Wellenfront und Wellenstrahl

Ähnliche Dokumente
wir-sind-klasse.jimdo.com

2. Schulaufgabe aus der Physik

2. Klausur in K2 am

Abbildungsgleichung der Konvexlinse. B/G = b/g

Doppelspalt. Abbildung 1: Experimenteller Aufbau zur Beugung am Doppelspalt

Wo sind die Grenzen der geometrischen Optik??

Interferenz von Licht. Die Beugung von Lichtwellen an einem Doppelspalt erzeugt ein typisches Interferenzbild.

Beugung von Ultraschallwellen

4.6.Mikrowellen; Wellencharakter der Dipolstrahlung; Hertz sche Versuche

Interferenz von Schallwellen

Profilkurs Physik ÜA 08 Test D F Ks b) Welche Beugungsobjekte führen zu folgenden Bildern? Mit Begründung!

8. GV: Interferenz und Beugung

Ferienkurs Experimentalphysik III

[c] = 1 m s. Erfolgt die Bewegung der Teilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle, dann liegt liegt Transversalwelle vor0.

Wellenoptik. Beugung an Linsenöffnungen. Das Huygensche Prinzip. Kohärenz. Wellenoptik

UNIVERSITÄT BIELEFELD. Optik. GV Interferenz und Beugung. Durchgeführt am

Beugung am Spalt und Gitter

m s km v 713 h Tsunamiwelle Ausbreitungsgeschwindigkeit: g=9,81m/s 2,Gravitationskonstante h=tiefe des Meeresbodens in Meter

Interferenz von Kreiswellen

Wellenoptik/Laser. Praktikumsversuch Meßtechnik INHALT

1. ZIELE 2. ZUR VORBEREITUNG. D03 Beugung D03

Intensitätsverteilung der Beugung am Spalt ******

Beugung von Mikrowellen an Spalt und Steg. Mikrowellen, elektromagnetische Wellen, Huygenssches Prinzip, Spalt, Steg, Beugung.

Vorlesung 6: Wechselstrom, ElektromagnetischeWellen, Wellenoptik

Wellenoptik. Beugung an Linsenöffnungen. Kohärenz. Das Huygensche Prinzip

Praktikum GI Gitterspektren

Wellenwanne für Projektion DW401-2W. Versuchsanleitung

Tricksereien beim Interferenzexperiment zur Wellenlängenbestimmung

Interferenz und Beugung

Lösung: a) b = 3, 08 m c) nein

Überlagern sich zwei Schwingungen, so gilt für die Amplitude, also für die maximale Auslenkung:

Der schwingende Dipol (Hertzscher Dipol): Experimentalphysik I/II für Studierende der Biologie und Zahnmedizin Caren Hagner V

Physik Klausur JII.1 #2.2

Einführung in die Gitterbeugung

Wechselstrom (Widerstand von Kondensator, Spule, Ohmscher Widerst.) Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen (Hertzscher Dipol)

Grundwissen. Physik. Jahrgangsstufe 10

Physikklausur Nr.4 Stufe

An welche Stichwörter von der letzten Vorlesung können Sie sich noch erinnern?

0.1.1 Exzerpt von B. S. 134: HUYGENSsches Prinzip

12. Jahrgangsstufe Abiturvorberitung Lehr- und Arbeits- Skript

Wellen als Naturerscheinung

konstruktive Interferenz: Phasendifferenz (der Einzelwellen) ist 0 oder ein ganzzahliges vielfaches von 2π.

Versuchsauswertung: Mikrowellenoptik

Versuch Nr. 18 BEUGUNG

Beugung, Idealer Doppelspalt

Protokoll zum Versuch: Interferenz und Beugung

Beugung am Gitter. Beugung tritt immer dann auf, wenn Hindernisse die Ausbreitung des Lichtes

