Kapitel 12.6 Wellenoptik 1
Das Übergreifen einer Wellein den geometrischen Schattenraum
bezeichnet man als Beugung.
Kapitel 12.6 Wellenoptik 2
12.6.2 Beugung
Versuch: Vom hinteren Ende des Physiksaals aus beobachten wir durch einen Vorhangstoff eine am Pult stehende brennende Kerze.
Ergebnis: Man sieht die Flamme mehrmals. Diese Erscheinungen nennt man Beugungserscheinungen.
Kapitel 12.6 Wellenoptik 3
Fortpflanzungsrichtung
Wellenfronten Elementarwellen
Huygenssches Prinzip Huygenssches Prinzip
Jeder Punkt einer Wellenfläche istAusgangspunkt einer Elementarwelle.
Die Einhüllende dieser Elementarwellenbildet eine neue Wellenfläche.
Kapitel 12.6 Wellenoptik 4
Beugung am Einzelspalt Beugung am Einzelspalt
Kapitel 12.6 Wellenoptik 5
Beugung am Doppelspalt Beugung am Doppelspalt
Kapitel 12.6 Wellenoptik 6
12.6.2.1 Beugung am Doppelspalt
d
k sin Beugungsmaxima
k-ter Ordnung
d
n
k = 0, 1, 2, 3, …
Versuch: Laser, davor wird ein Dia mit Doppelspalt aufgestellt. Ergebnis: Am Schirm können helle "Punkte" und dunkle Abschnitte beobachtet werden.
Kapitel 12.6 Wellenoptik 7
d
k
2
)12(sin
Beugungsminima
k-ter Ordnung
d
n
k = 0, 1, 2, 3, …
Auslöschung:
Kapitel 12.6 Wellenoptik 8
12.6.2.2 Beugung am Gitter
d
n
d
k sin Beugungsmaxima k-ter Ordnung
d … Gitterkonstante
Kapitel 12.6 Wellenoptik 9
Beugung am Gitter Beugung am Gitter
Kapitel 12.6 Wellenoptik 10
Führe die Schülerversuche zu Beugung am Gitter und Bestimmung der Wellenlänge des Lichts durch!
Beugung am Gitter
Spalt
Kondensor
Lichtq.
Abbildungslinse
Gitter
Kreisblende Schirm
+50 +100
Führe folgende Aufgaben durch:1.Bilde den Spalt scharf auf den Schirm ab!2.Setze auf den Kondensor ein rotes Farbglas! (monochromatisches Licht)3.Gib das Gitter (100 Striche/cm) zwischen Abbildungslinse und Schirm!4.Schreibe die Beobachtung auf!5.Entferne das Farbglas! Was verändert sich? 6.Verwende ein Rowland-Gitter (600 Striche/mm)7.Was bewirkt die neue Gitterkonstante? Versuche einen Zusammenhang zwischen Gitterkonstante und Beugungswinkel zu finden!8.Welche Farbe wird am stärksten gebeugt? 9.Vergleiche mit dem Prismenspektrum!
Versuchsaufbau:
Kapitel 12.6 Wellenoptik 11
Beugung am Gitter Beugung am Gitter
2 Öffnungen
3 Öffnungen
4 Öffnungen
5 Öffnungen
10 Öffnungen
20 Öffnungen
Kapitel 12.6 Wellenoptik 12
12.6.2.3 Wellenlängenmessung mit Gitter
Versuchsaufbau: wie vorhin mit RowlandgitterAufstecken von Farbgläsern.Aufgabe:Bestimme die Wellenlänge von verschiedenen Farbgläsern!
