Praktikum 3: Licht und Schall: Optik, Wellen, Farben

Licht und Schall – Relevante Konzepte

• Der Text behandelt die Konzepte von Raum und Zeit, Sonne, Mond und Erde sowie Optik.
• Die Optik, Wellenphänomene mit Licht und Schall, Farben, Mondphasen, warum der Himmel blau ist, Sommer und Winter sowie Wellenphänomene und Schall fallen im genannten Umfang darunter.

Vorsichtshinweis Lichtquellen

• Helle Lichtquellen können potenziell die Augen schädigen. Daher sollte man nicht direkt in die Lichtquellen schauen.

Experiment 1: Farben

• Dauer: 30 Minuten
• Benötigtes Material: Lampe, Linse, Spalt, Beugungsgitter, Abbildungsschirm, CD

Hintergrundinformationen zum Experiment

• Weißes Licht setzt sich aus allen Farben des Regenbogens zusammen
• Ein Beugungsgitter besteht aus vielen kleinen Streifen in regelmäßigen Abständen und ist ein optisches Element
• Licht formt nach dem Durchgang durch die Spalte zwischen den Streifen eine Kugel- bzw. Zylinderwelle
• Wellen benachbarter Spalte können konstruktiv oder destruktiv interferieren
• Konstruktive Interferenz tritt auf, wenn Licht von zwei Spalten die gleiche Phase hat, sich synchron bewegt und die Felder sich addieren
• Der Weglängenunterschied muss genau der Wellenlänge λ entsprechen
• Das erste Intensitätsmaximum der Beugung tritt unter einem Winkel 𝜙 auf, der die Bedingung g sin(𝜙) = 𝜆 erfüllt, mit g als Gitterkonstante

Experiment Teil 1:

• Mit der Linse parallele Lichtstrahlen erzeugen, indem man den Glühdraht auf eine entfernte Fläche abbildet.
• Einen verstellbaren Spalt auf der Schiene platzieren.
• Eine Linse verwenden, um den Spalt auf dem Schirm abzubilden.
• Das Beugungsgitter im Dia-Halter auf der Schiene platzieren.
• Die erste Beugungsordnung auf dem Schirm suchen und die Anordnung der Farben betrachten.
• Prüfen, ob höhere Beugungsordnungen sichtbar sind und wie die Farben dort angeordnet sind.

Experiment Teil 2: Farben Mischen

• Eine weitere Linse verwenden, um die Farben des Regenbogens zu überlappen, bis wieder weißes Licht entsteht.
• Einzelne Farben des Regenbogens VOR der zweiten Linse mit Papier abdecken.
• Einen Spalt und Streifen basteln, um gezielt Farben in der Mitte des Regenbogens auszuwählen.
• Notieren, wie sich die Farbe auf dem Schirm verändert, abhängig davon, welche Farben blockiert werden.
• Optional kann man versuchen, mit einer CD statt einem Gitter einen Regenbogen erzeugen.

Experiment Teil 3: Spektrometer Nutzen

• Es soll ein Spektrometer basierend auf einem Prisma verwendet werden.
• Das Prisma trennt Licht in Frequenzkomponenten aufgrund des wellenlängenabhängigen Brechungsindex n(λ).
• Optische Komponenten nicht berühren, Spalt und Okular identifizieren
• Ein weißes Blatt Papier schräg vor den Spalt halten, um das reflektierte Licht vom Spektrometer einzufangen und das Spektrometer justieren, um einzelne Farblinien zu sehen.
• Das Okular so einstellen, dass die Linien scharf sind (schmal und nicht verschwommen).
• Die Spaltbreite kann angepasst werden; kleinere Spalte ergeben genauere Spektren, aber ein dunkleres Bild.
• Unterschiedliche Lichtquellen vor das Spektrometer halten, wobei darauf geachtet werden muss, dass sie nicht zu hell sind.

Experiment 2: Mondphasen

• Dauer: 20 Minuten
• Benötigtes Material: Styroporkugeln, kleine Kugeln, Projektor, Handykamera

Experiment 2: Hintergrund

• Die Mondphasen entstehen durch die unterschiedliche Beleuchtung des Mondes im Laufe seiner 28-tägigen Umlaufbahn um die Erde.