Quantenphysik. Teil 3: PRAKTISCHE AKTIVITÄTEN

13. Mechanische Wellen Darstellung harmonischer Wellen Überlagerung von Wellen, Interferenz und Beugung. 13.

Versuch O04: Fraunhofer-Beugung an einem und mehreren Spalten

Gruppe: Arbnor, Clemens, Dustin & Henrik

Abiturprüfung Physik, Grundkurs

UNIVERSITÄT BIELEFELD

2 Mehrdimensionale mechanische Wellen

Lloydscher Spiegelversuch

1 Beugungsmuster am Gitter. 2 Lautsprecher. 3 Der Rote Punkt am Mond. 4 Phasengitter

Physikalisches Praktikum 4. Semester

Aufgaben zur Wellenoptik

PeP Physik erfahren im ForschungsPraktikum

7. Klausur am

Physik-Abitur 2006 Aufgabe II d. Offizielle Lösungshinweise. Operatorendefinitionen aus den EPA

Referat Die Kohärenz des Lichts

Physik-Praktikum: BUB

Beugung und Interferenz von Mikrowellen. Mikrowellen, elektromagnetische Wellen, Huygenssches Prinzip, Doppelspalt, Interferenz.

Physik für Mediziner im 1. Fachsemester

Licht als Welle oder als Teilchen?

Wellen Aufgaben. Lsg.: a) t = 0,4031s

Beugung am Gitter mit Laser ******

Physikalisches Praktikum

08 Aufgaben zur Wellenoptik

Das Hook sche Gesetz. Wenn man eine Messung durchführt und die beiden Größen gegeneinander aufträgt erhält man. eine Ursprungsgerade.

Vorlesung Physik für Pharmazeuten PPh - 10a. Optik

Lichtbeugung. Abbildung 1: Christiaan Huygens - der Vater der Wellentheorie des Lichts. 1 Sicherheitshinweise 2

13.1 Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit

Gitter. Schriftliche VORbereitung:

Lichtbeugung. Inhaltsverzeichnis. Freie Universität Berlin, PhysLab. Abbildung 1: Christiaan Huygens - der Vater der Wellentheorie des Lichts

Geometrische Optik. Optische Elemente; Reflexion und Brechung

DIE BESTIMMMUNG DER DICKE VON HAAREN ANHAND DER VERMESSUNG MIT LICHT

VERSUCH P2-15: ZENTIMETERWELLENOPTIK MIT MESSINTERFACE

Verwandte Begriffe Huygens-Prinzip, Interferenz, Fraunhofer- und Fresnel-Beugung, Kohärenz, Laser.

5.9.4 Brechung von Schallwellen ****** 1 Motivation. 2 Experiment

Labor für Technische Akustik

Geozentrisches und heliozentrisches Weltbild. Das 1. Gesetz von Kepler. Das 2. Gesetz von Kepler. Das 3. Gesetz von Kepler.

Wellenoptik. Licht als Welle. Experimente (z. B. Brechung) Licht verhält sich wie eine Welle

FK Experimentalphysik 3, Lösung 3

Doppelspaltexperiment. Katarzyna Huzar Angela Streit

1. ZIELE 2. ZUR VORBEREITUNG. D03 Beugung D03

Welleneigenschaften von Licht

Lloydscher Spiegelversuch

Physik 2 (GPh2) am

7.7 Auflösungsvermögen optischer Geräte und des Auges

Othmar Marti Experimentelle Physik Universität Ulm

III. Gekoppelte Schwingungen und Wellen 1. Komplexe Schwingungen 1.1. Review: harmonischer Oszillator

III. Elektrizität und Magnetismus Anhang zu 21. Wechselstrom: Hochspannungsleitung 22. Elektromagnetische Wellen

Vorlesung Physik für Pharmazeuten PPh Optik

Mikrowellenoptik. Marcel Köpke & Axel Müller

VORSCHAU. 4. Es werden mechanische und elektromagnetische Wellen unterschieden. Ordne folgende Beispiele.