Berechnungsgrundlagen: Gitterkonstante: d = (10-3/600)m
Beugungsmaximum 1. Ordnung:sin = λ/ d λ = d ∙sin = INV TAN(a/l)
Schirm
ad
l
Beugungsmaximum
Beugungsmaximum 0. Ordnung
1. Ordnung
Wir messen: a, l . Wir berechnen
Farbe a [m] l [m] λ = d∙ sin
Blau
Grün
Rot
Kapitel 12.6 Wellenoptik 13
Bestimmung der Lichtwellenlänge Bestimmung der Lichtwellenlänge
rot 700 4,3
gelb 580 5,2
grün 530 5,7
blau 480 6,3
violett 400 7,5
weiß: kontinuierliches Gitterspektrum
f=c/(1014Hz)
(nm)
Kapitel 12.6 Wellenoptik 14
SchmetterlingsflügelBeugung am SchmetterlingsflügelBeugung am Schmetterlingsflügel
Kapitel 12.6 Wellenoptik 15
Compact Disc – Digital Versatile DiscCompact Disc – Digital Versatile Disc
CD DVD
Disc-Durchmesser
Laser
Spurabstand
minimale Pitlänge
Kapazität
120mm
780nm
1,6m
0,83m
~700MB
120mm
635 – 650nm
0,74m
0,4m
Single ~4,7GBDual ~8,5GB
Kapitel 12.6 Wellenoptik 16
Beugung am Einzelspalt Beugung am Einzelspalt Beugung am Einzelspalt
a
n
a
nsin n
Beugungsminima
n-ter Ordnung EndeEnde
Kapitel 12.6 Wellenoptik 17
Kapitel 12.6 Wellenoptik 18
12.6.3 Polarisation
Kapitel 12.6 Wellenoptik 19
Die bisherigen Wellen-Erscheinungen (Interferenz, Beugung) ließen noch keine Klärung zu, ob es sich bei Licht um transversale oder longitudinale Wellen handelt. Malus entdeckte 1808 eine gewisse Seitlichkeit des Lichts bei gewissen Versuchen. (Abweichung von der Symmetrie.)Diese Abweichung bezeichnete man Polarisation.Im allgemeinen ist das Licht einer Lichtquelle nicht polarisiert, die einzelnen Lichtwellen schwingen in beliebigen Richtungen.
Das menschliche Auge hat auch keine Möglichkeit, die Polarisation festzustellen.
Kapitel 12.6 Wellenoptik 20
Thomas YoungThomas Young
Licht Licht elastische Welle im „ÄTHER“ elastische Welle im „ÄTHER“ (Longitudinalwelle)(Longitudinalwelle)
TransversalwelleTransversalwelle
Christian HuygensChristian Huygens
Etienne Louis MalusEtienne Louis Malus
1808 Polarisation1808 Polarisation
„Äther“-wellen
Kapitel 12.6 Wellenoptik 21
Mechanischer Mechanischer ModellversuchModellversuch
Kapitel 12.6 Wellenoptik 22
Verblüffender Versuch
Kapitel 12.6 Wellenoptik 23
12.6.3.1 Polarisation durch Polarisationsfilter:
Polarisationsfilter sind durchsichtige Kunststofffolien, die aus langgestreckten Molekülen aufgebaut sind. Diese Moleküle werden bei der Herstellung der Folie durch "Strecken" parallelgerichtet, so dass eine Vorzugsrichtung entsteht.
Versuch: Verwende zwei Polarisationsfilter und lege sie übereinander!
Drehe sie gegeneinander!
Was stellst du fest?
Ergebnis: Stehen Polarisator und Analysator parallel, geht das Licht durch, stehen sie aufeinander normal, geht Licht nicht mehr durch den Analysator.
http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/polarization/polarizationI.html
Mit Polarisationsfiltern wird linear polarisiertes Licht erzeugt.
Kapitel 12.6 Wellenoptik 24
12.6.3.2 Polarisation durch Reflexion:
Versuch: Schaue durch ein Polarisationsfilter Schräg zur Fensterscheibe!
Drehe das Polarisationsfilter!
Ändere den Winkel zwischen dem Lot der Fensterscheibe und deiner Blickrichtung!
Ergebnis: An Gläsern und Wasserflächen reflektiertes Licht ist linear polarisiert.
Brewstergesetz
Stehen der reflektierte und der gebrochene Strahl aufeinander normal, so ist der reflektierte Strahl (optimal) linear polarisiert. Die Polarisationsebene ist normal auf die Einfallsebene.
