Lichtgeschwindigkeit

Vorbereitung
Lichtgeschwindigkeit
Stefan Schierle
Versuchsdatum: 13. 12. 2011
Inhaltsverzeichnis
1 Drehspiegelmethode
1.1 Vorbereitung auf den Versuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Justierung der Apparatur und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2
4
2 Phasenvergleichsmethode
2.1 Vorbereitung auf den Versuch . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Justierung der Apparatur und Eichmessung . . . . . . . . . .
2.3 Lichtgeschwindigkeits- und Brechzahlmessung . . . . . . . . .
2.3.1 Lichtgeschwindigkeit in der Luft . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Brechzahlbestimmung von Wasser . . . . . . . . . . .
2.3.3 Brechzahlbestimmung von Plexiglas . . . . . . . . . .
2.3.4 Lissajous-Figuren - Lichtgeschwindigkeitsbestimmung
2.3.5 Brechzahlbestimmung via Lissajous-Figuren . . . . . .
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5
6
6
6
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7
7
8
1
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1 Drehspiegelmethode
1.1 Vorbereitung auf den Versuch
Zum Versuchsaufbau: Der Aufbau ist durch die in der Aufgabenstellung vorgegebenen
Maße beschränkt:
• d(Endspiegel - Umlenkspiegel) - in der Skizze d1 : 6, 57m
• d(Umlenkspiegel - Drehspiegel) - in der Skizze d2 : 7, 23m
• d(Laser - Drehspiegel) - in der Skizze dmax : 6, 80m ⇒ d3 < dmax
Es bleibt hier zu bestimmen, welche Entfernung die Linse vom Laser und dem Schirm
haben muss, und die Entfernung der Lupe vom Schirm.
Aufbauskizze des Versuchs
Funktionsweise des Versuchs: Vom Laser wird monochromatisches Licht ausgesandt.
Der Lichtstrahl trifft durch den Strahlteiler auf den Drehspiegel. Dieser sorgt wegen seiner Rotation dafür, dass der Laserstrahl in verschiedenen Winkeln reflektiert wird. Die so
reflektierten Strahlen werden durch eine Linse wieder zu parallelen Strahlen gebrochen,
welche über den Umlenkspiegel, den Endspiegel und wieder über den Umlenkspiegel auf
die Linse treffen. Die Linse muss nun so positioniert sein, dass die parallel einfallenden
Strahlen im Mittelpunkt des Drehspiegels gebündelt werden.
Daraus ergibt sich, dass der Abstand f in der Skizze genau der Brennweite der Linse
(5m) betragen muss.
Der nun wieder gebündelte Lichtstrahl wird am Drehspiegel reflektiert, da dieser aber
rotiert, wird das Licht in einem anderen Winkel (Θ) reflektiert, als es beim Hinweg in
den Spiegel eingefallen ist. Um diesen Winkel versetzt trifft der Strahl nun auch auf den
Strahlteiler wo dieser nun durch die Versetzung nochmals schief reflektiert wird. Zudem
wird der Strahlteiler benötigt, um auch geringe Ablenkungen messbar zu machen, da
ohne diesen der Laserstrahl wieder in die Austrittsöffnung des Lasers zurückgeworfen
2
und somit nicht messbar wird. Am Schirm ist also ein verschobener Punkt im Vergleich
zum ruhenden Drehspiegel zu erkennen. Über diese Verschiebung und die Frequenz des
Drehspiegels lässt sich die Lichtgeschwindigkeit ermitteln.
Berechnung der noch fehlenden Größen:
Die Linse muss, wie oben schon erwähnt, den Brennpunkt im Drehspiegel haben, also
ist f = 5m.
Da nach Möglichkeit beim Versuch scharfe Bilder zu erzeugen sind, muss der Laser und
der Strahlteiler mit Schirm passend positioniert werden, was mit der Linsengleichung
berechnet werden kann. Zuerst wird die die Distanz Laser Drehspiegel ermittelt:
1
1 1
= +
f
g
b
W obei :
b = d1 + d2 − f
g = d3 + f
1
1
1
=
+
f
d3 + f
d1 + d2 − f
2
f
d3 =
d1 + d2 − 2f
Setzt man nun die gegebenen Werte ein, so Erhält man eine Strecke d3 = 6, 58m. Dies
liegt in dem realisierbaren Bereich von dmax = 6, 8m.
Der Schirm muss sich ebenfalls in dieser gleichen Entfernung vom Drehspiegel befinden,
damit wir auch hier ein scharfes Bild erhalten. Damit gilt:
d3 = x1 + x2 .