DW400-2W Wellenwanne für Overheadprojektion

Transkript:

Wellenfront und Wellenstrahl Es gibt unterschiedliche Arten von Wellen, Wasserwellen, elektromagnetische Wellen oder Lichtwellen. Um die verschiedenen Wellen zu beschreiben, haben sich Begriffe wie WELLENFRONT und WELLENSTRAHL eingebürgert. Unter Wellenfronten versteht man: Wellenfronten sind geometrische Örter gleichphasiger Schwingungszustände. Bei Wasserwellen beispielsweise, gehen von einem Punkt, dem Mittelpunkt oder auch Erreger genannt, Kreise aus, die als Wellenfronten bezeichnet werden. Die benachbarten Wellenfronten gleichen Schwingungszustandes haben voneinander den Abstand λ. Die aus dem Erreger hervortretenden Wellen schreiten mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit c fort. Unter Wellenstrahlen versteht man: Wellenstrahlen oder Wellennormalen stehen senkrecht zu den Wellenfronten; sie geben für jeden Punkt der Wellenfront die Ausbreitungsrichtung der Welle an. Die Wellenstrahlen geradliniger Wellenfronten sind parallel; die Wellenstrahlen kreisförmiger Wellenfronten gehen vom Erreger radial nach allen Richtungen aus. Beugung am Spalt, Elementarwellen 1. Beugung von Wasserwellen am Spalt Wird eine Welle mit geradlinigen Wellenfronten auf ein zu den Fronten paralleles Hindernis mit einer schmalen Öffnung, einem Spalt, gerichtet, so tritt nicht wie erwartet ein schmales Wellenbündel mit unverändert geradlinigen Wellenfronten durch die Öffnung

hindurch, sondern ein Wellenbündel, das breiter ist als der Spalt und an den Seiten der Begrenzung gekrümmt ist. Je enger der Spalt ist, umso stärker ist diese Krümmung ausgeprägt. Bei einem sehr engen Spalt, wie man auf dem ganz rechten Bild sehen kann, tritt nach dem Spalt eine kreisförmige Wellenfront auf, eine sogenannte Kreiswelle, sie geht direkt vom Mittelpunkt des Kreises aus und hat die gleiche Wellenlänge, wie die Welle vor der Öffnung. Diese entstandenen Kreiswellen nennt man Elementarwellen. Untersuchungen zeigen, dass vom Spalt eine einzige Elementarwelle ausgeht, wenn seine Breite d ungefähr gleich der Wellenlänge λ ist. Die geschilderte Erscheinung bezeichnet man als Beugung. Hier sieht man die Beugung von Wasserwellen an einem breiten Spalt. Man sieht stark die geradlinigen Fronten aber nur eine leichte Beugung. Auf dem unteren Bild sieht man einen Spalt mittlerer Breite. Die geradlinigen Wellenfronten sind noch zu erkennen. Das letzte Bild zeigt einen Spalt enger Breite. Es ist nur noch die kreisförmige Elementarwelle zu sehen. Die Beugung ist eine typische Wellenerscheinung. Sie tritt nur bei Vorgängen auf, die sich wellenartig ausbreiten. 2. Beugung der Dipolstrahlung am Spalt Die Dipolstrahlung eines Senders wird auf einen Spalt, der zwischen zwei Metallwänden liegt, gerichtet. Hinter dem Spalt und den Metallwänden werden die Empfangsmöglichkeiten untersucht. Parallel zum Sendedipol steht ein Empfangsdipol, um einen maximalen Empfang zu erzielen. Liegt der Empfänger, also der Empfangsdipol, direkt auf dem Strahl, den der Sendedipol durch den Spalt versendet, so erhält man einen guten Empfang. Ist der

Empfangsdipol um einen Winkel α in den sogenannten Schatten der Wand gedreht, so empfängt man auch dort noch Dipolstrahlung. Eine derartige Beugungserscheinung ist charakteristisch für Wellen. Hier, wird die schematische Anordnung des Vorgangs gezeigt: Auf der Abbildung rechts, sieht man (schematisch) die Wellen der Dipolstrahlung. Es laufen parallele Wellenfronten auf den Spalt zu, hinter dem Spalt sind dann kreisförmige Wellenfronten (sogenannte Elementarwellen) zu erkennen. Um die Dipolstrahlung im Empfänger zu verstärken, kann man einen Reflektor benutzen. Vor ihm entsteht eine stehende Welle, in deren Bauch sich der Dipol des Empfängers befindet und der den Abstand λ\4 zum Reflektor hat. Auf dem nebenstehenden Bild sieht man einen Empfänger mit einem Reflektor. Wie bereits für die Wasserwellen gilt auch für die Dipolstrahlung : Es tritt aus dem Spalt nur dann eine Kreiswelle hervor, wenn geradlinige Wellenfronten gegen einen genügend engen Spalt, dessen Spaltbreite annähernd gleich der Wellenlänge ist, laufen. Die Kreiswellen, die aus dem

