PeP – Physik erfahren im ForschungsPraktikum 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 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum 1. Tag 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 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum 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 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

Forschungs-Praktikum 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 – einige inhaltliche Fragen zum Kurs PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Was ist ein Photon? Was ist Licht und warum ist es so wichtig? Was ist Polarisation? 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?

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

Die geometrische Optik PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum   Fermatsches Prinzip: Der Weg des Lichts zwischen zwei Punkten ist der Weg, auf dem das Licht die kürzeste Zeit benötigt. Pierre Fermat, 1601-1665

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:

Forschungs-Praktikum 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:

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

Das Doppelspaltexperiment PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum

Erklärung mit Hilfe des Huygensprinzips PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum 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

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: -

Wellenoptik PeP Beschreibung des Lichts als elektromagnetische Welle: 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 Perioden- dauer T Abstand von der Lichtquelle in Ausbreitungsrichtung Zeit Wellen- länge l E Perioden- dauer T Abstand von der Lichtquelle in Ausbreitungsrichtung Zeit Wellen- länge l E Lichtquelle Punkt der Beobachtung E Amplitude (Maximalausschlag) Betrachtung der Ausdehnung der Welle zu einem bestimmten Zeitpunkt Momentaufnahme des Wellenausschnitts Lichtquelle c = l/T = lf

Eigenschaften von Lichtwellen PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum 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.

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

Was passiert bei sehr schwachem Licht? PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum 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

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

Forschungs-Praktikum Polarisationsarten PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum 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 PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum

Wie wird Licht polarisiert? PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Mit Polarisationsfolien wird Licht linear polarisiert Mit l/4 Plättchen wird Licht zirkular polarisiert Unter dem Brewsterwinkel reflektiertes Licht ist linear polarisiert

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