Mit Hilfe der Lupe (Abstand vom Schirm: fL = 10cm) muss der Abstand (a) des Strahls
bei ruhendem Drehspiegel und beim durch den rotierenden Drehspiegel abgelenkten
Strahl ermittelt werden. Durch eben diesen Abstand lässt sich die Lichtgeschwindigkeit
c bestimmen:
∆s
∆t
∆s
t=
c
2(d1 + d2 )
t=
c
c=
∆s = 2(d1 + d2 )
Nun wird die Spiegelrotation berücksichtigt:
∆Θ = ∆ωt
∆Θ = 2πf t
∆Θ = 2πf
t=
2(d1 + d2 )
c
3
2(d1 + d2 )
c
Nun lässt sich das Dreieck vom Drehspiegel zum Schirm betrachten. Hierbei ich daran
zu denken, dass der relevante Winkel im Dreieck 2∆Θ beträgt.
tan(2∆Θ) =
a
d3
Da in diesem Fall a d3 kann man eine Näherung des tan durchführen:
tan(2∆Θ) ≈ 2∆Θ
a
⇒ 2∆Θ =
d3
a
∆Θ =
2d3
Nun kann man alle obigen Gleichungen zusammenführen:
2(d1 + d2 )
c
2(d1 + d2 )
c = 2πf
∆Θ
4d3 (d1 + d2 )
c = 2πf
a
(d1 + d2 )
c = 8πd3 f
a
∆Θ = 2πf
∆Θ =
a
2d3
Hiermit lässt sich die zu erwartende Größenordnung der Abweichung a auf dem Schirm
m
bereits bekannt sei und der Drehvorhersagen, unter der Annahme, dass c = 3 · 108
s
spiegel mit der maximalen Frequenz von 500Hz rotiert.
a = 8πd3 f
(d1 + d2 )
c
a = 8 · 6, 58m · 500Hzπ
(6, 57m + 7, 23m)
3 · 108 m
s
a = 3.80 · 10−3 m
1.2 Justierung der Apparatur und Messung
Damit der Versuch durchgeführt werden kann, muss nun der Aufbau und die Justierung
der Apparatur erfolgen. Nach den oben bestimmten Maßen sollen nun die Bauteile montiert werden. Da diese aber, aller Wahrscheinlichkeit nach, noch nicht ideal ausgerichtet
sind, um einen vernünftigen Strahlenverlauf zu ermöglichen müssen sie wie in der Aufgabenstellung beschrieben justiert und ausgerichtete werden.
Zum Einstellen der Frequenz soll eine Stimmgabel zur Hilfe genommen werden. Da der
Drehspiegel die Rotationsfrequenz 440Hz erreichen soll, kann dies mit einer Stimmgabel der gleichen Frequenz (Kammerton A) ermittelt werden. Die durch den rotierenden
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Spiegel erzeugten akustischen Schwingungen überlagern sich mit denen der Stimmgabel.
Es entstehen Schwebungen; rotiert der Drehspiegel mit ungefähr der gleichen Frequenz,
wie die der Stimmgabel so ist eine Schwebung kaum mehr festzustellen. Die so ermittelte
Drehfrequenz soll nun mit der Frequenzanzeige verglichen werden.
2 Phasenvergleichsmethode
2.1 Vorbereitung auf den Versuch
Es geht darum die Phasenverschiebung eines modulierten Lichtimpulses, der von einer
Diode ausgesandt und einen Meter Weiter von einem Phototransistor wieder gemessen
wird zu bestimmen. Wenn das Ursprungssignal der Form a cos(ωt) entspricht, dann
muss das Aufgenommene Signal die Form a cos(ωt + ϕ) besitzen. ϕ wäre hierbei unsere
Phasenverschiebung, die durch die Laufzeit des Lichts auf der Strecke von einem Meter
c
resultiert. ϕ = . So lässt sich auch die Erwartungsgröße der Phasenverschiebung (ϕ),
d
bzw. der Zeitverzögerung (∆t) bestimmen:
1
c
=
d
∆t
d
1m
∆t = =
= 3, 336 · 10−9 s
c
2, 998 · 108 m
s
ϕ=
Nach der Aufgabenstellung soll nun eine Zeitmarkenverschiebung in der Größenordnung
von einem Zehntel der Periodendauer errechnet werden:
t10 = 10 · ∆t
= 3, 336 · 10−8 s
1
f=
t10
= 2, 998 · 107 Hz
Somit wäre die nötige Modulationsfrequenz bei ungefähr 30M Hz.
Nun soll die bei einem Oszilloskop nötige Ablenkgeschwindigkeit errechnet werden, die
benötigt würde, um eine solche Zeitmarkenverschiebung als 5-mm-Verschiebung auf dem
Schirm darzustellen (x = 5mm):
vabl. = xf
= 5mm · 2, 998 · 107 s
m
cm
= 1, 499 · 105 = 149, 9
s
µs
Dieser Wert ist weit aus größer (15-fach), als die an einem konventionellen Oszilloskop
zu erreichende Ablenkungsgeschwindigkeit von 10 m
s.
