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===Noch mehr Aufgaben zur Interferenz von Licht===
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=====6) Lichtfarben und Wellenlänge=====
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|height="800px"|
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:Ein Gitter wird vom Licht einer Glühlampe beleuchtet. Hinter dem Gitter ist im Abstand von 60cm ein Schirm. ([[Optische_Gitter#Versuch:_Gl.C3.BChlampenlicht_trifft_auf_ein_Gitter|Versuchsaufbau]]) Hier die Ergebnisse:
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==Elektrischer Energietransport: Beladungsmaß und Leistung==
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====Versuch: Eine helle Lampe====
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;Aufbau
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[[Datei:Stromkreis_Versuch_zwei_Lampen_Potential_als_Energiebeladungsmaß.jpg|thumb|Die linke Lampe ist an ein Netzgerät angeschlossen, die rechte über einen Schalter an die Steckdose.]]
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Eine 60W-Glühbirne ist an der Steckdose angeschlossen, die andere (12V/250mA) wird mit einem Netzgerät betrieben. Bei beiden Lampen wird die Stromstärke gemessen.
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;Beobachtung
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Durch beide Lampen fließt der gleiche Strom mit einer Stärke von ca. 0,25 Ampère, aber die an der Steckdose angeschlossene Lampe ist viel heller!
  
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<gallery widths=180px heights=130px  perrow=3 >
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;Folgerung
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Bild:Gitter_Messung_80pro_mm_60cm_Spalt_schmal.jpg|Gitter mit 80 Linien pro mm
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Offensichtlich ist "der Strom aus der Steckdose" anders als "der Strom aus dem Netzgerät". Der "Steckdosenstrom" transportiert mehr Energie!
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Bild:Gitter_Messung_300pro_mm_60cm.jpg|Gitter mit 300 Linien pro mm
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</gallery>
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'''a)''' Bestimmen Sie aus den Messergebnissen die Wellenlänge von violettem, blauen, grünem, gelben und rotem Licht. Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse mit Literaturwerten.
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====Versuch: Kichererbsentransport====
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;Aufbau
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[[Datei:Energiestromstärke Leistung Versuch Erbsenstromstärke.png|400px|left]]
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In einer Kiste auf einer Seite des Raumes befinden sich Erbsen. (Man kann auch Streichhölzer nehmen.) Die Erbsen sollen in eine noch leere Kiste auf der anderen Seite transportiert werden. Aber jede Person darf nur zwei Erbsen nehmen!
  
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'''b)''' Warum ist das Maximum nullter Ordnung weiss und nicht bunt wie die anderen?
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Wir arbeiten zusammen und schauen, wie schnell wir die Erbsen transportieren können.
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<br style="clear: both" />
  
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'''c)''' Zu dem Gitter mit 80 Linien pro mm:
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;Messwerte und Auswertung
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*Warum ist das zweite Maximum breiter als das erste?
+
In diese leere Tabelle schreiben wir unsere Ergebnisse:
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*Begründen Sie, dass das zweite Maximum doppelt so breit sein müsste wie das erste. Wie breit ist demnach das dritte?
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{|class="wikitable" style="text-align: center"
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Erbsen-<br>beladung
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Zeit-<br>spanne
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Personen-<br>anzahl
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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Erbsen-<br>anzahl
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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Personen-<br>stromstärke
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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Erbsen-<br>stromstärke
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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<math>2\,\rm \frac{E}{P}</math>
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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=====7) Einzelspalt=====
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Ob wir uns bei den Erbsen verzählt haben, kann man leicht überprüfen. Die Personenanzahl multipliziert mit der Erbsenbeladung muss die Erbsenanzahl ergeben!
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Beleuchtet man einen schmalen Spalt mit weißem Licht, so kann man dahinter ein buntes Streifenmuster auf einem Schirm beobachten.
+
−
*Wie kommt es zu den wiederholten dunklen Stellen? Fertigen Sie eine Zeichnung zur Begründung an.
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*Wie kommt es zu den farbigen Rändern der hellen Stellen?
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:Sind die hellen Stellen nach Außen hin oder zur Mitte hin rot? Begründen Sie.
+
  
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Ein Einzelspalt hat eine Breite von genau einer Wellenlänge des einfallenden Lichtes.
+
Die Stromstärken berechnen sich als Personen pro Zeit und als Erbsen pro Zeit.
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*Wie breit ist das nullte Maximum, oder genauer: Unter welchem Winkel ist das Maximum nullter Ordnung zu sehen?
+
  