Experiment 2 Teil 1:

• Eine Styroporkugel als Mond an einem Halter verwenden.
• Sich mit der Kugel ins Licht des Projektors (Sonne) stellen, aber nicht direkt in den Projektor schauen.
• Die Position der Erde bzw. eines Beobachters am Nordpol einnehmen.
• Sich im Verhältnis zur Lichtquelle drehen und Fotos vom Mond aufnehmen, wobei der Mond immer etwas über dem Kopf sein soll.
• Diskutieren wann ein Vollmond sichtbar ist und weshalb ein Neumond schwer zu erkennen ist.

Experiment 2 Teil 2:

• Überlegen, wie die Kameraposition verändert werden muss, um einen Beobachter am Äquator der Erde darzustellen.
• Das Experiment in dieser neuen Ausrichtung wiederholen.
• Dann einen großen Gymnastikball als Erde verwenden.
• Eine Person hält eine kleine Kugel(Mond) zwischen Projektor(Sonne) und Gymnastikball(Erde).
• Wenn der Mond auf direkter Linie zwischen Erde und Sonne ist, kann eine Sonnenfinsternis simuliert werden.
• Den Abstand zwischen Erde und Mond variieren, um die Veränderung des Schattens zu beobachten.
• Eine andere Person nimmt ein Bild vom Schatten auf und versucht, Kern- und Halbschatten des Mondes zu identifizieren.
• Herausfinden, ab welcher Position der Kernschatten verschwindet.
• Analysieren weshalb kleine Kugeln anstelle von Styroporkugeln verwendet werden.
• Eine Videoaufnahme einer simulierten Sonnenfinsternis erstellen, indem die Kamera im Schatten positioniert und der Mond vor der Sonne hin und her bewegt wird.

Experiment 2: Auswertung

• Kern- und Halbschatten definieren.
• Anordnung von Mond, Erde und Sonne bei Vollmond festlegen
• Sonnen- und Mondfinsternis definieren & bestimmen, weshalb sie nicht monatlich auftreten

Experiment 3: Warum ist der Himmel blau?

• Dauer: 20 Minuten
• Benötigtes Material: 2 Gläser, Wasser, etwas Milch, etwas Mehl, Taschenlampe

Experiment 3: Hintergrund

• Licht wird an der Inhomogenität der Luft gestreut, die aus Atomen und Molekülen besteht, was zu Rayleigh-Streuung führt.
• Die Rayleigh-Streuung hängt stark mit der Frequenz des Lichtes zusammen.
• Der Effekt der Streuung wird durch verdünnte Milch in einem Wasserglas verstärkt.
• Milch ist eine Emulsion aus Milchzucker, Proteinen, Fett und Wasser.
• Die Fetttröpfchen in homogenisierter Milch sind ungefähr so groß (1000-2000nm) wie die Wellenlängen des sichtbaren Lichts (400-700nm).
• Da der Streueffekt schwach ist, wird Mehl als Referenz für „weißes“ Licht verwendet, da es aus größeren Partikeln besteht (unter 180μm).

Experiment 3: Ablauf

• Eine Person verlässt den Raum, während das Experiment vorbereitet wird.
• Zwei Gläser mit Wasser vorbereiten.
• In Glas 1 einige Tropfen Milch geben
• Glas Nr. 2 wird etwas Mehl gegeben, bis es eine ähnliche Trübung aufweist.
• Mit einer Taschenlampe durch die Gläser leuchten und mit einem Papier den direkten Strahlengang abschneiden, um nur das gestreute Licht zu sehen
• Die Person beurteilt, ohne zu wissen, welches Glas Milch und Mehl enthält, welches Glas „blauer“ aussieht.
• Es wird diskutiert ob es für diejenigen offensichtlich ist, die den Versuch aufgebaut haben, weshalb reine Milch weiß aussieht, was in diesem Experiment anders ist und wie man den Kontrast verbessern kann.

Experiment 3: Auswertung

• Untersucht, warum der Himmel blau ist.
• Erklärt, warum es Abend-/Morgenrot gibt und warum es in schmutzigen Städten stärker ist.

Experiment 4: Sommer und Winter

• Dauer: 30 Minuten
• Benötigtes Material: Thermometer, Noppenfolie, Klebeband, Pappe/Metallblech, Halter
• Hintergrund:
• Temperaturunterschiede zwischen Sommer und Winter hängen mit dem Winkel der Sonnenstrahlen zur Erdoberfläche zusammen, nicht mit dem Abstand zur Sonne.
• Im Winter ist die Einstrahlung flacher als im Sommer, da die Südhalbkugel der Sonne zugeneigt ist.

