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Versuchsdurchführung
a) Wasser-Wellenwanne
Mithilfe der Wasser-Wellenwanne können folgende Teilversuche durchgeführt werden:
1. Ebene Wellen
Mit einem breiten Rechen als Erreger werden ebene Wellen erzeugt:
2. Huygensches Prinzip
Es wird ein Spalt von ca. 1cm Breite in die Wellenwanne eingebracht. Nun werden ebene Wellen erzeugt, die senkrecht auf den Spalt zulaufen, sodass der Spalt Ausgangspunkt für Kugelwellen ist.
3. Stehende Wellen
In die Wellenwanne wird ein Hindernis senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der ebenen Wellen eingebracht, sodass sich zwischen Hindernis und Erreger eine stehende Welle ausbildet.
4. Reflexion an schräger Wand
Es wird die Reflexion der ebenen Wellen an einem Hindernis gezeigt.
5. Brechung
Es wird eine getönte Glasplatte in die Wellenwanne eingebracht, sodass die Wassertiefe im Bereich der Glasplatte geringer ist. Es kommt zur Brechung der ebenen Wellen am optisch dichteren Medium (flacheres Wasser).
6. Überlagerung von Kugelwellen
Es werden zwei punktförmige Erreger verwendet, um Kugelwellen mit gleicher oder unterschiedlicher Frequenz zu erzeugen.
Bei Überlagerung mit gleicher Frequenz bilden sich Hyperbeln aus, während sich bei unterschiedlicher Frequenz Spiralen ergeben.
b) Interferenz bei Schallwellen
Mithilfe von zwei Lautsprechern, die die gleiche Frequenz abspielen, können destruktive und konstruktive Interferenzen sichtbar gemacht werden.
Durch Bewegen des Mikrofons können unterschiedliche Interferenz-Zustände der Wellen auf dem Oszilloskop sichtbar gemacht werden.
c) Beugung und Interferenz mit LASER-Licht
Es können verschiedene Versuchsvarianten durchgeführt werden, bei denen jeweils ein Einzelspalt/Doppelspalt/Gitter mit einem LASER bestrahlt werden. Über einen Spiegel an der Hörsaalwand wird der Lichtweg nochmals verlängert und das Beugungs-/Interferenzmuster auf der gegenüberliegenden Hörsaalwand abgebildet.
Einzelspalt
Der Spalt ist zu Beginn weit geöffnet, sodass der LASER als Lichtpunkt an der Hörsaalwand erscheint. Durch verringern der Spaltbreite wird dann gezeigt, dass die Minima/Maxima zunehmen stärker gebeugt werden und weiter auseinanderrücken.
Doppelspalt
Das Interferenzmuster des Doppelspalts wird zuerst auf der Hörsaalwand abgebildet. Durch Abdecken eines Spaltes kann gezeigt werden, dass die Feinstrukturen verschwinden.
Gitter
Es werden Gitter mit verschiedener Linienzahl pro Längeneinheit verwendet und das Interferenzmuster an der Wand beobachtet. Es wird gezeigt, dass für größere Linienzahl die Maxima/Minima zunehmend auseinander rücken.
Lochblenden
Es können Interferenzringe erzeugt werden, indem statt einem Gitter oder Spalten eine Lochblende verwendet wird. Dadurch entstehen auf der Hörsaalwand deutliche Interferenzringe.
Weiteres „Spielzeug“
Es kann außerdem die Reflexion eines LASER-Strahls an einer CD, oder die Interferenzmuster beim Durchstrahlen verschiedener Stoff-Stücke mit Gewebestruktur gezeigt werden.
d) Bestimmung der Wellenlänge/Abstand der Maxima
Mit dem Aufbau aus Versuchsteil b) mit einem Doppelspalt, kann die Wellenlänge des verwendeten LASERs bestimmt bzw. der Abstand der Interferenzmaxima mit dem theoretischen Wert verglichen werden.
1. Bestimmung der Wellenlänge
Aus der Formel für den Abstand der Maxima erster Ordnung am Doppelspalt kann die Wellenlänge des LASERs bestimmt werden, da der Sinus das Winkels über die Länge des Strahlenganges im Hörsaal und den Abstand der Maxima 1.Ordnung bestimmt werden kann:
\(sin(\alpha)=\frac{n\cdot \lambda}{D}\)
\(sin(\alpha)=\frac{Abstand\: der\: Maxima}{Strecke}\)
\(\longrightarrow \frac{Abstand\: der\: Maxima \cdot D}{Strecke}\)
Hierbei bezeichnet D den Spaltabstand beim Doppelspalt, der im Versuch etwa 0,4mm beträgt.
2. Vergleich des Abstandes der Maxima zum theoretischen Wert
Über die oben genannte Formel
\(sin(\alpha)=\frac{n\cdot \lambda}{D}\)
Wird der Abstand der Beugungsmaxima theoretisch bestimmt:
\(Abstand\: der\: Maxima=\frac{n\cdot \lambda}{D}\cdot Strecke\)
Dieser Wert wird dann mit dem experimentell bestimmten Wert verglichen, der direkt an der Wand gemessen wird.
3. Vergleich des Abstandes der Maxima zwischen grünem/rotem LASER
Mithilfe eines dichroitischen Spiegels werden ein roter und ein grüner LASER-Strahl zur Deckung gebracht, sodass die beiden Interferenzmuster des Doppelspates gleichzeitig an der Hörsaalwand beobachtet werden können.
Da der Abstand der Maxima proportional zur Wellenlänge ist, sind die Abstände der grünen Maxima deutlich kleiner.
e) Beugung an Bärlappsporen
Ein Objektträger mit Bärlappsporen wird von einem LASER durchstrahlt. Dabei entstehen deutliche Interferenzringe, die entweder auf einem Schirm oder auf der Hörsaalwand gezeigt werden können.
f) Auflösung der Na-D-Linie mit einem Gitter
Ein Kameraobjektiv mit einem eingebauten variablen Spalt ist vor der Na-Dampflampe montiert, sodass der Spalt über das Objektiv auf ein Gitter abgebildet werden kann. Das Gitter hat 570 Striche pro mm, sodass die Na-D-Linie aufgelöst werden sollte:
\(\Delta \lambda=\frac{\lambda}{N}=\frac{589nm}{5700}=0,1nm\)
\(\lambda (D1)=588,9963nm\)
\(\lambda (D1)=589,5930nm\)
\(\Delta \lambda =0,6nm\)
An Stelle eines Schirmes wird hier eine Kamera verwendet, um die lichtschwachen Linien bequemer vorzuführen.
g) Auflösung der Na-D-Linie mit Geradsicht-Prismen
Die Na-D-Linie kann auch mittels Geradsichtprismen aufgelöst werden. Der Versuchsaufbau aus Versuchsteil e) wird dabei übernommen, jedoch das Gitter gegen drei Geradsichtprismen ausgetauscht. Der Abstand des Objektivs zum ersten Prisma beträgt dabei ca. 1,10m. Die Kamera wird nun in einem Abstand von etwa 20-30cm zum letzten Prisma aufgestellt.