Jan Buchman Erik Johnson

Transkript

1 Messung der Lichtgeschwindigkeit von Jan Buchman Erik Johnson Weird Science Club Darmstadt an der Lichtenbergschule Europaschule, MINT-Excellence Center, Internationale Begegnungsschule Ludwigshöhstr Darmstadt

2 Zusammenfassung In diesem Experiment wollen wir eine Apparatur zur Messung der Lichtgeschwindigkeit bauen, mit dem wir dann auch die Lichtgeschwindigkeit messen. Dabei wollen wir den Abstand von zwei Lichtimpulsen messen, wobei der eine umgeleitet wird und so eine Differenz entsteht. Gliederung Einleitung Zielsetzung Theorie und Experimente Ergebnisse Diskussion Danksagung Anhang Einleitung Jeder hat doch schon einmal von der Lichtgeschwindigkeit gehört. Wir wollten wissen, ob der Wert, den man so kennt, auch wirklich stimmt. Inspiriert wurden wir durch Jans Vater, der des öfteren von seinen Experimenten zur Lichtgeschwindigkeit erzählt. Das gab uns den Anreiz, selbst einen Aufbau zur Messung der Lichtgeschwindigkeit zu entwickeln. Zielsetzung Unser Ziel war es, eine Apparatur zur Messung der Lichtgeschwindigkeit zu entwickeln.

3 Theorie und Experimente Idee Wir hatten den Einfall, mit einem Laserstrahl zu arbeiten. Wir wollten den Strahl einmal direkt vor der Quelle messen und einmal nach einer Umleitung. Wir kannten uns aber im Bereich der Laseroptik nicht so gut aus und gingen deshalb zum Fachbereich Physik der TU Darmstadt und fragten, wie man unsere Idee in die Tat umsetzen könnte. Dr. Mathias Sinther hatte den Einfall, den Laser durch eine Glasfaser zu schicken und ihn am Ende dieser zu messen, am Besten mit Hilfe einer Photodiode, die dann an ein Oszilloskop angeschlossen wird. Durchführung Wir bekamen eine Glasfaser, die wir als erstes ausmessen mussten. Dafür rollten wir sie von einer Rolle auf eine zweite. Die zweite Rolle hatte einen Umfang von fast genau einem Meter, was uns das Messen erleichterte. Wir zählten einfach jede volle Runde und kamen schließlich auf 398m. Danach mussten wir die Faserenden polieren, was wir mithilfe von extrem feinenm Spezialschleifpapier, was extra für die Faserpolitur entwickelt wurde, taten. Für den Laser bekamen wir eine Halbleiter-laserdiode mit einer Ausgangsleistung von 1 miliwatt. Wir mussten allerdings, bevor wir den Laser in Betrieb nehmen konnten, die Schaltung vor dem Laser komplettieren. Das ging schnell, und wir konnten dann mit dem wichtigsten Teil anfangen: Der Einkopplung des Laserstrahls in die Faser, dafür hatten wir die Faser vorher auch poliert. Wäre das Faserende nicht poliert gewesen, wäre der Strahl nicht in die Faser gekommen, sondern in alle Richtungen reflektiert worden. Einkoppeln, das bedeutet, mit dem Laserstrahl möglichst genau auf die Faser zu treffen, um am Ende der Faser etwas messen zu können. Dabei benutzten wir zwei Linsen, eine direkt am Laser und eine Zweite in einem Abstand von ungefähr 15 cm zur ersten Linse. Hinter der Zweiten Linse war dann ein Faserende, in das wir dann den Laserstrahl einkoppeln mussten. Dieser Prozess nahm den größten Teil der Zeit in Anspruch, da es nicht gerade einfach ist, mit einem Laser genau auf einen winzigen Punkt zu treffen. Als wir fertig damit waren und eine Leistung 4,5 mikrowatt nach der Faser hatte, konnten wir mit dem Messen beginnen. Dazu maßen wir einmal den Moment des Stromimpulses, der zum Laser führte und den Moment des Austrittes des Laserstrahls aus der Faser.

4 alle elektronischen Geräte: links Pulsgenerator, dann Hochspannungsgenerator, oben rechts Frequenzzähler für den Pulsgenerator, unten rechts Spannungsmesser Der Gesamte Aufbau: oben links die Rolle mit der Faser, oben rechts Laserdiode mit erster Linse, dann Photodiode, zweite Linse und Faserhalterung(von rechts oben nach links unten)

5 Laserdiode mit erster Linse zweite Linse mit Faserhalterung und Faserstecker

6 Ergebnisse Die Differenz zwischen dem Stromimpuls und dem Austritt des Laserstrahls betrug 942 Nanosekunden. Daraus ergibt sich, dass der Laser für 398 Meter 942 Nanosekunden braucht. Wenn man jetzt die 398m durch 942ns teilt, erhält man 4,2251E08m/s. Man muss allerdings beachten, dass sich der Strahl in Quarz fortbewegt und nicht in Luft. Daher muss man den Wert durch den Brechungsindex von 1,45 teilen. Dann erhält man 2.91E08m/s, was ziemlich genau an den erwarteten 2,99E08m/s liegt. Diagrammaufnahme des Oszilloskops: Durch den Abstand zwischen dem roten und dem darauffolgenden schwarzen Peak kann man die Lichtgeschwindigkeit berechnen.

7 Diskussion Letztendlich haben wir unser Ziel erreicht, eine Apparatur zur Messung der Lichtgeschwindigkeit zu bauen. Dass wir nicht genau auf den bekannten Wert gekommen sind, liegt an den Messfehlern Das können sein: Ungenauigkeit der Länge der Faser Ungenauigkeit beim Messen mit der Photodiode Zwei Laser-Schutzbrillen Danksagung Wir danken an dieser Stelle Dr. Mathias Sinther bei der Hilfe der Umsetzung, Cornelia Lengler für die Hilfe mit der Elektronik und Kai Schorstein für die Hilfe mit der Fasertechnik. Außerdem danken wir Dr. Milan Dlabal als unseren Betreuungslehrer.