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

Vorgesehener zeitlicher Ablauf des Kurses PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum 3. Tag 09:00 – 12:00 Uhr Versuchsblock: (Arbeit in 3 Kleingruppen) 1. Beugung am Gitter 2. Spektrometrie 3. Polarisation 12:45 – 14:30 Uhr Vorbereitung der Gruppenpräsentationen 4. Tag 09:00 – 09:30 Uhr Probevortrag der Gruppenpräsentationen 09:30 – 11:00 Uhr Präsentation zu je ca. 20 Minuten 11:00 – 11:30 Uhr Abschlussbesprechung 12:00 – 14:00 Uhr Vorlesung zum Laser; anschließende 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.

Kurzer Ausflug in die Mathematik PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Die genauere Betrachtung eines rechtwinkligen Dreiecks ergibt: G1/H1 = G2/H2 = G3/H3 G1/A1 = G2/A2 = G3/A3 Verwendete Bezeichnungen: G: Gegenkathete A: Ankathete H: Hypotenuse H3 H2 H1 G1 G2 . G3 a A1 A2 A3 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 a = G/H arcsin (G/H) = a tan a = G/A arctan (G/A) = a

Kurzer Ausflug in die Mathematik PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum Beispiel: G = 3 cm H = 6 cm a = 30° G = 3 cm H = 6 cm a

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