Das CD-Spektroskop. 15 min

Transkript

1 50 Experimente- Physik / Schulstufe Das CD-Spektroskop 15 min Welche Beleuchtung eignet sich für Innenräume am besten? Seit die Glühlampe aus den Wohnungen verbannt wurde, wird in den Medien über Vor- und Nachteile diverser Beleuchtungen diskutiert. Aber worin unterscheidet sich denn das Licht, das von verschiedenen natürlichen und künstlichen Lichtquellen ausgesandt wird? In diesem Experiment kannst du es untersuchen. Das wird gebraucht: eine CD, Schere, Klebeband, verschiedene Lichtquellen (Kerzenlicht, Glühlampe, LEDs, Straßenlampen, Bildschirme ) So wird es gemacht: Entferne zuerst die oberste Schicht der CD, indem du die (meist mit Text beschriebene) Oberfläche mit der Schere leicht einritzt und sie dann mit Klebeband entfernst. Du erhältst eine durchsichtige Scheibe (die aus vielen dünnen Rillen besteht). Halte diese Scheibe nun im Abstand von ca. 10 cm vor dein Auge und visiere eine Lichtquelle deiner Wahl an. Du sollst dabei diese Lichtquelle durchs Loch der CD sehen. Untersuche nun auf diese Art verschiedene Lichtquellen. ACHTUNG! Die Sonne ist in diesem Experiment als Lichtquelle nicht geeignet, weil es für deine Augen sehr schädlich sein kann, direkt in die Sonne zu schauen. Das kann man beobachten: Rund um das Loch der CD sind nun verschiedene Farben zu sehen, auch wenn das Licht, das du untersucht hast, weiß oder gelb aussieht. Wenn du mit deinem selbstgebastelten Spektroskop das Licht einer Kerze oder einer Glühlampe untersuchst, wird dich das Beugungsbild an einen Regenbogen erinnern: Von Blau bis Rot sind alle Farben des Regenbogens vertreten. Wenn du aber eine Straßenlampe oder einen Bildschirm anvisierst, wirst du feststellen, dass nur noch einzelne Farben vertreten sind. Statt eines breiten bunten Streifens siehst du nun dünne Striche, die jeweils eine bestimmte Farbe haben. Erklärung: Die CD wirkt wie ein Beugungsgitter. Die vielen Rillen, in denen üblicherweise die Daten gespeichert werden, sind so eng nebeneinander angeordnet, dass es zu deutlichen Beugungserscheinungen kommt. Daher kannst du das Spektrum der Lichtquelle ringförmig auf der Scheibe erkennen. Einige Lichtquellen (Kerzen, Glühlampen) erzeugen sogenannte kontinuierliche Spektren: Sie sehen aus wie Regenbögen breite Streifen, in denen alle Regenbogenfarben vorkommen. Andere Lichtquellen (Bildschirme, Leuchtstoffröhren) senden Licht aus, das sich nicht aus allen Teilen des Spektrums 38

2 Das CD-Spektroskop zusammensetzt so entstehen dünne Linien, die eine charakteristische Farbe haben. Diese Linien kann man übrigens auch verwenden, um zu untersuchen, aus welchen chemischen Elementen sich der leuchtende Stoff zusammensetzt. Bastle dir ein Beugungsgitter aus einer CD du musst dafür die äußerste Schicht mit Hilfe eines Klebebands entfernen. Halte die CD zwischen Lichtquelle und Auge und visiere durch das Loch die Lichtquelle an. Ein deutliches Beugungsmuster ist zu sehen. Wie es genau aussieht, ist abhängig davon, welche Lichtquelle du gewählt hast. 39

3 50 Experimente- Physik / Schulstufe Das Miniatur-Spektroskop 5 min Um ein Spektroskop für den Hausgebrauch zu basteln, benötigst du keine ganze CD wie im vorigen Experiment - ein kleines Stück reicht. Somit kannst du auch eines basteln, das in jede Hosentasche passt. Das wird gebraucht: Zündholzschachtel, CD, Schere, verschiedene Lichtquellen (Kerzenlicht, Glühlampe, LEDs, Straßenlampen, Bildschirme ) So wird es gemacht: Da das Licht in diesem Experiment an der CD reflektiert wird, musst du die Oberfläche der CD diesmal nicht entfernen. Schneide von der CD einen so kleinen Teil ab, dass dieser in die Zündholzschachtel passt. Schneide ein kleines Guckloch (ca. 0,5 cm x 0,5 cm) in den Deckel deiner Zündholzschachtel (siehe Abbildung) und lege dann deine CD-Scherbe in den Boden der Zündholzschachtel. Die reflektierende Schicht der CD soll dabei nach oben gerichtet sein. Schiebe nun den Deckel so über den Boden der Zündholzschachtel, dass das Licht der Lichtquelle, die du untersuchen willst, in die Schachtel eindringen kann, an der CD reflektiert wird und durch das Guckloch in dein Auge gelangt. Das kann man beobachten: Durch das Guckloch kannst du nun sehen, dass auf der CD viele unterschiedliche Farbmuster entstehen, je nachdem, welche Lichtquelle du untersuchst. Besonders interessant sind die Farbmuster bei unterschiedlichen Straßenlaternen. Das Spektroskop ist klein genug, dass du es jederzeit in deiner Tasche mitnehmen kannst, sodass du an vielen verschiedenen Orten austesten kannst, welche Farbmuster entstehen. Erklärung: Wie auch im vorigen Versuch, wirkt die CD wie ein Beugungsgitter. Dieses Mal entstehen die Beugungseffekte aber nicht durch das Licht, das beim Durchgang durch das Gitter abgelenkt wird, sondern dadurch, dass sich das Licht überlagert, nachdem es an der Scheibe reflektiert wurde. Das Resultat ist aber ähnlich: Lichtquellen wie zb Glühlampen oder Kerzen liefern ein kontinuierliches Spektrum. Diskrete Spektren (dünne, feine Linien siehe die Erklärung beim vorigen Experiment) kannst du sehen, wenn du zb Computerbildschirme oder Straßenlampen untersuchst. Wenn du dir ein stabileres Spektroskop bauen willst, findest du im Internet viele Anleitungen dazu. Wie wäre es zum Beispiel mit einem Spektroskop aus einer Müsli- oder Schuhschachtel? Auch dafür benötigst du nur ein kleines Stück einer CD. Den Link zur Bastelanleitung findest du im Anhang. 40

