PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Vom Kerzenlicht zum Laser PeP – Physik erfahren im ForschungsPraktikum Kurs für die. Klasse, Gymnasium, Mainz.2004

PePPhysik erfahren im

Forschungs-Praktikum

Vom Kerzenlicht

zum Laser

PeP – Physik erfahren im ForschungsPraktikum

Kurs für die . Klasse, Gymnasium, Mainz .2004

Daniel Klein, Klaus Wendt

Institut für Physik, Johannes Gutenberg-Universität, D-55099 Mainz

Erfolg der Veranstaltung hängt 100% von Eurem Engagement und Interesse ab !!!

A) aus Sicht der Uni ? • Kultuspolitische Aufgaben der Universität: Forschung UND Ausbildung• Öffnung der Hochschule• Begeisterung und Anwerbung von Nachwuchs für die Naturwissenschaften• Vorzeitiger Kontakt von Staatsexamenskandidaten mit Schülern• Keine Schulveranstaltung, die trotzdem Wissensgewinn erzielt

B) aus Sicht der Schule??? ( tägliche Abschlussdiskussion)

Begrüßung - Vorstellung des Kurses

WARUM DAS GANZE ???





Vorgesehener zeitlicher Ablauf des Kurses

1. Tag 09:00 – 09:15 Uhr Einleitung: Begrüßung Vorstellung, Sicherheitsbelehrung, Laserschutz

09:15 – 10:00 Uhr Theorie: Eigenschaften des LichtsGeometrische Optik, Einführung in die Wellenoptik

10:45 – 14:00 Uhr Versuchsblock: (Arbeit in 3 Kleingruppen)

1. Lichtausbreitung und optische Abbildungen2. Messung der Lichtgeschwindigkeit 3. Erstellen von Photos mit der Lochkamera

2. Tag 09:00 – 11:00 Uhr Vorbereitung der Gruppenpräsentationen

11:00 – 12:30 Uhr Präsentation zu je ca. 20 Minuten

13:00 – 14:00 Uhr Theorie: LichtentstehungSpektrometrie, Kontinuumsstrahler, Bohr’schesAtommodell, Linienstrahler, Polarisation von Licht



Vorgesehener zeitlicher Ablauf des Kurses

3. Tag 09:00 – 12:00 Uhr

Versuchsblock: (Arbeit in 3 Kleingruppen)1. Beugung am Gitter2. Spektrometrie3. Polarisation

12:45 – 14:30 Uhr Vorbereitung der Gruppenpräsentationen

4. Tag

09:00 – 09:30 Uhr Probevortrag der Gruppenpräsentationen

09:30 – 11:00 Uhr Präsentation zu je ca. 20 Minuten

11:00 – 11:30 Uhr Abschlussbesprechung

12:00 – 14:00 Uhr Vorlesung zum Laser; anschließende Laborführung

• Laserstrahlung sichtbar / unsichtbar

• Mechanische Einwirkungen GravitationMagnetfeldVakuum

• Thermische Einwirkungen HitzeFeuerKälte

• Elektrizität Wechselspannung (z.B. 230 V)Gleichspannung (z.B. Hochspannung)elektro-magnetische Felder - Mikrowellen

• Chemie LösungsmittelGiftige und krebserregende Stoffe

• Radioaktivität äußere Strahlenbelastung durch , , , n, ... Inkorporation von Aktivität



Gefährdungspotentiale bei Arbeiten im Labor

• Was ist Licht und warum ist es so wichtig?

• Ist Licht Welle oder Teilchen?

• Was ist ein Photon?

• Was ist Polarisation?

• Was ist das besondere an Laserlicht?

• Wozu werden Laser eingesetzt?

• Was heißt Kohärenz?

• Wie misst man die Lichtgeschwindigkeit?

• Wie wird Licht erzeugt? • Wie funktioniert ein Laser?

• Was passiert, wenn ich Licht auf einen Doppelspalt strahle?

• Wie werden mit Licht Informationen übertragen?



Lerninhalte – einige inhaltliche Fragen zum Kurs

Was ist Licht?

• Licht als Lichtstrahl

• Licht als elektro-magnetische Welle

• Licht als Photon mit Teilchencharakter



Fermatsches Prinzip:Der Weg des Lichts zwischen zwei Punkten ist der Weg, auf dem das Licht die kürzeste Zeit benötigt.Pierre Fermat, 1601-1665

Die geometrische Optik PePPhysik erfahren im


Da das Licht in verschiedenen Medien verschiedene Geschwindigkeiten besitzt, findet an deren Grenzflächen Brechung statt.



Warum wird Licht gebrochen?