Kapitel 12.6 Wellenoptik 25
1813 David Brewster1813 David Brewster
Brewstergesetz
Zum Brewster-Winkel:
+ ß = 90°
tancos
sin
)90sin(
sin
sin
sin
an
tan B = n12 ........ Brewster-Gesetz B … Brewsterwinkel
Kapitel 12.6 Wellenoptik 26
12.6.3.3 Polarisation durch Streuung
Versuch: Ein Wassertrog wird mit parallelem Licht durchstrahlt.Seitlich betrachten wir den Wasserstrahl mit einem Polarisationsfilter.
Ergebnis: Das gestreute Licht ist teilweise polarisiert. Die Polarisationsebene steht normal auf die Strahl- und die Streurichtung.
Beispiele: Streulicht des Himmels
Kapitel 12.6 Wellenoptik 27
http://www.uni-bonn.de/iap/P2K/polarization/polarizationI.html
Himmelslicht
Kapitel 12.6 Wellenoptik 28
Polarisation des Himmelslicht
Kapitel 12.6 Wellenoptik 29
optische Achse
außerordentlicher Strahl
ordentlicher Strahl
12.6.3.4 Polarisation durch Doppelbrechung
Kapitel 12.6 Wellenoptik 30
Versuch: Kalkspatkristall zeigen!
Ergebnis: Bei Drehen des Analysators können wir auf dem Schirm 2 Kreise sehen, deren Helligkeit schwankt.
Ordentlicher und außerordentlicher Strahl sind normal aufeinander polarisiert.
Kapitel 12.6 Wellenoptik 31
optische Achse
optische Achse
ordentlicher Strahl
außerordentlicher Strahl
Plättchen4
/4-Plättchen
Kapitel 12.6 Wellenoptik 32
Linear-, zirkularpolarisiert
Linear polarisierte WelleLinear polarisierte Welle Zirkular polarisierte WelleZirkular polarisierte Welle
Kapitel 12.6 Wellenoptik 33
12.6.3.5 Drehung der Polarisationsebene durch optisch aktive Substanzen - Spannungsoptik
1. Verwendung von monochromatischem LichtErgebnis: Ein Quarz zwischen zwei gekreuzten Pol.-Filtern lässt das Licht wieder durchtreten. Drehung der Polarisationsebene.2. Bei Verwendung von weißem Licht treten Farberscheinungen auf. → Rotationsdispersion.Verwendet man anstelle von Quarz Plexiglas oder Zellophan, so erhält man auch Farberscheinungen.
Kapitel 12.6 Wellenoptik 34
Bestimmung des Zuckergehalts einer Rohrzuckerlösung: Auch eine Rohrzuckerlösung dreht je nach Zuckergehalt die Polarisationsebene. Diese Eigenschaft wird im Saccharimeter angewandt.
Viele durchsichtige Substanzen zeigen bei Druck- oder Zugbeanspruchungen doppelbrechende Eigenschaften. Spannungsdoppelbrechung.(Versuchsanordnung wie im obigen Versuch mit Quarz)Wird zu Materialprüfungen verwendet. Modelle aus Plexiglas.
Kapitel 12.6 Wellenoptik 35
12.6.3.6 Der Faradayeffekt
Wird zwischen zwei gekreuzte Polfilter ein Glasstab, der in die Polschuhe eines Elektromagneten eingelassen ist, gebracht, so wird bei Anlegen des Magnetfeldes die Polarisationsebene gedreht.
Legt man ein Wechselfeld an so schwankt die Lichtstärke. Dies kann man sich bei der Übertragung von Information zunutze machen.
Kerreffekt: Anstelle des magnetischen Feldes wird ein elektrisches Feld angelegt. (Kerrzelle)
Kapitel 12.6 Wellenoptik 36
http://www.uni-bonn.de/iap/P2K/laptops/calculator.htmlEndeEnde
keine angelegte SpannungEin elektrisches Feld zerstört die
Verdrillung der Moleküle.
Die Zelle wird lichtundurchlässig.
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