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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 UhrEinleitung: Begrüßung Vorstellung, Sicherheitsbelehrung, Laserschutz 09:15 – 10:00 UhrTheorie: Eigenschaften des Lichts Geometrische Optik, Einführung in die Wellenoptik 10:45 – 14:00 UhrVersuchsblock: (Arbeit in 3 Kleingruppen) 1. Lichtausbreitung und optische Abbildungen 2. Messung der Lichtgeschwindigkeit 3. Erstellen von Photos mit der Lochkamera 2. Tag09:00 – 11:00 UhrVorbereitung der Gruppenpräsentationen 11:00 – 12:30 UhrPräsentation zu je ca. 20 Minuten 13:00 – 14:00 UhrTheorie: Lichtentstehung Spektrometrie, Kontinuumsstrahler, Bohr’sches Atommodell, Linienstrahler, Polarisation von Licht

4 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Vorgesehener zeitlicher Ablauf des Kurses 3. Tag09:00 – 12:00 Uhr Versuchsblock: (Arbeit in 3 Kleingruppen) 1. Beugung am Gitter 2. Spektrometrie 3. Polarisation 12:45 – 14:30 UhrVorbereitung der Gruppenpräsentationen 4. Tag09:00 – 09:30 UhrProbevortrag der Gruppenpräsentationen 09:30 – 11:00 UhrPräsentation zu je ca. 20 Minuten 11:00 – 11:30 UhrAbschlussbesprechung 12:00 – 14:00 UhrVorlesung zum Laser; anschließende 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 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Kurzer Ausflug in die Mathematik G1G1 G2G2 G3G3 A1A1 A2A2 A3A3 H1H1 H2H2 H3H3.  Die genauere Betrachtung eines rechtwinkligen Dreiecks ergibt: G 1 /H 1 = G 2 /H 2 = G 3 /H 3 G 1 /A 1 = G 2 /A 2 = G 3 /A 3 Verwendete Bezeichnungen: G: Gegenkathete A: Ankathete H: Hypotenuse Ist der Winkel in einem rechtwinkligen Dreieck gegeben, so berechnen sich entsprechende Seitenverhältnisse über: Ist das entsprechende Seitenverhältnis in einem rechtwinkligen Dreieck gegeben, so berechnet sich der Winkel über: sin  = G/H tan  = G/A arcsin (G/H) =  arctan (G/A) = 

11 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Kurzer Ausflug in die Mathematik Beispiel: G = 3 cm H = 6 cm  G = 3 cm H = 6 cm 

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

13 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

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

15 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Das Doppelspaltexperiment

16 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

17 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)

18 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?

19 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.

20 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

21 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.

22 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

23 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

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