2. Klausur in K2 am

Transkript

1 Nme: Punkte: Note: Ø: Profilfch Physik Azüge für Drstellung: Rundung:. Klusur in K m.. 04 Achte uf die Drstellung und vergiss nicht Geg., Ges., Formeln, Einheiten, Rundung...! Aufge ) (8 Punkte) In drei Versuchen fällt jeweils ds Licht eines Lsers durch ein uneknntes Beugungsojekt uf einen weit entfernten Schirm. Die Aildungen zeigen die dei entstehenden Schirmilder. Beschreien Sie möglichst genu, worum es sich ei den Beugungsojekten jeweils hndelt und egründen Sie Ihre Antworten. c Aufge ) (0 Punkte) Ein Doppelsplt wird von Lserlicht (6 nm) durchstrhlt. Die Aildung zeigt in Originlgröße ds Beugungsild uf einer,50 m entfernten Wnd. ) Erklären Sie qulittiv unter Verwendung der korrekten Fchegriffe, wrum dieses Muster entsteht. ) Zeigen Sie unter Benutzung ussgekräftiger Skizzen, wie mn eine Formel herleiten knn, mit der Sie die Lge der hellen Punkte erechnen können. (! Dzu gehört viel mehr, ls ein pr Gleichungen!) c) Ermitteln Sie mit Hilfe des Beugungsilds den Spltmittenstnd. (Runden Sie uch sinnvoll!) d) Nch einer Veränderung des Beugungsojekts erhält mn neenstehendes Beugungsild. Ws genu wurde verändert, ws nicht? Mchen Sie exkte und egründete quntittive Aussgen! Bitte wenden!!

2 Aufge ) (4 Punkte) ) Welche Wellenlängen gehören zum sichtren Bereich des Elektromgnetischen Spektrums? ) Nennen Sie ußer sichtrem Licht noch mindestens vier weitere Erscheinungsformen elektromgnetischer Wellen. c) Ein dünnes prlleles Bündel us weißem Licht fällt durch ein optisches Gitter uf einen Schirm. Beschreien Sie möglichst genu, ws mn uf dem Schirm sehen knn. d) Gemäß untenstehender Aildung fällt Licht der Wellenlänge 450 nm durch ein Gitter mit 00 Linien pro mm. Geen Sie die Fre des Lichtes n und erechnen Sie, wie viele Mxim mn uf dem Schirm insgesmt erkennen knn? 600 mm 00 mm Aufge 4) (8 Punkte) Ds Licht eines Lsers (λ = 640 nm) tritt in die geildete Anordnung. Lichtdetektor Lserlicht hldurchlässiger S S ) Geen Sie den Nmen dieser Versuchsnordnung n. ) Zunächst seien die eiden Strecken und exkt gleich lng. Ws wird dnn der Detektor registrieren? Begründen Sie Ihre Antwort genu! c) Nun wird der rechte S lngsm nch links verschoen. Nch welcher Strecke registriert der Detektor zum ersten Ml minimle Intensität? Begründen Sie! d) Welche Intensität registriert der Detektor, nchdem mn S um 600 nm verschoen ht? Viel Erfolg!!

3 0 Lösungen: Aufge ) (8 Punkte) In drei Versuchen fällt jeweils ds Licht eines Lsers durch ein uneknntes Beugungsojekt uf einen weit entfernten Schirm. Die Aildungen zeigen die dei entstehenden Schirmilder. Beschreien Sie möglichst genu, worum es sich ei den Beugungsojekten jeweils hndelt und egründen Sie Ihre Antworten. c ) Es hndelt sich um einen relen Doppelsplt, ei dem die Spltreite hl so groß ist, wie der Spltstnd. Begründung: D lle Mxim gleich reit sind und keine Neenmxim uftreten, muss es sich um einen Doppelsplt hndeln. D die Mxim zweiter Ordnung links und rechts fehlen, liegen dort die Minim erster Ordnung der Beugungsilder der eiden Einzelsplte. Dher muss die Spltreite hl so groß sein, wie der Spltstnd. ) Es hndelt sich um einen Einzelsplt. Ds erkennt mn drn, dss ds zentrle Huptmximum doppelt so reit ist, wie die nderen Mxim und drn, dss die Intensität der Mxim höherer Ordnung rsch nimmt. c) Es hndelt sich um ein Gitter zw. um einen Mehrfchsplt mit sehr vielen Splten. Mn erkennt es drn, dss die Beugungsilder sehr schrf sind und zwischen den einzelnen Mxim keine Helligkeit sichtr ist.

