Kapitel 12.6 Wellenoptik 1 Das Übergreifen einer Welle in den geometrischen Schattenraum bezeichnet man als Beugung

Kapitel 12.6 Wellenoptik 1

Das Übergreifen einer Wellein den geometrischen Schattenraum

bezeichnet man als Beugung.


12.6.2 Beugung

Versuch: Vom hinteren Ende des Physiksaals aus beobachten wir durch einen Vorhangstoff eine am Pult stehende brennende Kerze.

Ergebnis: Man sieht die Flamme mehrmals. Diese Erscheinungen nennt man Beugungserscheinungen.


Fortpflanzungsrichtung

Wellenfronten Elementarwellen

Huygenssches Prinzip Huygenssches Prinzip

Jeder Punkt einer Wellenfläche istAusgangspunkt einer Elementarwelle.

Die Einhüllende dieser Elementarwellenbildet eine neue Wellenfläche.


Beugung am Einzelspalt Beugung am Einzelspalt


Beugung am Doppelspalt Beugung am Doppelspalt


12.6.2.1 Beugung am Doppelspalt

d

k sin Beugungsmaxima

k-ter Ordnung

d

n

k = 0, 1, 2, 3, …

Versuch: Laser, davor wird ein Dia mit Doppelspalt aufgestellt. Ergebnis: Am Schirm können helle "Punkte" und dunkle Abschnitte beobachtet werden.


d

k

2

)12(sin

Beugungsminima

k-ter Ordnung

d

n

k = 0, 1, 2, 3, …

Auslöschung:


12.6.2.2 Beugung am Gitter

d

n

d

k sin Beugungsmaxima k-ter Ordnung

d … Gitterkonstante


Beugung am Gitter Beugung am Gitter


Führe die Schülerversuche zu Beugung am Gitter und Bestimmung der Wellenlänge des Lichts durch!

Beugung am Gitter

Spalt

Kondensor

Lichtq.

Abbildungslinse

Gitter

Kreisblende Schirm

+50 +100

Führe folgende Aufgaben durch:1.Bilde den Spalt scharf auf den Schirm ab!2.Setze auf den Kondensor ein rotes Farbglas! (monochromatisches Licht)3.Gib das Gitter (100 Striche/cm) zwischen Abbildungslinse und Schirm!4.Schreibe die Beobachtung auf!5.Entferne das Farbglas! Was verändert sich? 6.Verwende ein Rowland-Gitter (600 Striche/mm)7.Was bewirkt die neue Gitterkonstante? Versuche einen Zusammenhang zwischen Gitterkonstante und Beugungswinkel zu finden!8.Welche Farbe wird am stärksten gebeugt? 9.Vergleiche mit dem Prismenspektrum!

Versuchsaufbau:


Beugung am Gitter Beugung am Gitter

2 Öffnungen

3 Öffnungen

4 Öffnungen

5 Öffnungen

10 Öffnungen

20 Öffnungen


12.6.2.3 Wellenlängenmessung mit Gitter

Versuchsaufbau: wie vorhin mit RowlandgitterAufstecken von Farbgläsern.Aufgabe:Bestimme die Wellenlänge von verschiedenen Farbgläsern!

Berechnungsgrundlagen: Gitterkonstante: d = (10-3/600)m

Beugungsmaximum 1. Ordnung:sin = λ/ d λ = d ∙sin = INV TAN(a/l)

Schirm

ad

l

Beugungsmaximum

Beugungsmaximum 0. Ordnung

1. Ordnung

Wir messen: a, l . Wir berechnen

Farbe a [m] l [m] λ = d∙ sin

Blau

Grün

Rot


Bestimmung der Lichtwellenlänge Bestimmung der Lichtwellenlänge

rot 700 4,3

gelb 580 5,2

grün 530 5,7

blau 480 6,3

violett 400 7,5

weiß: kontinuierliches Gitterspektrum

f=c/(1014Hz)

(nm)


SchmetterlingsflügelBeugung am SchmetterlingsflügelBeugung am Schmetterlingsflügel


Compact Disc – Digital Versatile DiscCompact Disc – Digital Versatile Disc

CD DVD

Disc-Durchmesser

Laser

Spurabstand

minimale Pitlänge

Kapazität

120mm

780nm

1,6m

0,83m

~700MB

120mm

635 – 650nm

0,74m

0,4m

Single ~4,7GBDual ~8,5GB


Beugung am Einzelspalt Beugung am Einzelspalt Beugung am Einzelspalt

a

n

a

nsin n

Beugungsminima

n-ter Ordnung EndeEnde



12.6.3 Polarisation


Die bisherigen Wellen-Erscheinungen (Interferenz, Beugung) ließen noch keine Klärung zu, ob es sich bei Licht um transversale oder longitudinale Wellen handelt. Malus entdeckte 1808 eine gewisse Seitlichkeit des Lichts bei gewissen Versuchen. (Abweichung von der Symmetrie.)Diese Abweichung bezeichnete man Polarisation.Im allgemeinen ist das Licht einer Lichtquelle nicht polarisiert, die einzelnen Lichtwellen schwingen in beliebigen Richtungen.

Das menschliche Auge hat auch keine Möglichkeit, die Polarisation festzustellen.


