PeP - Institut für Physik
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PeP – Physik erfahren im ForschungsPraktikum PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Vom Kerzenlicht zum Laser Kurs für die . Klasse, Gymnasium, Mainz .2004 Daniel Klein, Klaus Wendt Institut für Physik, Johannes Gutenberg-Universität, D-55099 Mainz Begrüßung Vorstellung des Kurses PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum WARUM DAS GANZE ??? 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) Erfolg der Veranstaltung hängt 100% von Eurem Engagement und Interesse ab !!! Vorgesehener zeitlicher Ablauf des Kurses 1. Tag PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum 09:00 – 09:15 h Einleitung: Begrüßung Vorstellung, Sicherheitsbelehrung, Laserschutz 09:15 – 10:00 h Theorie: Eigenschaften des Lichts, Polarisation Einführung in die Wellenoptik, Polarisation von Licht 10:15 – 12:45 h Versuchsblock: (Arbeit in 3 Kleingruppen) 1. Lichtausbreitung und optische Abbildungen 2. Messung der Lichtgeschwindigkeit 3. Beugung am Gitter 13:30 – 15:15 h Vorbereitung der Gruppenpräsentationen 15:30 – 17:00 h Präsentation zu je ca. 20 Minuten Vorgesehener zeitlicher Ablauf des Kurses 2. Tag 09:00 – 10:00 h Theorie: Lichtentstehung, Halbleiterelemente Spektrometrie, Kontinuumstrahler, Bohr’sches Atommodell, Linienstrahler, Dioden 10:15 – 12:45 h Versuchsblock: (Arbeit in 3 Kleingruppen) 1. Spektrometrie 2. Polarisation 3. Lebensdauer angeregter Zustände und Halbleiterelemente 13:30 – 15:15 h Vorbereitung der Gruppenpräsentationen 15:30 – 17:00 h Präsentation zu je ca. 20 Minuten 3. Tag PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum 09:00 – 11:00 h Theorie: Vorlesung zur Holografie; Vorlesung zum Laser 11:45 – 14:45 h Anwendungen: (abwechselnd in 2 Gruppen) 1. Erstellen von eigenen Hologrammen 2. Erstellen von eigenen Photos mit der Lochkamera 15:00 - 16:30 h Abschlussbesprechung und Laborführung Gefährdungspotentiale bei Arbeiten im Labor PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum • Mechanische Einwirkungen Gravitation Magnetfeld Vakuum • Thermische Einwirkungen Hitze Feuer Kälte • Elektrizität Wechselspannung (z.B. 230 V) Gleichspannung (z.B. Hochspannung) elektro-magnetische Felder - Mikrowellen • Chemie Lösungsmittel Giftige und krebserregende Stoffe • Radioaktivität äußere Strahlenbelastung durch , , , n, ... Inkorporation von Aktivität • Laserstrahlung sichtbar / unsichtbar Lerninhalte – PeP einige inhaltliche Fragen zum Kurs • Was ist ein Photon? • Was ist Polarisation? Physik erfahren im Forschungs-Praktikum • Was ist Licht und warum ist es so wichtig? • Wie misst man die Lichtgeschwindigkeit? • Wie wird Licht erzeugt? • Wie funktioniert ein Laser? • Was ist das besondere an Laserlicht? • Ist Licht Welle oder Teilchen? • Wozu werden Laser eingesetzt? • Was heißt Kohärenz? • Wie werden mit Licht Informationen übertragen? • Was passiert, wenn ich Licht auf einen Doppelspalt strahle? Was ist Licht? • Licht als Lichtstrahl • Licht als elektromagnetische Welle • Licht als Photon mit Teilchencharakter PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Die geometrische Optik Fermatsches Prinzip: Der Weg des Lichts zwischen zwei Punkten ist der Weg, auf dem das Licht die kürzeste Zeit benötigt. Pierre Fermat, 1601-1665 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Warum wird Licht gebrochen? PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum • Ist hier nicht der gestrichelte Weg kürzer? • Für welchen Weg benötigt das Licht weniger Zeit? • Bedeuten beide Fragen das gleiche? Da das Licht in verschiedenen Medien verschiedene Geschwindigkeiten besitzt, findet an deren Grenzflächen Brechung statt. Es gilt das Snelliussche Brechungsgesetz: PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gilt: cV 300.000 km s Wichtige Folgerungen PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum • 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 1 f g b Ist Licht nicht doch mehr? PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Das Doppelspaltexperiment PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum 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 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Interferenz von Lichtwellen PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Interferenz ist das Phänomen, das beobachtet wird, wenn Wellen sich ungestört überlagern (Superposition) • Notwendig für Interferenz Kohärenz der Wellen • Konstruktive Interferenz Gangunterschied ein Vielfaches der Wellenlänge oder Null • Destruktive Interferenz Gangunterschied ein Vielfaches der halben Wellenlänge Wo entstehen die Maxima? PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Es entsteht ein Maximum n-ter Ordnung auf dem Schirm, wenn der Gangunterschied hinter dem Spalt ein n-faches der Wellenlänge ist Es gilt: - n d sin y - tan l Wellenoptik PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Beschreibung des Lichts als elektromagnetische Welle: Da das elektrische Feld die größte Lichtwirkung hervorruft, werden wir im weiteren Verlauf das magnetische Feld vernachlässigen. Beschreibung des Lichts durch eine Welle PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Betrachtung der Welle an einem bestimmten Ort über einen gewissen Zeitraum Periodendauer T E Zeit Lichtquelle Punkt der Beobachtung Periodendauer T E Amplitude (Maximalausschlag) E Betrachtung der Ausdehnung der Welle zu einem bestimmten Zeitpunkt E Lichtquelle c = /T = f Wellenlänge Momentaufnahme des Wellenausschnitts Wellenlänge Abstand Zeit von der Lichtquelle in Ausbreitungsrichtung Abstand von der Lichtquelle in Ausbreitungsrichtung 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 2p bzw. 0. PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Was passiert bei einem Gitter? • Doppelspalt breite, unscharfe Maxima PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum vier Spalte drei Spalte zwei Spalte • Gitter schmale, scharfe und intensivere Maxima 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 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 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Polarisation von Licht Polarisiert man Licht, so legt man die „Schwingungsrichtung“ der Lichtwellen fest PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Polarisationsarten • Lineare Polarisation Die Lichtwellen schwingen in einer Ebene • Zirkulare Polarisation Die Schwingungsrichtung der Wellen rotiert • Elliptische Polarisation Die Schwingungsrichtung der Wellen rotiert und der Maximalausschlag variiert dabei PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Zur Veranschaulichung PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Wie wird Licht polarisiert? • Mit Polarisationsfolien wird Licht linear polarisiert • Mit /4 Plättchen wird Licht zirkular polarisiert • Unter dem Brewsterwinkel reflektiertes Licht ist linear polarisiert PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Was ist der Brewsterwinkel? Das reflektierte Licht ist senkrecht zur Einfallsebene polarisiert PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum
