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

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1 PeP Physik 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 Mainz

2 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 ??? PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum

3 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Vorgesehener zeitlicher Ablauf des Kurses 1. Tag09:00 – 09:15 hEinleitung: Begrüßung Vorstellung, Sicherheitsbelehrung, Laserschutz 09:15 – 10:00 hTheorie: Eigenschaften des Lichts, Polarisation Einführung in die Wellenoptik, Polarisation von Licht 10:15 – 12:45 hVersuchsblock: (Arbeit in 3 Kleingruppen) 1. Lichtausbreitung und optische Abbildungen 2. Messung der Lichtgeschwindigkeit 3. Beugung am Gitter 13:30 – 15:15 hVorbereitung der Gruppenpräsentationen 15:30 – 17:00 hPräsentation zu je ca. 20 Minuten

4 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Vorgesehener zeitlicher Ablauf des Kurses 2. Tag09:00 – 10:00 hTheorie: Lichtentstehung, Halbleiterelemente Spektrometrie, Kontinuumstrahler, Bohr’sches Atommodell, Linienstrahler, Dioden 10:15 – 12:45 hVersuchsblock: (Arbeit in 3 Kleingruppen) 1. Spektrometrie 2. Polarisation 3. Lebensdauer angeregter Zustände und Halbleiterelemente 13:30 – 15:15 hVorbereitung der Gruppenpräsentationen 15:30 – 17:00 hPräsentation zu je ca. 20 Minuten 3. Tag09:00 – 11:00 hTheorie: Vorlesung zur Holografie; Vorlesung zum Laser 11:45 – 14:45 hAnwendungen: (abwechselnd in 2 Gruppen) 1. Erstellen von eigenen Hologrammen 2. Erstellen von eigenen Photos mit der Lochkamera 15: :30 hAbschlussbesprechung und Laborführung

5 Laserstrahlungsichtbar / unsichtbar Mechanische EinwirkungenGravitation Magnetfeld Vakuum Thermische EinwirkungenHitze Feuer Kälte ElektrizitätWechselspannung (z.B. 230 V) Gleichspannung (z.B. Hochspannung) elektro-magnetische Felder - Mikrowellen ChemieLösungsmittel Giftige und krebserregende Stoffe Radioaktivitätäußere Strahlenbelastung durch , , , n,... Inkorporation von Aktivität PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Gefährdungspotentiale bei Arbeiten im Labor

6 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? PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Lerninhalte – einige inhaltliche Fragen zum Kurs

7 Was ist Licht? Licht als Lichtstrahl Licht als elektro- magnetische Welle Licht als Photon mit Teilchencharakter PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum

8 Fermatsches Prinzip: Der Weg des Lichts zwischen zwei Punkten ist der Weg, auf dem das Licht die kürzeste Zeit benötigt. Pierre Fermat, Die geometrische Optik PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum

9 Da das Licht in verschiedenen Medien verschiedene Geschwindigkeiten besitzt, findet an deren Grenzflächen Brechung statt. PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Warum wird Licht gebrochen? Ist hier nicht der gestrichelte Weg kürzer? Für welchen Weg benötigt das Licht weniger Zeit? Bedeuten beide Fragen das gleiche?

10 Für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gilt: PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Es gilt das Snelliussche Brechungsgesetz:

11 Vorstellung des Lichts als Lichtstrahl, der sich im selben Medium geradlinig ausbreitet und an Grenzflächen gebrochen wird Abbildung an Linsen Mit der Linsengleichung : PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Wichtige Folgerungen

12 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Ist Licht nicht doch mehr?

13 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Das Doppelspaltexperiment

14 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

15 Notwendig für Interferenz Kohärenz der Wellen Konstruktive Interferenz Gangunterschied ein Vielfaches der Wellenlänge oder Null Destruktive Interferenz Gangunterschied ein Vielfaches der halben Wellenlänge PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Interferenz von Lichtwellen Interferenz ist das Phänomen, das beobachtet wird, wenn Wellen sich ungestört überlagern (Superposition)

16 Es entsteht ein Maximum n-ter Ordnung auf dem Schirm, wenn der Gangunterschied hinter dem Spalt ein n-faches der Wellenlänge ist Es gilt: - PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Wo entstehen die Maxima?

17 Beschreibung des Lichts als elektromagnetische Welle: PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Wellenoptik Da das elektrische Feld die größte Lichtwirkung hervorruft, werden wir im weiteren Verlauf das magnetische Feld vernachlässigen.

18 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Beschreibung des Lichts durch eine Welle Perioden- dauer T Abstand von der Lichtquelle in Ausbreitungsrichtung Zeit Wellen- länge E E Betrachtung der Welle an einem bestimmten Ort über einen gewissen Zeitraum Perioden- dauer T Abstand von der Lichtquelle in Ausbreitungsrichtung Zeit Wellen- länge E E Betrachtung der Ausdehnung der Welle zu einem bestimmten Zeitpunkt Amplitude (Maximalausschlag) c = /T = f LichtquellePunkt der Beobachtung Lichtquelle Momentaufnahme des Wellenausschnitts

19 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum 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.

20 Doppelspalt breite, unscharfe Maxima Gitter schmale, scharfe und intensivere Maxima PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Was passiert bei einem Gitter? zwei Spalte drei Spalte vier Spalte

21 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 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

22

23 Polarisation von Licht Polarisiert man Licht, so legt man die „Schwingungsrichtung“ der Lichtwellen fest PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum

24 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

25 Zur Veranschaulichung PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum

26 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? PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum

27 Was ist der Brewsterwinkel? Das reflektierte Licht ist senkrecht zur Einfallsebene polarisiert PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum


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