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=====8) Haaresbreite=====
+
Man bemerkt, dass man die Erbsenstromstärke auch mit Hilfe der Personenstromstärke ausrechnen kann. Dazu muss man nur die Personenstromstärke mit der Beladung multiplizieren!
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:'''a)''' Bestimmen Sie mit aus den Messergebnissen des "[[Doppelspaltversuch_(Schatten_eines_Haares)#Versuch:_Der_Schatten_eines_Haares|Haarschattenversuchs]]" die Wellenlänge des Laserlichts.
+
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:'''b)''' Mit einem Laserpointer läßt man rotes Licht der Wellenlänge 650nm auf ein Haar fallen. Die Dicke des Haares hat man vorher zu 5 Hundertstel mm gemessen. Auf der 2m entfernten Wand kann man nun eine interessante Beobachtung machen.
+
−
:Zeichnen Sie das auf der Wand sichtbare Muster in Originalgröße.
+
  
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=====9) Ein Seidenschal=====
 
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:Ein roter Laserpointer, mit einer Wellenlänge von 630nm  wird auf einen Schal gerichtet. Drei Meter hinter dem Schal kann man folgende Beobachtung machen:
 
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:[[Datei:Licht_Interferenz_Schal_3m.jpg|none|thumb]]
 
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*Erklären Sie die Beobachtung. Welche Eigenschaften des Schals können Sie daraus berechnen?
 
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*Oder genauer: Bestimmen Sie die Dicke der Fäden und die Breite der Lücken in horizontaler und vertikaler Richtung.
 
  
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=====10) Eine CD oder DVD=====
 
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:Ein Laserpointer emmittiert Licht einer Wellenlänge von 630nm und wird auf eine CD gerichtet. Man macht folgende Beobachtung:
 
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:[[Datei:Lichtinterferenz_CD_Reflektionsgitter_Beobachtung.jpg|thumb|none]]
 
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:Zwischen den Maxima Nullter und erster Ordnung bildet sich ein Winkel von 22°.
 
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*Berechnen Sie daraus den Abstand zwischen den Rillen einer CD und schätzen Sie daraus die Anzahl der Rillen der CD ab.
 
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:Wie groß ist der Winkel zum Maximum zweiter Ordnung?
 
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*Erkundigen Sie sich nach dem Rillenabstand einer DVD.
 
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:Wie verändert sich das Interferenzmuster, wenn man die CD durch eine DVD austauscht?
 
  
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=====11) Mehrfachspalt und Zeigeraddition=====
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[[Datei:RCL_Vierfachspalt_532nm_10um_40um.jpg|thumb]]
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Das nebenstehende Bild zeigt das Bild eines Schirms hinter einem beleuchteten Mehrfachspalt. Der verwendete Laser hat eine Wellenlänge von 532nm und der Abstand zwischen Spalt und Schirm beträgt 1m.
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*Wieviele Spalte hat der Mehrfachspalt? Begründen Sie in Worten und mit Hilfe von Zeigeraddition.
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*Wie breit sind die einzelnen Spalte und wie groß ist der Mittenabstand zwischen den Spalten?
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==Vergleich des Erbsentransports mit dem elektrischen Energietransport==
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Mit Hilfe des Erbsentransportes können wir erklären, warum die Lampen so unterschiedlich hell leuchten. Dazu vergleichen wir den Erbsentransport durch Personen mit dem Energietransport durch die elektrische Ladung:
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*Die im Kreis laufenden Personen entsprechen der im Kreis fließenden Ladung: <math> \text{1 Person } \widehat{=} \text{ 1 Coulomb}</math>
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*Die transportierten Erbsen entsprechen der transportierten Energie: <math> \text{1 Erbse } \widehat{=} \text{ 1 Joule}</math>
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*Die Erbsenbeladung entspricht dem elektrischen Potential: <math> \text{1 Erbse pro Person } \widehat{=} \text{ 1 Joule pro Coulomb} = \text{1 Volt}</math>
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Jetzt können wir die entsprechende Tabelle aufstellen:
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{|class="wikitable" style="text-align: center"
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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Energie-<br>beladung
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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Zeit-<br>spanne
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Ladungs-<br>menge
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Energie-<br>menge
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
(Ladungs-)<br>Stromstärke
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Energie-<br>stromstärke<br>(Leistung)
 +
|-
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>12\,\rm V = 12\,\rm \frac{J}{C}</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>0{,}25\,\rm A=0{,}25\,\rm \frac{C}{s}</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|-
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>230\,\rm V = 230\,\rm \frac{J}{C}</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>0{,}25\,\rm A=0{,}25\,\rm \frac{C}{s}</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|}
 +
 
 +
Weil wir die Zeitdauer nicht kennen, die Lampen können ja eine Sekunde oder eine Stunde lang angeschaltet sein, können wir uns eine wählen.  
 +
 
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Wählt man als Zeitdauer eine Sekunde, ist es einfach die geflossene Ladungsmenge zu bestimmen, denn bei einer Stromstärke von 0,25 Ampère fließen ja gerade 0,25 Coulomb pro Sekunde!
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In zwei Sekunden fließen daher 0,5 Coulomb usw.
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Die transportierte Energiemenge ergibt sich aus der geflossenen Ladung mal dem Beladungsmaß.
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Die Energiestromstärke kann man jetzt entweder als Energie pro Zeit berechnen oder als Ladungsstromstärke mal Beladungsmaß.