4 Aufge ) (0 Punkte) Ein Doppelsplt wird von Lserlicht (6 nm) durchstrhlt. Die Aildung zeigt in Originlgröße ds Beugungsild uf einer,50 m entfernten Wnd. Erklären Sie qulittiv unter Verwendung der korrekten Fchegriffe, wrum dieses Muster entsteht. Der Doppelsplt schneidet us der Wellenfront des Lsers zwei kreisförmige Huygenssche Elementrwellen us, die in lle Richtungen lufen. Beide Elementrwellen interferieren nch dem Doppelsplt miteinnder. Je nch Gngunterschied verstärken sie sich (wenn Wellenerge uf Berge treffen) oder löschen sie sich gegenseitig us (wenn Berge uf Täler treffen). An den hellen Punkten tritt Verstärkung, n den dunklen Orten Auslöschung uf. ) Zeigen Sie unter Benutzung ussgekräftiger Skizzen, wie mn eine Formel herleiten knn, mit der Sie die Lge der hellen Punkte erechnen können. (! Dzu gehört viel mehr, ls ein pr Gleichungen!) Betrchtet mn einen Punkt P uf dem Schirm, so gilt nch der Skizze: tn α = d / () (r ist die Verindungslinie zwischen Splt und P.) g δ α r r P suere Skizze d Wenn g << gilt: In Spltnähe sind r und r in Richtung Schirm prktisch prllel. Dmit folgt: sin α = δ / g () g δ suere Skizze Flls d << ist, wird α sehr klein und mn knn näherungsweise sgen: sin α = tn α () () und () in () eingesetzt ergit: δ / g = d / (4) Für Mxim k-ter Ordnung gilt: δ = k λ mit k = 0,, (5) (5) in (4) eingesetzt ergit: k λ / g = d k / Nch d ufgelöst: d k = k λ / g mit k = 0,,

5 c) Ermitteln Sie mit Hilfe des Beugungsilds den Spltmittenstnd. (Runden Sie uch sinnvoll!) Geg.: Ges.: Lsg.: =,5 m, d =,5 cm (in A. gemessen), λ = 6 nm. g D d<< => α ist reltiv klein. D ei so einem Beugungsild uch g << ist, knn mn die eiden in ) gemchten Näherungen nutzen und es gilt die dort hergeleitete Formel. d k = k λ / g g g d k = k λ g = k λ / d k : d k g =,5 m m / 0,05 m = 0,477 mm g = 0,5 mm d) Nch einer kleinen Veränderung des Versuchsufues erhält mn neenstehendes Beugungsild. Ws genu wurde verändert, ws nicht? Mche exkte und egründete quntittive Aussgen! Hier wurde noch ein dritter Splt eingeut. Begründung: Den. Splt erkennt mn drn, dss immer zwischen zwei Huptmxim noch ein Neenmximum uftritt. Für die Zhl der Neenmxim gilt: Anzhl der Splte. Wenn lso ein Neenmximum uftritt muss es sich um einen Dreifchsplt hndeln. D sich die Lge der Huptmxim nicht ändert, müssen die drei Splte die gleichen Astände zueinnder hen, wie in Afg. c), lso 0,5 mm.