Experiment 4 Teil 1:

• Mit dem Thermometer vertraut machen.
• Die Absorptionsfläche (geschwärztes Metall) am Fühler des Thermometers befestigen.
• Die Wärmelampe einschalten und die Absorptionsfläche in sicherem Abstand davor halten.
• Sicherstellen, dass der Temperaturfühler sich im Schatten befindet, um nur die Temperatur des Absorbers zu messen
• Warten bis sich die Temperatur stabilisiert und notiert diese.
• Die Neigung der Absorptionsfläche gegenüber der Strahlung ändern und beobachten, was passiert.
• Darauf achten, dass der Abstand zwischen Absorber und Lampe gleich bleibt.
• Diskutiert: Wann und warum ist die Temperatur wärmer oder kälter und passieren die Änderungen sofort oder verzögert?

Experiment 4 Teil 2:

• Die Gleichgewichtstemperatur stellt sich durch das Gleichgewicht zwischen Wärmeverlust und Leistungsaufnahme ein.
• Die senkrecht zur Wärmelampe gehaltene Absorptionsfläche erhitzen, Temperatur notieren und Abstand markieren.
• Noppenfolie um den Absorber kleben und Experiment wiederholen.
• Noppenfolie durch weißes Papier ersetzen und Experiment wiederholen.
• Diskutiert: Wann war die Temperatur höher oder niedriger, und warum? Waren die Unterschiede deutlich?
• Optional: Wiederholt das Experiment mit einer doppelten Schicht Noppenfolie.

Experiment 4: Auswertung

• Die Temperatur eines Planeten wird durch das Gleichgewicht von Strahlungsleistung, Wärmeerzeugung und abgestrahlter Energie bestimmt.
• Änderungen der Oberfläche oder Atmosphäre können dieses Gleichgewicht verändern.
• Beispiele sind der Treibhauseffekt auf der Venus oder die „Schneeball Erde“ im Cryogenium.

Weiteres

• Sommer vs Winter
• Analogie Treibhauseffekt
• Analogie Effekt von schmelzendem Schnee auf Klimawandel

Experiment 5: Wellenphänomene-Schall

• Dauer: 30 Minuten
• Material: Lautsprecher, Handy, Holzgitter, Testton Generatoren

Experiment 5: Hintergrund

• Schall ist eine Welle, bei der sich Druck und Dichte der Luft periodisch ändern.
• Die Schallgeschwindigkeit ist geringer als die Lichtgeschwindigkeit.
• Interferenz kann mit Schall einfacher erlebt werden als mit Licht, da die Wellenlänge im hörbaren Bereich liegt.

Experiment 5 Teil 1: Interferenz von zwei Quellen

• Je ein Smartphone mit einem Lautsprecher verbinden.
• Einen Testton gleicher Frequenz abspielen.
• Im Raum herumlaufen und laute/leise Stellen finden und eine qualitative Karte der Lautstärke erstellen = Interferenzmuster
• Das Ganze mit anderem Abstand zwischen den Lautsprechern wiederholen
• Hinweis: Die Interferenz ist einfacher wahrzunehmen, wenn das andere Ohr zugehalten wird

Experiment 5 Teil 2: Schwebungen

• Unterschiedliche Frequenzen einstellen (1 Hz Unterschied)
• Die Beobachtung mit dem Frequenzunterschied zusammenhängen
• Den Frequenzunterschied in Schritten ändern um zu identifizieren, ab wann man zwei unterschiedliche Töne hören kann

Experiment 5 Teil 3: Interferenz am Gitter

• Einen Lautsprecher hinter ein Holzgitter stellen und eine Frequenz zwischen 2000 und 6000 Hz einstellen.
• Im Raum umhergehen und eine qualitative Karte der Lautstärke zeichnen.
• Beugungsmaxima hören
• Die Frequenz ändern und Versuch wiederholen

Experiment 5: Auswertung

• Was ist Interferenz – Vergleich Wasserwellen
• Schwebungen – wie kann man Töne hören bzw. wie kann man Instrumente stimmen
• Analogie zu optischer Interferenz am Gitter
• Verhältnis Wellenlänge zu Gitterabstand