5
Durch die multiplikative Mischung des Signals mit einem Hilfssignal soll nun die Messung
vereinfacht werden. Man bedient sich hier einem Tiefpass, der nur den niederfrequenten
Anteil der Schwingung berücksichtigt. Die Phasenverschiebung bleibt in diesem Fall aber
gleich:
aA
[cos(ωt + ϕ − Ωt) + cos(ωt + ϕ + Ωt))]
2
aA
[cos((ω − Ω)t + ϕ) + cos((ω + Ω)t + ϕ)]
=
2
a cos(ωt + ϕ) · A cos(Ωt) =
Man sieht hier, dass die Phasenverschiebung erhalten bleibt, und der niederfrequenten
Schwingungsanteil (ω − Ω) durch den Tiefpass erhalten bleibt.
Durch dieses Herausfiltern der hohen Frequenzen erhalten wir aber einen Zeitdehnungs∆t0
faktor (
).
∆t
∆t0
=
∆t
ϕ
ω−Ω
ϕ
ω
=
ω
ω−Ω
ω ≈ 2π · 60M Hz
Ω = 2π59, 9M Hz
∆t0
= 600
∆t
Dieser Zeitdehnungsfaktor ermöglicht es, die Phasenverschiebung an einem Oszilloskop
darzustellen, da nun die verzögerte Ablenkungsgeschwindigkeit im Rahmen des vom Osm
zilloskop darstellbaren Bereiches liegt (vabl.verz. = 600·vabl. ≈ 0, 25 ). Die so gemessenen
s
Werte müssen nur ebenfalls um diesen Faktor korrigiert werden.
2.2 Justierung der Apparatur und Eichmessung
Der Versuchsaufbau muss nun noch justiert werden, um eine möglichst gut ausgeleuchtete
Photodiode zu erhalten. Dies soll mit Hilfe der Sammellinse geschehen. Außerdem soll
der Lichtstrahl möglichst parallel zur Zeiß-Schiene sein.
Durch die genauere (quarzstabile) Frequenz der Lichtquelle soll die Zeitablenkung des
ω
Oszilloskopes geeicht werden. Hierfür wird der 10
-Signalausgang der Lichtquelle (ohne
grünen Ring) benutzt werden.
2.3 Lichtgeschwindigkeits- und Brechzahlmessung
2.3.1 Lichtgeschwindigkeit in der Luft
Es wird der Abstand zwischen Sender und Empfänger variiert und somit in Abhängigkeit
dieser Änderung die Phasenverschiebung bestimmt. Aus dieser Phasenverschiebung lässt
sich die Lichtgeschwindigkeit berechnen, wobei der Zeitdehnungsfaktor berücksichtigt
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werden muss.
d
∆t
ω
d
=
·
ω − Ω ∆tOszi
c=
2.3.2 Brechzahlbestimmung von Wasser
cLuf t
cV akuum
Unter der Annahme, dass
gilt, lässt sich der Brechungsindex (n) von
=
cM edium
cW asser
Wasser, wenn ebenfalls die Strecke d = 1m durchlaufen wird, sehr einfach bestimmen:
n=
cLuf t
cW asser
Hierfür wird eigentlich nur eine Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit in Wasser nötig,
die nach obigem Schema durchgeführt wird.
Wird nicht die volle Länge zwischen Sender und Empfänger (d > l) ausgefüllt, so wird
die Brechzahl wie folgt bestimmt:
d−l
l
+
cLuf t cW asser
cLuf t
nLuf t
=
cW asser
cLuf t · ∆t − d + l
=
l
∆t =
nW asser
nW asser
nLuf t = 1
2.3.3 Brechzahlbestimmung von Plexiglas
Analog zur Brechzahlbestimmung von Wasser.
2.3.4 Lissajous-Figuren - Lichtgeschwindigkeitsbestimmung
Werden zwei Schwingungen gleicher Frequenz aber mit Phasenverschiebung gegeneinander (auf x- und y-Achse) aufgetragen, so bilden sich Lissajous-Figuren. Beträgt die
λ
Verschiebung genau ein ganzzahliges Vielfaches der halben Periode, also k · , so ist
2
am Oszilloskop eine Gerade zu erkennen. Es wird der Abstand zwischen Sender und
Empfänger variiert, bis zwei Punkte gefunden wurden, bei denen eine Gerade auf dem
Oszilloskopschirm angezeigt wird. Die Längendifferenz dieser Punkte sei ∆l
Somit lässt sich auch die Lichtgeschwindigkeit bestimmen:
∆l = k ·
λ
2
λ=
c
2·f
c = ∆l · 2 · f
∆l = k ·
7
c
f
2.3.5 Brechzahlbestimmung via Lissajous-Figuren
Auch mit dieser Methode lässt sich die Brechzahl eines Mediums bestimmen. Hat das
Medium die Länge x, so ändert dies die Laufzeit vom Sender zum Empfänger und somit
die Lissajous-Figur auf dem Schirm. Um dies wieder zu korrigieren wird die Entfernung
von Sender und Empfänger geändert (∆l), bis wieder die Gerade auf dem Schirm zu
sehen ist.
∆l = d − dmitM edium
= ∆t · cLuf t − dmitM edium
Analog zur Ermittlung der Brechzahl von Wasser ergibt sich hier die Bestimmungsformel:
n=
∆l
+1
x
8