Optik 2, Photonics / Mobile Robotics, FH Graubünden, Thomas Borer, 2020/21

Lernziele

Allgemein

• eine Problemstellung mit exakter und strukturierter Arbeitsweise bearbeiten können.
• eine bekannte oder neue Problemstellung selbstständig bearbeiten und in einer Gruppe diskutieren können.
• sich aus dem Studium eines schriftlichen Dokumentes neue Kenntnisse und Fähigkeiten erarbeiten können.
• einen bekannten oder neuen Sachverhalt analysieren und beurteilen können.
• Erkenntnisse in geeigneter Form darstellen und zusammenfassen können.
• Lösungswege vollständig, übersichtlich und verständlich dokumentieren können.
• physikalische Gesetze in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• Aussagen und Beziehungen zwischen Grössen mit Hilfe physikalischer Grundgesetze als Gleichungen formulieren können.
• die Vollständigkeit eines Gleichungssystems beurteilen können.
• eine einfachere Überschlagsrechnung ausführen können.
• einen experimentellen Aufbau skizzieren können.
• experimentelle Beobachtungen mit eigenen Worten beschreiben können.
• aus einem Experiment neue Erkenntnisse gewinnen können.

Schwingungen

• verstehen, was eine Schwingung ist.
• wissen und verstehen, was die Periodendauer und die Frequenz einer Schwingung sind.
• wissen, dass bei einer mechanischen Schwingung Impuls und Energie zwischen Teilsystemen hin und her fliessen.
• die bei einer mechanischen Schwingung auftretenden Impuls- und Energieflüsse verstehen.
• wissen, was eine harmonische Schwingung ist.
• wissen und verstehen, was die Amplitude, die Anfangsphase und die Kreisfrequenz einer harmonischen Schwingung sind.
• die Zusammenhänge zwischen Winkelgeschwindigkeit, Frequenz und Kreisfrequenz kennen und verstehen.
• die zeitlichen Verläufe von Ort, Geschwindigkeit, Impuls und Energie eines harmonischen Federschwingers kennen und deren Zusammenhänge verstehen.
• die an einem Körper angreifenden Kräfte korrekt einzeichnen können.
• beurteilen können, ob eine Schwingung eine harmonische Schwingung ist oder nicht.
• wissen und verstehen, dass die Schwingung eines Federschwingers harmonisch ist.
• wissen und verstehen, welche Grössen und mit welcher Gesetzmässigkeit diese Grössen die Periodendauer eines Federschwingers beeinflussen.
• wissen und verstehen, dass die Schwingung eines Fadenpendels nicht harmonisch ist.
• wissen und verstehen, welche Grössen und mit welcher Gesetzmässigkeit diese Grössen die Periodendauer eines Fadenpendels beeinflussen.
• die Analogie zwischen einer Drehschwingung und einer linearen Schwingung kennen und verstehen.
• wissen und verstehen, welche Grössen und mit welcher Gesetzmässigkeit diese Grössen die Periodendauer einer Drehschwingung beeinflussen.
• verstehen, wie eine Schwingung gedämpft werden kann.
• verstehen, wie ein mechanischer Dämpfer funktioniert.
• verstehen, dass alle natürlich ablaufenden Schwingungen gedämpft sind.
• wissen, wie die Stärke der Dämpfung die Bewegung eines Schwingers beeinflusst.
• die bei einer mechanischen, gedämpften Schwingung auftretenden Impuls- und Energieflüsse verstehen.
• verstehen, was eine erzwungene Schwingung ist.
• wissen und verstehen, was die Eigenfrequenz eines Schwingers, ein Erreger und die Erregerfrequenz sind.
• die bei einer erzwungenen mechanischen Schwingung auftretenden Impuls- und Energieflüsse verstehen.
• wissen und verstehen, dass bei einer erzwungenen Schwingung die im zeitlichen Mittel vom Erreger zum Schwinger fliessende Energie im Dämpfer dissipiert wird.
• wissen, von welchen Grössen die Energie abhängt, die bei einer erzwungenen Schwingung im Dämpfer im zeitlichen Mittel dissipiert wird.
• wissen, dass eine erzwungene Schwingung einen Einschwingvorgang durchläuft.
• aus einem grafisch dargestellten zeitlichen Verlauf einer Schwingungsgrösse den Einschwingvorgang und die stationäre Phase einer erzwungenen Schwingung erkennen können.
• wissen, dass bei einer sinusförmig angeregten erzwungenen Schwingung die Frequenz in der stationären Phase gleich gross ist wie die Erregerfrequenz.
• das Phänomen Resonanz kennen und verstehen.
• wissen und verstehen, was eine Resonanzkurve ist.
• den qualitativen Verlauf einer Resonanzkurve kennen und verstehen.
• wissen und verstehen, dass bei Resonanz der zeitlich gemittelte Energiestrom vom Erreger zum Schwinger maximal ist.
• wissen und verstehen, von welchen Grössen die Resonanzfrequenz abhängt.

Wellen

• verschiedene Typen von Wellen kennen.
• wissen und verstehen, wie eine Welle entsteht.
• wissen und verstehen, was der Träger einer Welle ist.
• die Bewegungen von Welle und Wellenträger unterscheiden können.
• wissen und verstehen, was eine Quer-/Transversalwelle und eine Längs-/Longitudinalwelle ist.
• wissen und verstehen, dass sich in Gasen nur Longitudinalwellen ausbreiten können.
• wissen und verstehen, dass sich in flüssigen und festen Körpern sowohl Longitudinal- als auch Transversalwellen ausbreiten können.
• wissen, wovon die Geschwindigkeit einer Welle abhängt.
• wissen und verstehen, dass der Wellenträger ein-, zwei oder dreidimensional sein kann.
• wissen und verstehen, was eine Wellenfront ist.
• wissen und verstehen, was eine lineare Welle, gerade Welle, Kreiswelle, ebene Welle und Kugelwelle ist.
• die Zusammenhänge zwischen Periodendauer, Frequenz, Kreisfrequenz, Wellenlänge, Wellenzahl und Ausbreitungsgeschwindigkeit kennen und anwenden können.
• wissen und verstehen, was eine Sinuswelle bzw. eine harmonische Welle ist.
• die mathematische Beschreibung einer eindimensionalen Sinuswelle kennen, verstehen und anwenden können.
• wissen und verstehen, wie die Energiestromdichte und die Intensität definiert sind.
• den Zusammenhang zwischen der Intensität und der Amplitude einer Schwingungsgrösse kennen und anwenden können.
• für eine von einem punktförmigen Sender abgestrahlte Welle den Zusammenhang zwischen der Intensität und dem Abstand vom Sender kennen und verstehen.

Elektromagnetische Wellen

• die allgemeine Form einer eindimensionalen Wellenfunktion kennen und verstehen.
• die eindimensionale Wellengleichung kennen und verstehen.
• wissen und verstehen, was eine elektromagnetische Welle ist.
• den Träger einer elektromagnetischen Welle kennen.
• wissen, wie eine elektromagnetische Welle erzeugt werden kann.
• wissen, dass elektromagnetische Wellen Transversalwellen sind.
• die gegenseitige Lage des elektrischen und des magnetischen Feldstärkevektors in einer elektromagnetischen Welle kennen.
• die Richtungen des elektrischen und des magnetischen Feldstärkevektors bezüglich der Ausbreitungsrichtung einer elektromagnetischen Welle kennen.
• die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle im Vakuum kennen.
• einen Überblick über das Frequenzspektrum der elektromagnetischen Wellen haben.
• die mathematische Beschreibung einer sinusförmigen ebenen elektromagnetischen Welle kennen.
• das Phänomen Polarisation kennen und verstehen.
• den quantitativen Zusammenhang zwischen den Intensitäten von Licht vor und hinter einem Polarisationsfilter kennen, verstehen und anwenden können.
• verschiedene physikalische Effekte zur Erzeugung von linear und zirkular polarisiertem Licht kennen und verstehen.
• das Phänomen der Dispersion kennen und verstehen.
• verstehen, wie die Aufspaltung von weissem Licht in die Spektralfarben zustande kommt.
• verstehen, wie ein Regenbogen zustande kommt.
• den Unterschied zwischen einem kontinuierlichen Spektrum und einem Linienspektrum kennen und verstehen.
• das Farbensehen im menschlichen Auge kennen und verstehen.
• die additive und die subtraktive Farbmischung kennen und verstehen.
• wissen und verstehen, wie die Farbe eines Körpers zustande kommt.

