Kurzbeschreibung

Bei diesem virtuellen Experiment soll die Beleuchtungsstärke E einer LED-Leuchte als Punktlichtquelle in Abhängigkeit vom Abstand r mit Hilfe eines Luxsensors und dem Mobile-CASSY vermessen werden. Die Resultate dieser Untersuchungen ergeben, dass die Beleuchtungsstärke in Abhängigkeit des Abstands r eine 1/r²-Abhängigkeit aufweist. Im Allgemeinen spricht man bei dieser Abhängigkeit von dem sogenannten Abstandsgesetz. Diese Gesetzmäßigkeit findet man nicht nur in der Optik. Sie gilt für alle punktförmigen Strahlungsquellen mit isotroper Strahlungsverteilung.

Versuchsziele

• Untersuchung der Abnahme der Beleuchtungsstärke E in Abhängigkeit vom Abstand r
• Überprüfen der 1/r²-Abhängigkeit

Theorie

Die Beleuchtungsstärke E ist ein Maß für einen Lichtstrom dΦ, der ein Flächenelement dA gleichmäßig ausleuchtet, mit der Beziehung E = dΦ:dA. Die Lichtstärke I einer Punktlichtquelle lässt sich durch den Quotienten des Lichtstroms dΦ und dem Raumwinkel dΩ, in den das Licht emittiert wird, ausdrücken I = dΦ:dΩ, wobei sich das Raumwinkelelement dΩ wiederum schreiben lässt als dΩ = dA:r². Dementsprechend kann die Beleuchtungsstäke E über den Quotienten E = I:r² beschrieben werden und man sieht die Proportionalität E ~ 1:r².

Material

Versuchsbeschreibung

In diesem Experiment wirst du untersuchen, wie sich die Beleuchtungsstärke E einer LED-Lichtquelle mit zunehmendem Abstand r zwischen LED-Leuchte und Luxsensor verändert. Die Gesetzmäßigkeit, die du dabei feststellen wirst, findet man in der Physik nicht nur in der Optik.

Versuchsaufbau (klicke hier zum Aufklappen)

Der Versuch wird auf der Schiene aufgebaut. Dabei werden die LED-Leuchte und der Luxsensor in den Reitern so positioniert, dass der Abstand r zu Beginn der Messung exakt r = 5 cm beträgt. Das Mobile-CASSY dient hier sowohl als Mess- und Anzeigegerät für die Beleuchtungsstärke E, als auch als Stromversorgung für die LED-Leuchte.

Hier siehst du das Video zum Versuchsaufbau. Das Video zur Durchführung folgt im nächsten Schritt.

Durchführung

1. Starte das Video zur Durchführung.
2. Beobachte die Änderung der Beleuchtungsstärke E in Abhängigkeit vom Abstand r.

   Hinweise: Der Versuch ist so aufgebaut, dass du den Abstand zwischen LED-Leuchte und Luxsensor immer an der linken Kante des rechten Reiters, der Reiter in dem der Luxsensor bewegt wird, ablesen kannst. Zu Beginn beträgt er r = 5 cm.

   Das Video ist so aufgenommen, dass du an den in der Tabelle vorgegebenen Abständen r den Wert für die Beleuchtungsstärke E selbst aufnehmen musst. Diesen kannst du per Drag&Drop in die Tabelle übernehmen oder selbst eintippen.

Beobachtung

1. Die fortlaufende Anzeige der Messwerte startet automatisch nach dem Start des Videos.
2. Am Multimeter liest du den aktuellen Wert für die Beleuchtungsstärke E ab.

1. Vervollständige die Tabelle. Die Werte der Beleuchtungsstärke E können eingetippt oder mit Drag&Drop in die Tabelle übertragen werden. Dabei kann das Video angehalten und auch zurückgespult werden.

   Abstand r:m	Beleuchtungsstärke EA:klx

2. Im Diagramm siehst du die gemessene Beleuchtungsstärke E in Abhängigkeit vom Abstand r.

1. Versuche die Kurve mit einer Anpassung zu beschreiben:

Auswertung

1. Formuliere das Ergebnis deiner Auswertung mit deinen eigenen Worten.

   Die Beleuchtungsstärke nimmt zunächst stark und mit zunehmendem Abstand immer schwächer ab.

2. Stelle einen mathematischen Zusammenhang zwischen Beleuchtungsstärke E und Abstand r her, indem du dir die Anpassung deiner Messdaten anschaust.

   Die Beleuchtungsstärke ist proportional zu 1:r².

Schlussfolgerung

1. Recherchiere im Internet, wie man die von dir festgestellte Abhängigkeit zwischen Beleuchtungsstärke E und Abstand r bezeichnet.

   Man bezeichnet diese Abhängigkeit als das Abstandsgesetz.

2. Nenne ein weiteres Beispiel aus einem anderen Bereich der Physik, in dem diese Gesetzmäßigkeit wiederzufinden ist.

   Das Abstandsgesetz kann man auch bei radioaktiven Strahungsquellen nachweisen.