• Ist hier nicht der gestrichelte Weg kürzer?

• Für welchen Weg benötigt das Licht weniger Zeit?

• Bedeuten beide Fragen das gleiche?



Kurzer Ausflug in die Mathematik

G1 G2 G3

A1

A2

A3

H1

H2

H3

.

Die genauere Betrachtung eines rechtwinkligen Dreiecks ergibt:

• G1/H1 = G2/H2 = G3/H3• G1/A1 = G2/A2 = G3/A3

Verwendete Bezeichnungen:

G: GegenkatheteA: AnkatheteH: Hypotenuse

Ist der Winkel in einem rechtwinkligen Dreieck gegeben, so berechnen sich entsprechende Seitenverhältnisse über:

Ist das entsprechende Seitenverhältnis in einem rechtwinkligen Dreieck gegeben, so berechnet sich der Winkel über:

sin = G/H

tan = G/A

arcsin (G/H) =

arctan (G/A) =



Kurzer Ausflug in die Mathematik

Beispiel:

G = 3 cm

H = 6 cm

G = 3 cm

H = 6 cm

Für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gilt:



Es gilt das Snelliussche Brechungsgesetz:

skmcV 000.300

• Vorstellung des Lichts als Lichtstrahl, der sich im selben Medium geradlinig ausbreitet und an Grenzflächen gebrochen wird

• Abbildung an Linsen

Mit der Linsengleichung:

1 1 1f g b


Forschungs-PraktikumWichtige Folgerungen



Ist Licht nicht doch mehr?



Das Doppelspaltexperiment

Erklärung mit Hilfe des Huygensprinzips

Jeder Punkt einer bestehenden Wellenfront ist Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle mit gleicher Frequenz und Ausgangsgeschwindigkeit

Die Einhüllende dieser Elementarwellen ergibt die neue Wellenfront zu einem späteren Zeitpunkt



• Notwendig für Interferenz Kohärenz der Wellen

• Konstruktive Interferenz Gangunterschied ein Vielfaches der Wellenlänge oder Null

• Destruktive Interferenz Gangunterschied ein Vielfaches der halben Wellenlänge



Interferenz von Lichtwellen

Interferenz ist das Phänomen, das beobachtet wird, wenn Wellen sich ungestört überlagern (Superposition)

Es entsteht ein Maximum n-ter Ordnung auf dem Schirm, wenn der Gangunterschied hinter dem Spalt ein n-faches der Wellenlänge istEs gilt: - - tan y

l



sindn

Wo entstehen die Maxima?

Beschreibung des Lichts als elektromagnetische Welle:


Forschungs-PraktikumWellenoptik

Da das elektrische Feld die größte Lichtwirkung hervorruft, werden wir im weiteren Verlauf das magnetische Feld vernachlässigen.



Beschreibung des Lichts durch eine Welle

Perioden-dauer T

Abstand von derLichtquelle inAusbreitungsrichtung

Zeit

Wellen-länge

E

E

Betrachtung der Welle an einem bestimmten Ort über einen gewissen Zeitraum

Perioden-dauer T

Abstand von derLichtquelle inAusbreitungsrichtung

Zeit

Wellen-länge

E

E

Betrachtung der Ausdehnung der Welle zu einem bestimmten Zeitpunkt

Amplitude (Maximalausschlag)

c = /T = f

Lichtquelle Punkt der Beobachtung

LichtquelleMomentaufnahmedes Wellenausschnitts



Eigenschaften von Lichtwellen

• Monochromasie: elektromagnetische Strahlung nur einer Wellenlänge ist monochromatisch, d.h einfarbig

• Kohärenz: alle Wellen besitzen eine konstante Phasendifferenz

• Der Laser besitzt im Gegensatz zu weißem Licht beide Eigenschaften. Die Phasendifferenz der Wellen ist ein Vielfaches von 2 bzw. 0.

• Doppelspalt breite, unscharfe Maxima

• Gitter schmale, scharfe und intensivere Maxima



Was passiert bei einem Gitter?

zwei Spalte

drei Spalte

vier Spalte

Licht hat sowohl Wellen-, als auch Teilchencharakter. Man spricht sowohl von Lichtwellen mit Frequenz und Amplitude, als auch von Photonen bzw. Quanten mit Impuls und Masse



Was passiert bei sehr schwachem Licht?

• Zunächst erkennt man vereinzelt Lichtpunkte

• Nach längerer Zeit bildet sich aus den Punkten dasselbe Muster wie bei hoher Intensität

Documents

PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Vom Kerzenlicht zum Laser PeP – Physik erfahren im ForschungsPraktikum Kurs für die. Klasse, Gymnasium, Mainz.2004