Aufgaben zum Licht als Welle (Lösungen)
Inhaltsverzeichnis
Interferenz im Alltag
Die Interferenz, also die Überlagerung, von Licht tritt grundsätzlich immer auf. So kann Licht aus zwei Lampen zum Beispiel quer durch das Zimmer "fliegen" und sich durchkreuzen. Lichtschwerter gibt es nicht:).
Nur das typische Muster, die periodische Schwankung der Intensität, ist nicht immer zu beobachten. Solche Muster treten bei Wellen dann auf, wenn der Abstand der Lichtquellen oder die Breite eines Hindernisses im Bereich von einigen Wellenlänge des Lichtes liegt. (Vgl. Beugung an Öffnungen und Hindernissen) Im Alltag ist die Wellenlänge des Lichtes aber viel kleiner als die Breite der meisten Gegenstände.
Typische Welleneigenschaften
Typische Welleneigenschaften, die man auch von mechanischen Wellen kennt, sind:
Isaac Newton hat Licht als einen Strom von Teilchen beschrieben und konnte damit einfach die Reflektion wie das Abspringen von Bällen an einer Wand erklären. Auch die Brechung konnte er mit einer größeren Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem Medium erklären. Die Beugung, also die Ablenkung, von Teilchen in der Nähe eines Hindernisses zu erklären hat auch Newton größere Probleme bereitet.
Vollkommen unvereinbar mit der Vorstellung von Lichtteilchen sind aber Interferenzerscheinungen. Vor allem das Zustandekommen eines Minimums ist nicht zu erklären. Denn wie sollen sich an einem Ort auftreffende Lichtteilchen gegenseitig auslöschen?
Beispiel-Experiment
- Erläutern Sie ein Experiment, mit dem man den Wellencharakter des Lichts nachweisen kann.
Doppelspalt
Beleuchtet man einen Doppelspalt mit geeignetem Licht, z.B. mit Laserlicht, so sieht man nicht den geometrischen Schatten des Doppelspaltes, sondern ein Streifenmuster.
- Erklären Sie das Versuchsergebnis mit dem Wellencharakter des Lichtes.
Haaresbreite
- Bestimmen Sie mit aus den Messergebnissen des "Haarschattenversuchs" die Wellenlänge des Laserlichts.
Lichtfarben und Wellenlänge
- Ein Gitter wird vom Licht einer Glühlampe beleuchtet. Hinter dem Gitter ist im Abstand von 60cm ein Schirm. (Versuchsaufbau) Hier die Ergebnisse:
Gitter mit 80 Linien pro mm
Gitter mit 300 Linien pro mm
- Bestimmen Sie aus den Messergebnissen die Wellenlänge von violettem, blauen, grünem, gelben und rotem Licht. Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse mit Literaturwerten.
- Warum ist das Maximum nullter Ordnung weiss und nicht bunt wie die anderen?
- Zu dem Gitter mit 80 Linien pro mm:
- Warum ist das zweite Maximum breiter als das erste?
- Begründen Sie, dass das zweite Maximum doppelt so breit sein müsste wie das erste. Wie breit ist demnach das dritte?
Ein Seidenschal
- Ein roter Laserpointer, mit einer Wellenlänge von 630nm wird auf einen Schal gerichtet. Drei Meter hinter dem Schal kann man folgende Beobachtung machen:
- Erklären Sie die Beobachtung. Welche Eigenschaften des Schals können Sie daraus berechnen?
- Oder genauer: Bestimmen Sie die Dicke der Fäden und die Breite der Lücken in horizontaler und vertikaler Richtung.
Eine CD oder DVD
- Ein Laserpointer wird auf eine CD gerichtet. Man macht folgende Beobachtung:
- Zwischen den Maxima Nullter und erster Ordnung bildet sich ein Winkel von 22°.
- Berechnen Sie daraus den Abstand zwischen den Rillen einer CD und schätzen Sie daraus die Anzahl der Rillen der CD ab.
- Wie groß ist der Winkel zum Maximum zweiter Ordnung?
- Erkundigen Sie sich nach dem Rillenabstand einer DVD.
- Wie verändert sich das Interferenzmuster, wenn man die CD durch eine DVD austauscht?
Mehrfachspalt und Zeigeraddition
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.
- Wieviele Spalte hat der Mehrfachspalt? Begründen Sie in Worten und mit Hilfe von Zeigeraddition.
- Wie breit sind die einzelnen Spalte und wie groß ist der Mittenabstand zwischen den Spalten?
Einzelspalt
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.
- Wie kommt es zu den farbigen Rändern der hellen Stellen?
- Sind die hellen Stellen nach Außen hin oder zur Mitte hin rot? Begründen Sie.
Ein Einzelspalt hat eine Breite von genau einer Wellenlänge des einfallenden Lichtes.
- Unter welchem Winkel ist das Maximum nullter Ordnung zu sehen?