Thomas YoungThomas Young

Licht Licht elastische Welle im „ÄTHER“ elastische Welle im „ÄTHER“ (Longitudinalwelle)(Longitudinalwelle)

TransversalwelleTransversalwelle

Christian HuygensChristian Huygens

Etienne Louis MalusEtienne Louis Malus

1808 Polarisation1808 Polarisation

„Äther“-wellen


Mechanischer Mechanischer ModellversuchModellversuch


Verblüffender Versuch


12.6.3.1 Polarisation durch Polarisationsfilter:

Polarisationsfilter sind durchsichtige Kunststofffolien, die aus langgestreckten Molekülen aufgebaut sind. Diese Moleküle werden bei der Herstellung der Folie durch "Strecken" parallelgerichtet, so dass eine Vorzugsrichtung entsteht.

Versuch: Verwende zwei Polarisationsfilter und lege sie übereinander!

Drehe sie gegeneinander!

Was stellst du fest?

Ergebnis: Stehen Polarisator und Analysator parallel, geht das Licht durch, stehen sie aufeinander normal, geht Licht nicht mehr durch den Analysator.

http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/polarization/polarizationI.html

Mit Polarisationsfiltern wird linear polarisiertes Licht erzeugt.


12.6.3.2 Polarisation durch Reflexion:

Versuch: Schaue durch ein Polarisationsfilter Schräg zur Fensterscheibe!

Drehe das Polarisationsfilter!

Ändere den Winkel zwischen dem Lot der Fensterscheibe und deiner Blickrichtung!

Ergebnis: An Gläsern und Wasserflächen reflektiertes Licht ist linear polarisiert.

Brewstergesetz

Stehen der reflektierte und der gebrochene Strahl aufeinander normal, so ist der reflektierte Strahl (optimal) linear polarisiert. Die Polarisationsebene ist normal auf die Einfallsebene.


1813 David Brewster1813 David Brewster

Brewstergesetz

Zum Brewster-Winkel:

+ ß = 90°

tancos

sin

)90sin(

sin

sin

sin

an

tan B = n12 ........ Brewster-Gesetz B … Brewsterwinkel


12.6.3.3 Polarisation durch Streuung

Versuch: Ein Wassertrog wird mit parallelem Licht durchstrahlt.Seitlich betrachten wir den Wasserstrahl mit einem Polarisationsfilter.

Ergebnis: Das gestreute Licht ist teilweise polarisiert. Die Polarisationsebene steht normal auf die Strahl- und die Streurichtung.

Beispiele: Streulicht des Himmels


http://www.uni-bonn.de/iap/P2K/polarization/polarizationI.html

Himmelslicht

http://www.uni-bonn.de/iap/P2K/polarization/polarizationI.html


Polarisation des Himmelslicht


optische Achse

außerordentlicher Strahl

ordentlicher Strahl

12.6.3.4 Polarisation durch Doppelbrechung


Versuch: Kalkspatkristall zeigen!

Ergebnis: Bei Drehen des Analysators können wir auf dem Schirm 2 Kreise sehen, deren Helligkeit schwankt.

Ordentlicher und außerordentlicher Strahl sind normal aufeinander polarisiert.


optische Achse

optische Achse

ordentlicher Strahl

außerordentlicher Strahl

Plättchen4

/4-Plättchen


Linear-, zirkularpolarisiert

Linear polarisierte WelleLinear polarisierte Welle Zirkular polarisierte WelleZirkular polarisierte Welle


12.6.3.5 Drehung der Polarisationsebene durch optisch aktive Substanzen - Spannungsoptik

1. Verwendung von monochromatischem LichtErgebnis: Ein Quarz zwischen zwei gekreuzten Pol.-Filtern lässt das Licht wieder durchtreten. Drehung der Polarisationsebene.2. Bei Verwendung von weißem Licht treten Farberscheinungen auf. → Rotationsdispersion.Verwendet man anstelle von Quarz Plexiglas oder Zellophan, so erhält man auch Farberscheinungen.


Bestimmung des Zuckergehalts einer Rohrzuckerlösung: Auch eine Rohrzuckerlösung dreht je nach Zuckergehalt die Polarisationsebene. Diese Eigenschaft wird im Saccharimeter angewandt.

Viele durchsichtige Substanzen zeigen bei Druck- oder Zugbeanspruchungen doppelbrechende Eigenschaften. Spannungsdoppelbrechung.(Versuchsanordnung wie im obigen Versuch mit Quarz)Wird zu Materialprüfungen verwendet. Modelle aus Plexiglas.


12.6.3.6 Der Faradayeffekt

Wird zwischen zwei gekreuzte Polfilter ein Glasstab, der in die Polschuhe eines Elektromagneten eingelassen ist, gebracht, so wird bei Anlegen des Magnetfeldes die Polarisationsebene gedreht.

Legt man ein Wechselfeld an so schwankt die Lichtstärke. Dies kann man sich bei der Übertragung von Information zunutze machen.

Kerreffekt: Anstelle des magnetischen Feldes wird ein elektrisches Feld angelegt. (Kerrzelle)


http://www.uni-bonn.de/iap/P2K/laptops/calculator.htmlEndeEnde

keine angelegte SpannungEin elektrisches Feld zerstört die

Verdrillung der Moleküle.

Die Zelle wird lichtundurchlässig.

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Kapitel 12.6 Wellenoptik 1 Das Übergreifen einer Welle in den geometrischen Schattenraum bezeichnet man als Beugung