Interferenz

• das Prinzip der ungestörten Überlagerung von Wellen kennen und verstehen.
• wissen und verstehen, was konstruktive und destruktive Interferenz ist.
• die Überlagerung zweier in gleiche Richtung bzw. gegeneinander laufender Wellen beschreiben können und verstehen.
• wissen und verstehen, was eine Phasendifferenz und ein Gangunterschied ist.
• den Zusammenhang zwischen der Phasendifferenz und dem Gangunterschied kennen und verstehen.
• die Interferenz zweier schräg zueinander laufender gleicher Sinuswellen verstehen.
• wissen, wie die Energie im Überkreuzungsbereich zweier Sinuswellen fliesst.
• wissen, wie eine Welle an einem festen und freien Ende eines Wellenträgers reflektiert wird.
• verstehen, wie eine stehende Welle entsteht.
• ausgewählte einfachere Problemstellungen zur Interferenz bearbeiten können.
• das Phänomen Schwebung kennen und verstehen.
• die mathematische Beschreibung einer Schwebung kennen, verstehen und anwenden können.
• eine Eigenschwingung auf einem eindimensionalen Wellenträger als Überlagerung zweier entgegenlaufender Wellen verstehen.
• verstehen, dass sich auf einem endlichen Wellenträger nur bei bestimmten Frequenzen eine stehende Welle bzw. eine Eigenschwingung bildet.
• den Zusammenhang zwischen der Länge eines eindimensionalen Wellenträgers und den Wellenlängen bzw. Frequenzen der möglichen Eigenschwingungen verstehen und anwenden können.
• die mathematische Beschreibung einer stehenden Welle bzw. Eigenschwingung kennen, verstehen und anwenden können.
• wissen und verstehen, was es braucht, damit eine Eigenschwingung aufrecht erhalten werden kann.
• Beispiele von stehenden Wellen kennen.
• wissen, dass sowohl eine periodische als auch eine nicht-periodische Welle in einzelne Sinuswellen zerlegt werden kann.
• den Unterschied zwischen dem Spektrum einer periodischen Welle und dem Spektrum einer nicht-periodischen Welle kennen.
• wissen und verstehen, was eine Phasengeschwindigkeit und eine Gruppengeschwindigkeit ist.
• wissen und verstehen, dass Kohärenz eine Voraussetzung für ein stationäres Interferenzbild ist.
• die verschiedenen Erklärungen von Kohärenz kennen und verstehen.
• wissen und verstehen, wie sich kohärentes Licht herstellen lässt.
• die Funktionsweise eines Michelson-Interferometers kennen und verstehen.
• das Huygens’sche Prinzip kennen, verstehen und anwenden können.
• die Herleitung des Reflexions- und des Brechungsgesetzes mit Hilfe des Huygens’schen Prinzips verstehen.
• das Fermat’sche Prinzip kennen, verstehen und anwenden können.
• die Herleitung des Reflexions- und des Brechungsgesetzes mit Hilfe des Fermat‘schen Prinzips verstehen.
• den Zusammenhang zwischen der Phasendifferenz zwischen zwei Wellen und dem entsprechenden zeitlichen bzw. räumlichen Rückstand der einen Welle zur anderen kennen und verstehen.
• wissen, welchen Phasensprung eine Welle bei der Reflexion an einer Grenzfläche zu einem anderen Medium erleidet.
• wissen und verstehen, wie die optische Weglänge definiert ist.
• Interferenzbedingungen mit Hilfe einer Phasendifferenz, eines Gangunterschiedes und einer Differenz optischer Weglängen formulieren können.
• Interferenzerscheinungen an dünnen Schichten kennen und verstehen.
• Interferenzbedingungen bei ausgewählten Dünnschichtgeometrien formulieren und zur Analyse der entsprechenden Interferenzerscheinungen anwenden können.
• die Funktionsweise eines Fabry-Perot-Interferometers kennen und verstehen.

Beugung

• das Phänomen der Beugung kennen und mit Hilfe des Huygens’schen Prinzips erklären können.
• den Zusammenhang zwischen der Ausprägung der Beugung einer Welle, der Wellenlänge und den Abmessungen des beugenden Objektes kennen.
• den Zusammenhang zwischen der Gültigkeit der Strahlenoptik, der Wellenlänge des Lichtes und den Abmessungen von verwendeten Blenden, Linsen und Spiegeln kennen und verstehen.
• das Interferenzmuster bei der Beugung einer Welle an einem idealen Doppelspalt kennen und verstehen.
• die Interferenzbedingungen für das Auftreten konstruktiver und destruktiver Interferenz bei der Beugung von Licht an einem idealen Doppelspalt kennen, verstehen und anwenden können.
• den Intensitätsverlauf im Interferenzmuster bei der Beugung einer Welle an einem idealen Doppelspalt kennen und verstehen.
• das Interferenzmuster bei der Beugung einer Welle an einem idealen Gitter kennen und verstehen.
• die Interferenzbedingungen für das Auftreten konstruktiver und destruktiver Interferenz bei der Beugung von Licht an einem idealen Gitter kennen, verstehen und anwenden können.
• wissen und verstehen, wie ein ideales Gitter als Spektrometer verwendet werden kann.
• wissen und verstehen, wie ein Hologramm erzeugt wird.
• wissen, dass ein Hologramm beim Auslesen als Beugungsgitter wirkt.
• den Unterschied zwischen der Fraunhofer- und der Fresnel-Beugung kennen.
• das Interferenzmuster bei der Beugung einer Welle an einem Einzelspalt kennen und verstehen.
• die Interferenzbedingung für das Auftreten destruktiver Interferenz bei der Beugung von Licht an einem Einzelspalt kennen, verstehen und anwenden können.
• den Intensitätsverlauf im Interferenzmuster bei der Beugung einer Welle an einem Einfachspalt kennen und verstehen.
• das Interferenzmuster bei der Beugung einer Welle an einem realen Gitter als Modulation des Interferenzmusters bei der Beugung an einem idealen Gitter mit dem Interferenzmuster bei der Beugung an einem Einzelspalt verstehen.
• wissen und verstehen, dass die Auflösung eines optischen Instrumentes durch Beugung begrenzt wird.
• das Rayleigh-Kriterium zur Auflösung einer Blende kennen, verstehen und anwenden können.
• wissen und verstehen, dass die Auflösung eines Fernrohres und eines Auges durch die beugungsbedingte Auflösung einer Blende bestimmt wird.
• wissen und verstehen, dass die tatsächliche Auflösung eines Auges aus physiologischen Gründen kleiner ist als deren optische Auflösung.
• die Auflösung eines Gitters als Wellenlängenauflösung kennen und verstehen.
• den Zusammenhang zwischen der Auflösung eines Gitters, der Anzahl Gitterlinien und der Beugungsordnung kennen und anwenden können.
• wissen und verstehen, dass die Auflösung eines Mikroskops durch Beugung am abzubildenden Objekt bestimmt wird.
• die Abbe-Bedingung zur Auflösung eines Mikroskops kennen und verstehen.
• den Zusammenhang zwischen der numerischen Apertur und dem Auflösungsvermögen eines Mikroskops kennen und verstehen.

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