SÜD-OST-THÜRINGEN - SAALFELD

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht SÜD-OST-THÜRINGEN - SAALFELD Bau eines Michelson-Interferometers Philipp Köhler Christopher Schmutzler Schule: Heinrich-Böll-Gymnasium Sonneberger Straße Saalfeld Jugend forscht 2010

2 Bau eines Michelson Interferometers Eine Arbeit von Philipp Köhler und Christopher Schmutzler

3 Inhaltsverzeichnis 1. Begriffserklärungen 1.1 Begriffserklärung Interferometer 1.2 Begriffserklärung Interferenz 1.3 Begriffserklärung Kohärenz 2. Anwendungen des Interferometers 3. Die verschiedenen Arten der Interferometer 4. Funktionsweise des Michelson Interferometer Einleitung Wir haben uns für den Bau eines Interferometers entschieden, weil uns die Interferometrie sehr interessiert und sie leider bei uns bis jetzt noch nicht behandelt wurde. 1.Begriffserklärung 1.1 Begriffserklärung Interferometer

4 Interferometer sind optische Geräte, mit denen man aufgrund von Interferenzen Längen und vor allem Längenänderungen von elektromagnetischen Wellen präzise messen kann. Einsatzfelder des Interferometers sind vor allem die Längenmessung, die Brechzahlmessung, die Winkelmessung und die Spektroskopie. 1.2 Begriffserklärung Interferenz Interferenz ist die Überlagerung gleichartiger (kohärenter) Wellen (mindestens 2), wie zum Beispiel bei Schall, Licht und Materiewellen. Die Interferenz entsteht, weil sich die Amplituten der Einzelwellen addieren. So kommt es zur Verstärkung (konstruktiver Interferenz), Schwächung oder Auslöschung (destruktiver Interferenz) der resultierenden Wellen. Die Interferenz wurde 1819 von Augustin Jean Fresnel ( ), einem französischen Physiker, entdeckt. Die praktische Anwendung der Interferenz ist das Interferometer. 1.3 Begriffserklärung Kohärenz Um bei Wellenüberlagerungen eine Interferenz festzustellen, müssen die Wellen bestimmte Bedingungen erfüllen. Sie müssen eine gleiche Wellenlänge und Schwingungsrichtung haben. Des weiteren müssen sie zueinander eine feste Phasenbeziehung haben. Sind diese Bedingungen erfüllt, bezeichnet man die Wellen als kohärent. 2. Anwendungen des Interferometers Interferometer werden in verschiedenen Bereichen, wie z.b. der Physik und der Astronomie verwendet. In der Radioastronomie werden Interferometer für eine höhere Auflösung von Radioteleskopen genutzt. Des weiteren werden Interferometer als Messgeräte, zum Beispiel zur Messung von Schwingungen und in der Technik zur Entfernungsmessung, zur Formvermessung von Werkstücken oder zur Analyse von chemischen Materialien eingesetzt.

5 IRAM Interferometer Die verschiedenen Arten der Interferometer Die Funktionsweise der verschiedenen Interferometer ist zum Großteil gleich. Das Ergebnis aller Interferometer ist das Entstehen eines Interferenzmusters (Interferenzstreifen oder Ringe). In erster Linie unterscheidet man zwischen Zweistrahleninterferometern und Vierstrahleninterferometern.

6 Das Mach Zehnder Interferometer ist ein Beispiel für das Zweistrahleninterferometer. Es ist eine Weiterführung des Jamin Interferometers und wurde 1892 von dem Schweizer Ludwig Zehnder erfunden. Allerdings wurde es zeitgleich auch von dem Österreicher Ludwig Mach ( ) entdeckt. Bei dem Interferometer wird das Licht durch einen Strahlenteiler in 2 Teile aufgeteilt. Nach einer unterschiedlichen Weglänge der beiden Strahlen treffen sie auf einen zweiten Strahlenteiler, durch den sie wieder vereinigt werden. Das Mach Zehnder Interferometer wird zur Messung von Phasenverschiebungen verwendet. Skizze des Mach Zehnder Interferometer Weitere Beispiele für Zweistrahleninterferometer ist das Michelson Interferometer, das Twyman Green Interferometer, das Sagnac Interferometer und das Bath Interferometer. Ein Beispiel für das Vierstrahleninterferometer ist das Fabry Pérot Interferometer. 4. Funktionsweiße des Michelson Interferometer Das Michelson Interferometer wurde von dem amerikanischen Physiker Albert Abraham ( ) erfunden. Bei dem Michelson Interferometer wird ein Lichtstrahl durch einen halbdurchlässigen Spiegel in zwei Teile aufgeteilt.

7 Nachdem sie unterschiedlich lange Wege durchlaufen haben, treffen beide auf einen Spiegel, sodass sie wieder zusammentreffen. Je nach Gangunterschied gibt es eine konstruktive oder destruktive Interferenz. Eigene Skizze zur Funktionsweise des Michelson Interferometers Unser Experiment Wir haben uns zur Aufgabe gestellt, ein Michelson Interferometer zu bauen. Dieses Vorhaben ist uns auch gelungen. Für unser Interferometer verwendeten wir einen halbdurchlässigen Spiegel, einen Laser sowie zwei reflektierende Spiegel, die zwischen 90 und 94% des roten Laserlichtes reflektieren. Danach haben wir den zu beobachtenden Strahl durch zwei Zerstreuungslinsen

8 aufgeweitet, sodass wir das Interferenzmuster auf einer Wand beobachten konnten (siehe Bild2). In Bild 1 können sie noch einmal den Aufbau unseres Interferometers sehen. In den nächsten Wochen wollen wir noch einige Versuchsreihen durchführen, wie zum Beispiel inwiefern sich das Interferenzmuster verändert, wenn man die Entfernung eines reflektierenden Spiegels verändert oder was passiert, wenn man die Luft, durch die der Strahl verläuft, zum Beispiel durch eine Kerze erwärmt. Bei unseren Experiment haben wir alle Sicherheitsvorkehrungen eingehalten. Bild 2 Quellen Physik Gymnasium Gesamtband Sek II (Verlag: Dorn Bader) S. 380f

9 Neues Universallexikon(Compact Verlag München) Auf einen Blick! Mathematik Biologie Physik Die wichtigsten Themen bis zur 10. Klasse (Verlag: mentor) Physik (Verlag: Metzler) S Zehnder Interferometer Bilderquellen /2008/11/IRAM0802/Web_Zoom.jpeg