6 4 0 Aufge ) (4 Punkte) ) Welche Wellenlängen gehören zum sichtren Bereich des Elektromgnetischen Spektrums? Der sichtre Bereich des Spektrums eginnt ei c. 400 nm (lu) und endet ei c 800 nm (rot). ) Nenne ußer Licht noch mindestens vier weitere Erscheinungsformen elektromgnetischer Wellen. z.b. Rdiowellen, Rdr, Mikrowellen, UV-Licht, Ultrviolettes Licht, Röntgenstrhlung, Gmmstrhlung, kosm. Höhenstrhlung c) Ein dünnes prlleles Bündel us weißem Licht fällt durch ein optisches Gitter uf einen Schirm. Beschreien Sie möglichst genu, ws mn uf dem Schirm sehen knn. In der Mitte sieht mn einen hellen weißen Strich. Drn schließt sich zunächst Dunkelheit n. Dnch eginnt ein luer Bereich, der sich nch ußen hin üer die Regenogenfren is zu rot verfärt. Dnch wieder ein dunkler Bereich woruf ds Spektrum. Ordnung u.s.w. folgt. Die Spektren höherer Ordnung fließen llerdings ineinnder / / Huptmximum 0. Ordnung Spektrum. Ordnung 8 d) Gemäß neenstehender Aildung fällt Licht der Wellenlänge 450 nm durch ein Gitter mit 00 Linien pro mm. Geen Sie die Fre des Lichtes n und erechnen Sie, wie viele Mxim mn uf dem Schirm insgesmt erkennen knn? Licht mit 450 nm ist lu! Geg.: d mx = 00 mm (us Aildung), = 600 mm, g / /00 mm = 5,0 µm Ges.: k Geg, Ges, g = 5 µm mx Lsg.: tn(α mx ) = 00 mm / 600 mm => α mx 8,4 => α ist reltiv groß => die Kleinwinkelnäherung gilt nicht! D >> g gilt die Prllelitätsnäherung, lso sin α = δ / g = k λ / g mit k = 0,,, sin α mx k mx λ / g k mx g / λ sin α mx =,69 Mn sieht lso Mxim is zur. Ordnung oen und unten und zusätzlich noch ds Mximum 0. Ordnung. Also insgesmt 5 Mxim.

7 0 Aufge 4) (8 Punkte) Ds Licht eines Lsers (λ = 640 nm) tritt in die gezeichnete Anordnung. Lichtdetektor Lserlicht hldurchl. S S ) Geen Sie den Nmen dieser Versuchsnordnung n. Michelson - Interferometer ) Zunächst seien die eiden Strecken und exkt gleich lng. Ws wird dnn der Detektor registrieren? Begründen Sie Ihre Antwort genu! Ds Lserlicht wird m Strhlteiler in zwei Wege ufgespltet: Weg zum, zurück und zum Detektor und Weg zum unteren, zurück und uch zum Detektor. D eide Wege exkt gleich lng sind, esteht zwischen ihnen kein Gngunterschied und eide Teilwellen verstärken sich gegenseitig. => mximle Intensität. c) Nun wird der rechte S lngsm nch links verschoen. Nch welcher Strecke registriert der Detektor minimle Intensität? Begründe! Minimle Intensität erhält mn zum ersten Ml, wenn der Gngunterschied / λ eträgt. D der Weg zwei Ml zurückgelegt wird (hin und zurück), ist dies dnn der Fll, wenn mn S um λ/4 nch links verschiet, lso um 60 nm. d) Welche Intensität registriert der Detektor, wenn mn S um 600 nm verschoen ht? Wenn um 600 nm kürzer wird, eträgt der Gngunterschied δ = 00 nm Test, o ds ein Vielfches von λ ist: δ / λ = 00 / 640 = 5,0 => δ = 5,0 λ lso ein gnzzhliges Vielfches von λ => Mn erhält nch einer Verschieung um 600 nm mximle Intensität.