Experiment: Beugung eines Laserstrahls an einem Haar 71.1 E3 Du brauchst: Laser, ein Haar Richte den Laserstrahl auf eine Wand. Halte das Haar in den Lichtweg. Beschreibe deine Beobachtungen und vergleiche mit den Ergebnissen aus Experiment 70.1. Du siehst nun nicht mehr einen Lichtpunkt, sondern eine Reihe von Punkten. Sie entsprechen den Beugungsmaxima des vorangegangenen Experiments. Ähnlich verhält sich der Laserstrahl, wenn wir ihn auf eine Kante richten. Beugungsmuster finden wir überall dort, wo Licht durch kleine Öffnungen hindurch tritt (70.3) oder Licht an kleinen Hindernissen (wie in Experiment 71.1) gebeugt wird. Allerdings sind die Nebenmaxima nur bei Verwendung von Laserlicht deutlich zu sehen, bei Verwendung anderer Lichtquellen sind sie sehr schwach, weil der schmale Spalt nur sehr wenig Licht durchlässt. Experiment: Beugung am Doppelspalt 71.2 E2 Du brauchst: Laser, Doppelspalt; Zerstreuungslinse mit Halterung. Richte den Laserstrahl auf eine Wand. Stelle den Doppelspalt in den Strahlengang. Wiederhole den Versuch, verwende zur besseren Ausleuchtung des Spalts eine Zerstreuungslinse. Dokumentiere deine Beobachtung. Am Schirm erscheint ein System von hellen und dunklen Punkten (71.3) bzw. bei Verwendung einer Zerstreuungslinse helle und dunkle Streifen bzw. Linien. Der analoge Versuch mit Wasserwellen zeigt: Hinter jeder Öffnung breitet sich eine Kreiswelle aus (71.4). Diese Kreiswellen laufen übereinander hinweg und bilden ein „Interferenzmuster“ (siehe Physik 6, S. 50). Wo ein Wellenberg auf einen Wellenberg trifft, entsteht ein doppelt so hoher Wellenberg. Wo ein Wellental auf ein Wellental trifft, ergibt sich ein doppelt so tiefes Wellental. Wo aber ein Wellenberg mit einem Wellental zusammenfällt, löschen die Wellen einander aus. Dies ist dann der Fall, wenn der Wegunterschied (Gangunterschied) der beiden Kreiswellen ein ungerades Vielfaches einer halben Wellenlänge beträgt. Um die Lage der hellen Linien zu ermitteln, betrachten wir zunächst die Symmetrieachse der Anordnung. In dieser Richtung verstärken die Lichtwellen einander, weil sie den gleichen Weg zurücklegen. Auf der Symmetrieachse herrscht daher Helligkeit (Beugungsmaximum nullter Ordnung). Dieses Ergebnis ist überraschend, könnte man doch meinen, dass gerade dieses Gebiet von der Wand zwischen den beiden Spaltöffnungen abgedeckt wird und daher im Wellenschatten liegt. Nun betrachten wir Lichtausbreitung in eine Richtung, die mit dem Beugungsmaximum nullter Ordnung den Winkel φ einschließt (71.1). Wenn der Gangunterschied zwischen den von den beiden Spalten ausgehenden Wellen genau eine Wellenlänge (oder ein ganzes Vielfaches der Wellenlänge) beträgt, verstärken die Lichtwellen einander. Bezeichnet man mit d den Abstand der beiden Spaltöffnungen, dann bestimmt der Winkel φ die Richtung zum Beugungsmaximum kter Ordnung: sin φ = k· λ _ d (k = 0, 1, 2, 3, …). Dazwischen gibt es Richtungen, in welchen der Gangunterschied der Lichtwellen ungerade Vielfache einer halben Wellenlänge beträgt. Dort löschen die Wellen einander aus und es herrscht Dunkelheit. Zusammenfassend kann man sagen: Bei der Beugung am Doppelspalt entstehen helle Streifen, die Beugungsmaxima k-ter Ordnung. Die Lage der Maxima wird durch den Winkel φ beschrieben: sin φ = k· λ_ d (k = 0, 1, 2, 3, …). Zwischen den Beugungsmaxima liegen dunkle Streifen, die Beugungsminima. Untersuche, überlege, forsche: Beugung 71.1 W1 Begründe an Hand der Formel sin φ = k· λ _ d , warum wir Beugungserscheinungen nur an sehr kleinen Objekten oder sehr kleinen Öffnungen beobachten können. Fertige eine genaue Experimentieranleitung an und erkläre. 71.1 Beugung von rotem Licht an einer Rasierklinge 71.2 Beugung eines Laserstrahls am Doppelspalt mit großem (oben) und geringem (unten) Abstand der Spaltöffnungen. 71.3 Doppelspaltversuch mit Wasserwellen (Computersimulation) 71 2 Beugung und Interferenz des Lichts Elektromagnetische Wellen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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