Jahrhundert 5.2 Beobachtungen zum Regenbogen 5.3 Einfache Erklärung des Regenbogens mithilfe der geometrischen Optik 5.3.1 Regentropfen 5.3.2 Der primäre Regenbogen 5.3.3 Der sekundäre und höhere Regenbögen 5.3.4 Mathematischer Einschub: Berechnung des Regenbogen-winkels nach Descartes 5.4 Besonderheiten durch die Wellennatur des Lichts 5.4.1 Polarisation des Regenbogens 5.4.2 Überzählige Bögen und Farben im Regenbogen 5.4.3 Weiße Nebelbögen 5.4.4 Mathematischer Einschub: Berechnung des Regenbogens nach Airy 5.4.5 Vollständige Beschreibung mithilfe der Elektrodynamik: Mie-Theorie 5.4.6 Weitere Besonderheiten 5.5 Übersicht über die Wissenschafts-geschichte des Regenbogens 5.6 Einfache Experimente 5.6.1 Experimente mit weißem Licht 5.6.2 Experimente mit einfarbigem Licht 5.7 Referenzen 6 Haloerscheinungen am Himmel: Natürliche Ursache oder göttliche Warnung? 6.1 Einleitung: Mythen und Aberglauben 6.2 Eiskristalle in der Atmosphäre 6.2.1 Geometrien 6.2.2 Orientierungen 6.3 Haloerscheinungen durch Lichtbrechung in Eiskristallen 6.3.1 Lichtablenkung durch zweimalige Brechung in Eiskristallen 6.3.2 Nebensonnen 6.3.3 Ringhalos 6.3.4 Mathematischer Einschub: Minimale Ablenkwinkel von Licht beim Durchgang durch Prismen 6.3.5 Zirkumzenitalund Zirkumhorizontalbogen 6.3.6 Umschriebener Halo und Berührungsbögen 6.4 Einfache Reflexionshalos 6.4.1 Horizontalkreis 6.4.2 120°-Nebensonnen 6.4.3 Untersonnen und Sonnensäulen 6.5 Kombinationen von Brechung und Reflexion 6.6 Überblick über in Mitteleuropa häufig beobachtbare Haloerscheinungen 6.7 Komplexe Haloerscheinungen und Himmelsarchäologie 6.8 Computersimulationen 6.9 Experimente 6.9.1 Drehbares Glasprisma: Bestimmung des Minimalwinkels 6.9.2 Rotierendes Glasprisma: Nebensonnen und Horizontalkreis 6.9.3 Rotierendes Hexagon: Nebensonnen, Horizontalkreis, Untersonne und Unternebensonnen 6.9.4 Demonstration des oberen Berührungsbogens 6.9.5 Historische Vorschläge zur Demonstrationen von Halos 6.10 Referenzen 7 Koronen, irisierende Wolken und Bishop’scher Ring 7.1 Koronen 7.1.1 Beschreibung der Beobachtungen 7.1.2 Koronaerscheinungen in der Kultur und die Bezeichnungs-weise von Koronen 7.1.3 Grundlegende Erklärung der Korona 7.1.4 Ausgewählte Details der Erklärung von Koronen 7.1.5 Gibt es nur Koronen von Wassertropfen? 7.2 Irisierende Wolken 7.3 Bishop’scher Ring 7.4 Einfache Experimente 7.5 Referenzen 8 Glorienerscheinungen: Das Brockengespenst 8.1 Entstehungsbedingungen und Beschreibung des Phänomens 8.2 Inspiration eines Nobelpreises 8.3 Grundlegende Erklärung der Glorien 8.3.1 Glorie als Beugungsphänomen: Die Hypothese von Van de Hulst 8.3.2 Probleme der Interpretation der Beugungstheorie 8.3.3 Bestätigung der Erklärung durch die Mie-Theorie 8.3.4 Ausgewählte Details der Erklärung von Glorien 8.4 Beobachtung von Glorien 8.5 Einfache Experimente 8.5.1 Nachweis leuchtender Kreisringe in Rückwärtsrichtung 8.5.2 Beugungsexperimente 8.5.3 Künstliche farbige Glorienbeobachtungen 8.5 Referenzen 9 Blauer Himmel 9.1 Geschichtliches 9.2 Rayleigh-Streuung 9.2.1 Farbabhängigkeit der Rayleigh-Streuung: Das Blau des klaren Himmels 9.2.2 Polarisation des Himmelslichts 9.2.3 Schwächung des Lichts durch die Atmosphäre: Die optische Dicke 9.2.4 Schwächung des Lichts als Funktion der Zenitdistanz: Der Air-Mass-Faktor 9.2.5 Weißer Horizont und Helligkeiten des Himmels bei Rayleigh-Streuung 9.2.6 Blaue Berge 9.2.7 Welche Farbe hat der Nachthimmel? 