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 h Einleitung: Begrüßung Vorstellung, Sicherheitsbelehrung, Laserschutz

09:15 – 10:00 h Theorie: Eigenschaften des Lichts, PolarisationEinführung in die Wellenoptik, Polarisation von Licht

10:15 – 12:45 h Versuchsblock: (Arbeit in 3 Kleingruppen)1. Lichtausbreitung und optische Abbildungen2. 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, HalbleiterelementeSpektrometrie, Kontinuumstrahler, Bohr’sches Atommodell, Linienstrahler, Dioden

10:15 – 12:45 h Versuchsblock: (Arbeit in 3 Kleingruppen)1. Spektrometrie2. Polarisation3. 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 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 Hologrammen2. Erstellen von eigenen Photos mit der Lochkamera

15:00 - 16:30 h Abschlussbesprechung und 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?

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 1

f 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 ist

Es gilt:

-

- tany

l



sindn

Wo entstehen die Maxima?

Beschreibung des Lichts als elektromagnetische Welle:



Wellenoptik

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

Polarisation von Licht

Polarisiert man Licht, so legt man die „Schwingungsrichtung“ der Lichtwellen fest



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



Zur Veranschaulichung PePPhysik erfahren im


• Mit Polarisationsfolien wird Licht linear polarisiert

• Mit /4 Plättchen wird Licht zirkular polarisiert

• Unter dem Brewsterwinkel reflektiertes Licht ist linear polarisiert

Wie wird Licht polarisiert?



Was ist der Brewsterwinkel?

Das reflektierte Licht ist senkrecht zur Einfallsebene polarisiert



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