4 Das Miniatur-Spektroskop Zerschneide eine CD und lege dieses CD-Stück in den Boden einer Zündholzschachtel. Schneide in den Deckel der Zündholzschachtel ein Loch, durch das du nun die durch Reflexion erzeugten Beugungsmuster sehen kannst. 41

5 50 Experimente- Physik / Schulstufe Haarspaltereien 5 min Ein Laserpointer wird zb bei Vorträgen verwendet, um punktgenau etwas auf einer Präsentationsfolie zu zeigen. Wie du im folgenden Experiment sehen kannst, ist es aber sehr einfach, mit Hilfe eines Laserpointers Muster an die Wand zu zaubern. Das wird gebraucht: Laserpointer, eine weiße Wand, ein möglichst dunkler Raum, ein einzelnes Haar (geopfert für die Wissenschaft), evtl. Stativ, Klebeband, Papier, Bleistift und Maßband. So wird es gemacht: Leuchte mit dem Laserpointer auf die weiße Wand. Du siehst einen roten Punkt. Nun halte das Haar direkt vor den Laserpointer, sodass es das Laserlicht scheinbar abblockt. Verschwindet nun der rote Fleck an der Wand? Führe den Versuch nach Möglichkeit auch mit einem Laserpointer durch, der grünes Licht ausstrahlt. (Diese Geräte sind etwas teurer.) Mit nur wenig Aufwand mehr kannst du sogar die Dicke deines Haares bestimmen: Befestige den Laserpointer an einem Stativ und klebe das Haar mit Klebeband am Strahlenausgang fest. Schalte den Laserpointer ein und zeichne das Muster, das entsteht, auf einem Papier nach. Das kann man beobachten: An der Wand entsteht statt des roten Flecks nun eine dünne, strichlierte Linie - ein langgezogener roter Streifen, der immer wieder durch dunkle Stellen unterbrochen ist. Diese Abfolge von roten bzw. grünen Strichen nennt man ein Interferenzmuster. Wenn du den Versuch mit Laserlicht unterschiedlicher Farbe durchgeführt hast, kannst du erkennen, dass es von der Farbe (also von der Frequenz des ausgestrahlten Laserlichts) abhängt, wie weit die hellen und dunklen Stellen (man nennt diese Interferenzminima und maxima) voneinander entfernt sind. Wenn du die Wellenlänge (bzw. Frequenz) des Laserlichts kennst (- dies ist meist in der Gebrauchsanweisung oder an der Verpackung angegeben -), kannst du die Dicke deines Haares berechnen. Miss dazu, wie weit die beiden hellen zentralen Stellen voneinander entfernt sind und berechne dann mit Hilfe einer geeigneten Formel die Dicke deines Haares. Erklärung: Das Licht des Laserpointers wird durch das Haar so abgelenkt ( gebeugt ), dass es hinter dem Haar zur Überlagerung von Licht kommt. Wenn sich Licht überlagert, kommt es (wie auch bei Wasser- oder Schallwellen) zu Interferenzerscheinungen. Du kannst es dir so vorstellen, dass dort, wo sich ein Wellenberg mit einem Wellental überlagert, sich die Welle auslöscht. Dies erklärt, warum die dunklen Lücken im Interferenzmuster in 42

6 Haarspaltereien Erscheinung treten. Wo sich die Wellen auslöschen, ist außerdem davon abhängig, wie groß die Wellenlänge des verwendeten Lichts ist: So lässt sich der Unterschied zwischen dem roten und dem grünen Interferenzmuster erklären. Um die Dicke deines Haares zu bestimmen, musst du ein Stativ verwenden, damit du das Interferenzmuster vermessen kannst. Befestige das Haar mit Klebeband am Ausgang des Laserstrahls. Miss die Abstände zwischen den Interferenzmaxima und den Abstand zwischen Laserpointer und Bildschirm. Statt nur eines farbigen Punkts sieht man nun eine strichlierte Linie. 43