9.3 Ein einfaches Experiment 9.4 Referenzen 10 Farbenpracht am Himmel: Von Pastell-farben und glutrotem Himmel 10.1 Ergebnisse der Mie-Streuung erläutert an Beispielen 10.1.1 Farbabhängigkeit der Mie-Streuung: Die blaue Sonne 10.1.2 Größenabhängigkeit bei der Mie-Streuung: Durch Regen sehen 10.1.3 Winkelabhängigkeit bei der Mie-Streuung: Die schmutzige Windschutzscheibe 10.1.4 Polarisation des Streulichts: Der tägliche Regenbogen in den Wolken 10.1.5 Schwächung des Lichts durch Mie-Streuung: Ab welcher Dicke sind Wolken undurchsichtig? 10.2 Anwendungen 10.2.1 Farben von Sonne/Mond 10.2.2 Himmelshelligkeit und Dämmerungsfarben 10.2.3 Wolkenfarben 10.2.4 Sichtweiten 10.3 Experimente zur Rayleighund Mie-Streuung 10.3.1 Reine Gase und Luft 10.3.2 Zigarettenrauch 10.3.3 Wasser 10.3.4 Teilchen definierter Größe 10.3.5 Teilchenwachstum bei chemischen Reaktionen 10.4 Das Rätsel des Spaceshuttle 10.5 Referenzen 11 Bauernregeln, grüne Sonne und weitere Phänomene 11.1 Vorhersagen des Wetters aus optischen Phänomenen der Atmosphäre: Bauernregeln 11.2 Das grüne Leuchten 11.2.1 Die Atmosphäre als Prisma aufgrund der Refraktion 11.2.2 Abschwächung des Sonnenlichts durch Streuung und Absorption 11.2.3 Die Notwendigkeit von Luftspiegelungen beim grünen Leuchten 11.2.4 Physiologische Effekte 11.2.5 Grüne Säume bei Planetenbeobachtungen 11.3 Finsternisse im Sonnensystem 11.3.1 Ursachen von Finsternissen 11.3.2 Unterschiede zwischen Sonnenund Mondfinsternissen 11.3.3 Andere Finsterniskonstellationen 11.3.4 Sonnenfinsternisse in der Zukunft 11.3.5 Mondfinsternisse und Transits von Merkur und Venus 11.4 Schatten 11.5 Polarlichter 11.6 Elektrische Phänomene in der Atmosphäre: Blitze 11.7 Leuchtende Nachtwolken 11.8 Kometen und Sternschnuppen 11.8.1 Kometen 11.8.2 Meteore 11.9 Sternbeobachtungen am Tage und warum es nachts dunkel ist 11.9.1 Kann man Sterne auch tagsüber sehen ? 11.9.2 Warum ist es nachts dunkel ? Epilog 11.10 Referenzen Index Neben den Beiträgen zur Frühjahrstagung Augsburg 2003 enthält die CD-ROM zusätzlich: * Bildarchiv zum Plenarvortrag "Eine Reise durch Raum und Zeit" (c H. Ruder, Tübingen) * Beiträge zum "Workshop Multimedia" (Redaktion: V. Nordmeier, Berlin, AK "Multimedia") * Lehrertage der DPG / Dresden 2003 (Redaktion: K. Morawetz, Chemnitz) * Lernumgebung: "Das Potsdamer Holographie-Simulationsprogramm" (c M.E. Horn, H.F. Mikelskis und N. Landwehr, Potsdam) * Dokumentation zur Ausstellung "Grenzflächen - ästhetische Aspekte der Physik 2003" (Redaktion: K. Jacobs, R. Magerle und N. Nestle, Saarbrücken, Bayreuth und Darmstadt, AK "Physik und Kunst")