Spalt dann heraustreten, gehen von dem Mittelpunkt des Spaltes aus und haben die gleiche Wellenlänge, wie die Wellen vor dem Spalt. Der Spalt ist Zentrum der Elementarwelle. Es lässt sich daraus schließen: Die Beugung der Dipolstrahlung am Spalt zeigt ihre Wellennatur. 3. Lichtbeugung am Spalt Der Strahl eines Lasers wird auf einen breitenverstellbaren Spalt geworfen. Auf dem, hinter dem Spalt stehenden Schirm kann man die Lichtverteilung des Strahls erkennen. Bei abnehmender Spaltbreite, aber gleichbleibender Entfernung von Spalt und Schirm, wandern die Maxima der Beleuchtungsstärke immer weiter nach außen. Bei kleinerem Spalt wird also das zentrale Maximum immer breiter und irgendwann verschwindet es schließlich vollkommen. Dieser Versuch kann nur aufgrund der Wellentheorie des Lichtes gedeutet werden. Auf dem rechten Bild kann man die schematische Anordnung des Versuches sehen. Das Bild links zeigt die Verteilung der Beleuchtungsstärke auf dem Schirm. Und das untere Bild ist ein Foto eines Schirmbildes.

Wie schon bei der Wasserwelle, als auch bei der Dipolstrahlung geht man davon aus, dass ein genügend enger Spalt, das Zentrum einer Elementarwelle ist. Auch bei Lichtwellen kann man sich dieser Vorstellung anschließen. Die Beugung des Lichtes am Spalt zeigt die Wellennatur des Lichts. Beugung und Interferenz am Doppelspalt Doppelspaltversuch mit Wasserwellen(S.152, B4a): Wasserwellen aus parallelen Wellenfronten treffen auf einen Doppelspalt. Jeder Spalt wird zum Zentrum einer Elementarwelle, sie sind Erreger, die kreisförmig phasengleiche Wellen erzeugen. (mathematisch untersucht sind dies Hyperbeläste). Doppelspalversuch im Unterricht: Nur noch eine Wellenfront Nur noch ein Erreger Wird der Doppelspalt nun in ein Wasserbecken gestellt, erhalten wir das gleiche Bild wie bei zwei Wellenzentren. Erklärung: Nach den Spalten sind zwei Elementarwellen vorhanden, die sich überlagern(interferieren). Durch die Überlagerung der zwei Elementarwellen erhält man ein Bild, wie auf S.152, B4b oder dem kleinen Blatt, dass wir von Herrn Möller bekommen haben, dargestellt ist. Die durchgezogenen Linien zeigen maximale Amplitude, die gestrichelten die minimale. Doppelspaltversuch mit Mikrowellen: Versuchsaufbau: Drei Metallwände werden im Strahlenbündel des Senders so aufgestellt, dass sie zwei Spaltöffnungen, deren Mitten 6cm voneinander enfernt sind, bilden. Der Empfangsdipol ist einen Meter enfernt auf einem schwenkbaren Arm montiert.in diesem Kreis weißt die Wechselstromamplitude im Erreger Maxima bzw. Minima auf. Wie beim Versuch mit Wasserwellen lässt sich dies dadurch erklären, dass die Doppelspalte wie Sender wirken, von dene Elementarwellen ausgehen. Diese legen den gleichen Weg zurück, wenn sich der Empfänger auf der Mittelsenkrechten zur Verbindungsstrecke befindet. In allen anderen Fällen(S.152, B5, z.b. E ) besteht ein Gangunterschied der Länge s = s2 - s1 zwischen den zurückgelegten Wegen.