Version vom 30. April 2025, 12:19 Uhr

Elektrischer Energietransport: Beladungsmaß und Leistung

Versuch: Eine helle Lampe

Aufbau
Die linke Lampe ist an ein Netzgerät angeschlossen, die rechte über einen Schalter an die Steckdose.

Eine 60W-Glühbirne ist an der Steckdose angeschlossen, die andere (12V/250mA) wird mit einem Netzgerät betrieben. Bei beiden Lampen wird die Stromstärke gemessen.

Beobachtung

Durch beide Lampen fließt der gleiche Strom mit einer Stärke von ca. 0,25 Ampère, aber die an der Steckdose angeschlossene Lampe ist viel heller!

Folgerung

Offensichtlich ist "der Strom aus der Steckdose" anders als "der Strom aus dem Netzgerät". Der "Steckdosenstrom" transportiert mehr Energie!

Versuch: Kichererbsentransport

Aufbau
Energiestromstärke Leistung Versuch Erbsenstromstärke.png

In einer Kiste auf einer Seite des Raumes befinden sich Erbsen. (Man kann auch Streichhölzer nehmen.) Die Erbsen sollen in eine noch leere Kiste auf der anderen Seite transportiert werden. Aber jede Person darf nur zwei Erbsen nehmen!

Wir arbeiten zusammen und schauen, wie schnell wir die Erbsen transportieren können.

Messwerte und Auswertung

In diese leere Tabelle schreiben wir unsere Ergebnisse:

Erbsen-
beladung

Zeit-
spanne

Personen-
anzahl

Erbsen-
anzahl

Personen-
stromstärke

Erbsen-
stromstärke

2EP

.

.

.

.

Ob wir uns bei den Erbsen verzählt haben, kann man leicht überprüfen. Die Personenanzahl multipliziert mit der Erbsenbeladung muss die Erbsenanzahl ergeben!

Die Stromstärken berechnen sich als Personen pro Zeit und als Erbsen pro Zeit.

Man bemerkt, dass man die Erbsenstromstärke auch mit Hilfe der Personenstromstärke ausrechnen kann. Dazu muss man nur die Personenstromstärke mit der Beladung multiplizieren!







Vergleich des Erbsentransports mit dem elektrischen Energietransport

Mit Hilfe des Erbsentransportes können wir erklären, warum die Lampen so unterschiedlich hell leuchten. Dazu vergleichen wir den Erbsentransport durch Personen mit dem Energietransport durch die elektrische Ladung:

  • Die im Kreis laufenden Personen entsprechen der im Kreis fließenden Ladung: 1 Person ˆ= 1 Coulomb
  • Die transportierten Erbsen entsprechen der transportierten Energie: 1 Erbse ˆ= 1 Joule
  • Die Erbsenbeladung entspricht dem elektrischen Potential: 1 Erbse pro Person ˆ= 1 Joule pro Coulomb=1 Volt

Jetzt können wir die entsprechende Tabelle aufstellen:

Energie-
beladung

Zeit-
spanne

Ladungs-
menge

Energie-
menge

(Ladungs-)
Stromstärke

Energie-
stromstärke
(Leistung)

12V=12JC

0,25A=0,25Cs

230V=230JC

0,25A=0,25Cs

Weil wir die Zeitdauer nicht kennen, die Lampen können ja eine Sekunde oder eine Stunde lang angeschaltet sein, können wir uns eine wählen.

Wählt man als Zeitdauer eine Sekunde, ist es einfach die geflossene Ladungsmenge zu bestimmen, denn bei einer Stromstärke von 0,25 Ampère fließen ja gerade 0,25 Coulomb pro Sekunde! In zwei Sekunden fließen daher 0,5 Coulomb usw.

Die transportierte Energiemenge ergibt sich aus der geflossenen Ladung mal dem Beladungsmaß.

Die Energiestromstärke kann man jetzt entweder als Energie pro Zeit berechnen oder als Ladungsstromstärke mal Beladungsmaß.

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