Unternehmen Sie unter keinen Umständen einen eigenen Reinigungsversuch!

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1 FACHHOCHSCHULE BINGEN PHYSIKLABOR Energie- und Prozesstechnik/Biotechnik Gruppennummer Anwesenheit Name / Datum V 2.4 Wellenoptik / LASER Version Testat WICHTIG: Vor der Versuchsdurchführung müssen die Schlagworte mit Hintergrundwissen erklärt werden können und die nachfolgenden Fragen schriftlich beantwortet sein. Ebenso ist die Fehlerrechnung vorzubereiten (totales Differential!!). Ermitteln Sie durch die Fehlerrechnung, welche Größen einen starken Einfluß auf die Genauhigkeit des Ergebnisse haben! TIP: Machen Sie sich schon vor Ihrem Versuchstermin mit dem Versuchsaufbau vertraut! Schlagworte: stehende Wellen, Transversalwellen, Polarisation, Beugung am Spalt, Huygens sches Prinzip, Interferenz, Michelson-Interferometer, Laser, Halbleiterlaser, Raumfilter (Pinhole), Ortsfrequenz, Kohärenzlänge, optische Weglängendifferenz, Nonius, Beugung am Gitter. Fragen zur Vorbereitung: 1.Beschreiben Sie den allgemeinen Aufbau und Strahlengang des Michelson-Interferometers. Wann tritt Verstärkung oder Auslöschung am Empfänger auf? 2. Leiten Sie die Beziehung aus Aufgabe1 für die Winkelpositionen der Beugungsmaxima am Gitter her (mathematisch-geometrische Herleitung!)! 3. Was charakterisiert eine "transversale Welle" und was bedeutet dabei "Polarisation"? 4. Was ist die optische Weglänge? 5. Leiten Sie jeweils den Zusammenhang zwischen λ und Höhe h der Luftsäule aus Aufgabe 5 graphisch ab ( Achtung : λ=konst! ). Was ist eine Stehende Welle? ACHTUNG: Berühren Sie unter keinen Umständen die optischen Oberflächen! Sollte sich Staub auf einer Oberfläche befinden, entfernen Sie diesen gegebenenfalls mit dem beiliegenden Pinsel. Sollten andere Verschmutzungen vorliegen, melden Sie dies bitte. Unternehmen Sie unter keinen Umständen einen eigenen Reinigungsversuch!

2 Aufgabe 1: Beugung und Interferenz am Gitter Drehen Sie den Polarisationsfilter auf +90 oder 90 (größte Helligkeit). Drehen Sie den Photosensor auf Position 0mm. Setzen Sie das Dia mit dem Gitter ein. Verschieben Sie das Gitter-Dia so, dass das Beugungsbild homogen ist und symmetrisch zum Sensor Stromversorgung Meßgerät Polarisationsfilter Photosensor Spalt Polarisationsfilter LASER 2 liegt. Auf dem Meßgerät muß sich der höchste Intensitätswert ergeben. Stellen Sie die Intensität des Lasers2 so ein, dass das Meßgerät 100,00 anzeigt. Messung Skizzieren Sie den prinzipiellen Verlauf des Intensitätsprofils. Nehmen Sie die Intensität I max (s). der Maxima auf. Das Hauptmaximum liegt bei s = 0mm. Bestimmen Sie die Wellenlänge λ B aus dem Beugungsprofil (Abstand Spalt-Sensor l = 249mm ±0,5mm, Gitterkonstante 25 mm -1 ±0,5 mm -1, m Beugungsordnung, g Gitterabstand) Wellenlänge aus Beugungsgleichung: λ B = g m sin(α max ), sin α tan α für α<8 Tabelle 1: Graphik 1: m, I(s), Ι, s Max, s und λ, λ Intensitätsprofil I(s) von s = 14mm bis s = +14mm

3 Aufgabe 2: Polarisation Nehmen Sie das Dia aus der Haletrung heraus. Stellen Sie die Intensität des Lasers2 so ein, dass das Meßgerät 100,00% anzeigt. Drehen Sie den Polarisationsfilter in 10 -Schritten von φ = 90 bis φ = +90. Nehmen Sie die Intensität I( φ ) auf. Tabelle 2: φ, Δφ, I, I Graphik 2: Intensitätsprofil I( φ ) von φ = 90 bis φ = +90. Aufgabe 3: Michelson-Versuch Stromversorgung Schirm Spiegel 2 LED Raumfilter Mikrometerschraube2 Strahlteiler LASER 1 Mikrometerschraube1 Probenhalter Spiegel 1 Justieren Sie das Interferometer! Hierzu stellen Sie die kleine Projektionsfläche vor den Spiegel2. Justieren Sie mittels der Rändelschrauben das Raumfilter so, dass der Strahl streulichtfrei auf der Projektionsfläche zu sehen ist. Stellen Sie mit der Mikrometerschraube 2 den Spiegel 2 auf ca. -0,5mm. Justieren Sie mittels der Rändelschrauben den Spiegel 1 so, dass mittig auf dem Schirm ein konzentrisches Ringsystem erscheint.