Bedingung für Maxima der Empfangsstromstärke: Wenn der Gangunterschied null oder ein ganzzahliges Vielfaches von λ ist, schwingen die beiden Wechselfelder gleichphasig; k Ν 0 =k λ Bedingungen für Minima der Empfangsstromstärke: Wenn der Gangunterschied ein ungeradzahliges Vielfaches von 2 λ ist, schwingen die beiden Wechselfelder gegenphasig; s λ =(2k 1) 2 (k ist die Ordnung der Maxima bzw. der Minima) Zur Berechnung des Gangunterschieds s beim Doppelspalt: α E b S1. D S2 s A α Wenn der Empfangspunkt E sehr weit vom Doppelspalt entfernt ist, gilt bei guter Näherung: Winkel S1AS2 90 a sinα = b a s = b *sinα (Gangunterschied bei großer Entfernung zum Doppelspalt)

Der Doppelspaltversuch liefert den Nachweis für den Wellencharakter der Dipolstrahlung: An beiden Spalten tritt Beugung auf Die von den Spalten ausgehenden Wellen interferieren miteinander Doppelspaltversuch mit Mikrowellen: Versuchsbeschreibung: In die vom Sender ausgehenden Wellen werden drei Metallwände mit Spaltöffnungen von je 3 cm Breite, wobei die Spaltmitten 6 cm voneinander entfernt sind. Der Empfangsdipol wird in ca. 1 m Entfernung auf einem schwenkbaren Arm montiert, dessen Achse sich um D dreht. Auf dem Kreis um D können anhand der Wechselstromamplitude im Empfänger Maxima und Minima nachgewiesen werden Erklärung: Wie beim Doppelspaltversuch mit Wasser wirken die Doppelspalte wie Elementarwellen aussendende Sender. Wenn der Empfänger auf der Mittelsenkrechten zur Verbindungsstrecke (Punkt E) liegt, legen beide Elementarwellen den gleichen Weg zurück. Ansonsten unterscheiden sich die zurückgelegten Wege s 1 bzw. s 2 (z.b. Punkt E ) um den Gangunterschied = s 2 s 1.

Doppelspaltversuch mit Licht: Versuchsbeschreibung: In das Parallelbündel eines Lasers wird wie beim Doppelspaltversuch mit Mikrowellen ein Doppelspalt angebracht, wobei die beiden Spalte S 1 und S 2 einen Abstand von wenigen Zehntelmillimetern haben und selbst so eng sind, dass hinter dem Spalt im Wesentlichen nur das zentrale, breite Maximum zur Geltung kommt, so dass beide Spalte als Orte gleichphasig schwingender Erreger von Lichtwellen angesehen werden können; bei den Überlappungen der Lichtbündel kommt es zu Interferenzerscheinungen. Thomas Young (1773-1829 englischer Arzt und Physiker) hat mit einem Doppelspaltversuch 1817 als Erster Lichtinterferenzen un damit den Wellencharakter des Lichts nachgewiesen. Dabei gilt :

d tan α = 2a sin α = b Für großen Abstand zwischen Doppelspalt und Schirm gilt: Der Winkel α ist sehr klein, damit gilt in guter Nährung: tan α = sin α (Kleinwinkelnährung) damit gilt: d = b 2a Für die Anzahl der beobachtbaren Maxima gilt: k * λ = = b * sinα wobei sinα 1, womit gilt: k * λ b b k λ Aufgabe: Der Abstand der Maxima dritter Ordnung eines Doppelspalts mit dem Spaltabstand 0,4 mm wird zu 3 cm gemessen, wenn der Schirm 3,3 m vom Doppelspalt entfernt ist. Bestimme die Wellenlänge λ. Wie viele Maxima können beobachtet werden? b = 0,4 mm; d = 3 cm; a = 3,3 m

d tanα = 4,5*10 2a = 3* λ = b d 2a k * λ = b *sinα b k * λ b k λ k 666 3 α 0,26 3λ d = λ = * b 0,6µ m b 2a *3 Insgesamt : 2 * k + 1 = 1333 Zusammenfassung: Der Doppelspaltversuch offenbart den Wellencharakter in zweifacher Weise: 1. Die Überlagerung der beiden interferierenden Wellen kommt nur zustande, weil die Wellen an beiden Spalten gebeugt werden. 2. Die Interferenzerscheinung lässt sich nur mit einer wellenartigen Ausbreitung erklären. Aufgaben: S.154 1,6cm 1. c) = b * sinα sinα = = α = ± 30 b 3,2cm λ 2. b) k * = b *sinα λ = 2b *sinα = 5, 0cm 2