4 Verstellen Sie die Mikrometerschraube 2 (Weglängendifferenz) so, dass max. 3 Interferenzringe auf dem Schirm zu sehen sind. gut weniger gut Messung der Wellenlänge Drehen Sie die Mikrometerschraube 1 auf 7,5mm. Bestimmen Sie die Wellenlänge λ Laser1 des LASER 1 indem Sie den Spiegel 2 mit der Mikrometerschraube 1 verschieben. Zählen Sie N=70 Hell/Dunkel- Wechsel (Tip: Machen Sie eine Strichliste: z.b. alle 10 Wechsel ein Strich). Führen Sie diesen Vorgang 3 mal durch. Bestimmen Sie hierzu die Spiegelverschiebung l rel (pro Teilstrich der Mikrometerschraube 10µm, Hebelverhältnis h = 20:1). λ Laser1 = 2 l rel N h Tabelle 3: l rel, l rel und λ Laser1, λ Laser1 Aufgabe 4: Bestimmung des Brechungsindex n eines Glasscheibchens und der Kohärenzlänge von weißem Licht (freiwillig) Stellen Sie mittels der Mikrometerschraube 2 den Spiegel 2 zunächst wieder auf Position -0,5mm. Justieren Sie Spiegel 1 so ein, dass ein konzentrisches Interferenzbild wie in 3. entsteht. Stellen Sie nun Spiegel 2 langsam auf 0mm (Achtung: Index am Spiegel und Mikrometerschraube 2 müssen auf 0mm stehen!) und halten Sie das Interferenzbild dabei kopnzentrisch auf der Schirmmitte. Setzen Sie nun die weiße LED in den Strahlengang. Suchen Sie die Weißlichtinterferenz mittels der Mikrometerschraube 1 (langsam verdrehen!!). Messung der Kohärenzlänge Bestimmen Sie mit der Mikrometerschraube 1 die Kohärenzlänge l k der weißen LED. Messung des Brechnungsindex Stellen Sie nun das Dia mit dem Glasscheibchen in den Strahlengang. Es ist nun keine Interferenz mehr zu sehen! Verändern Sie nun die Position des Spiegels 2 mittels der Mikrometerschraube 2 so, dass Sie wieder eine Interferenz erkennen (sehr langsam verdrehen!!). Überlegen Sie in welche Richtung die Mikrometerschraube 2 gedreht werden muss! Bestimmen Sie den Verstellweg l Spiegel von Spiegel 2. Wie hängen die optische Wegllänge und der Spiegelverstellweg zusammen? (Dicke Glasscheibchen d=150µm ±5µm). TIP: Überlegen Sie welchen Einfluß l k auf die Messung von l optisch hat.

5 Bestimmen Sie aus dem Versuch 4 den Brechungsindex des Glasscheibchens (Dicke d=150µm ±0,005µm). l optisch =d (n Glas 1) Tabelle 4: 1 k, 1 k, Wert für l optisch, l optisch und n Glas, n Glas Aufgabe 5: Bestimmung der Schallgeschwindigkeit c S (Luft) im Resonanzrohr Über die Öffnung eines einseitig geschlaooenen Resonanzrohres wird ein Lautsprecher gesetzt. Die Tonfrequenz des Lautsprechers wird mit Hilfe eines Frequenzgenerators und eines Multimeters und Oszilloskops auf Tabelle 5: f = 1700 Hz eingestellt. Die Länge der Luftsäule kann durch Heben oder Senken des Wasserreservoirs verändert werden. Es sind fünf Lautstärkemaxima bei kleiner Lautstärke nach Gehör zu bestimmen und die zugehörige Länge der Luftsäule h max festzuhalten. h max, h diff = h max1 h max2, h und λ, Δ λ mit 2 h diff =λ Berechnen Sie noch während des Labortermins die Schallgeschwindigkeit in Luft mit c sluft =λ f und vergleichen Sie diese mit dem Literaturwert. Auswertung: Geben Sie die Genauigkeit für alle Ihre Meßwerte an. Schätzen Sie hierzu die Genauigkeit der Messungen ab und begründen Sie Ihre Annahmen (Meßgeräteauflösung etc.). Bei errechneten Größen verwenden Sie das totale Differential als Methode der Fehlerfortpflanzung. Tragen Sie in alle Graphen die entsprechenden Fehlerbalken bzw. -kreuze ein! Anmerkung: Statistische Auswertungen sind nicht nötig. 1. Berechnen Sie λ Β, λ Β für jede Beugungsordnung. 2. (freiwillig) Bestimmen Sie aus dem Versuch 4 die Kohärenzlänge von weißem Licht

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