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2025-10-16T11:02:37Z

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PL:Michelson-Interferometer

2025-10-16T09:39:10Z

Admin: 53 Versionen importiert

[[Kategorie:Optik]]

Auf dieser Seite befinden sich die Materiallisten, Aufbauanleitungen und Versuchsbeschreibungen für die Teilversuche der Schülerlaborsreihe Interferometer.
Die SuS bekommen begleitend zu den Versuchen einen Moodle-Kurs auf dem Tablet.
Es sollte mit Versuch 1 begonnen werden. Die Versuche 2, 3 und 4 können in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Versuch 5 eignet sich gut als Abschlussversuch.

__INHALTSVERZEICHNIS__
= Vor dem Besuch =

1. Pro Gruppe müssen folgende Materialien bereitgestellt werden:
* 1 Breadboardbox: Es muss geprüft werden, dass Schirm, Maßband, Schraubendreher und ausreichend viele Schrauben, Unterlegscheiben, Posts und Postholder vorhanden sind.
* 1 grüner Laser
* 2 Spiegel
* 1 Linse (f<100mm)
* 1 Strahlteiler (nicht-polarisierend)
* 1 NanoFlex 5mm Travel Translation Stage
* 1 an Schraube geklebter Spiegel: Die Schraube muss mit ca. 1m Kanthaldraht umwickelt sein, wobei mittig der Schraube eine etwas breitere Lücke zwischen zwei Drahtwindungen sein muss, sodass hier die Schraube mit dem PT100 berührt werden kann ohne gleichzeitig den Draht zu berühren.
* 1 PT100
* 1 Gleichspannungsquelle + Netzkabel
* 2 Kabel mit Bananenstecker am einen und Krokodilklemmen am anderen Ende
* 1 Handmessgerät
* 2 Kabel mit Bananensteckern an beiden Enden
* 2 Abgreifklemmen
* 1 Glaskolben + Halterung
* 1 Vakuumadapter + Spannring (KF25)
* 1 auf drehbarer Stage montierte Glasscheibe: Der Objektivträger wird mit dem Filter Holder auf der drehbaren Stage angebracht.

2. Die Vakuumeinrichtung muss wie im Schema rechts aufgebaut werden. Hierfür wird benötigt:
[[Datei:PL_Michelson-Interferometer_Vakuumsystem.png|500px|thumb|right|Vakuumeinrichtung für das Schülerlabor.]]
* Vakuumpumpe + Schlauch zum Öl Ablassen
* 4 lange Wellschläuche
* 9 kurze Wellschläuche
* 5 T-Stücke
* 4 Kreuzstücke
* 5 Ventile
* 4 Belüftungsventile
* 4 Druckmessgeräte
* Zentrierringe und Spannringe (KF25)
* 2 Blindflansche (KF25)
Die Vakuumpumpe sowie die Druckanzeige der Vakuumpumpe müssen an das Stromnetz angeschlossen werden. Der Schlauch zum Öl Ablassen muss auf der einen Seite an die Pumpe angebracht und auf der andere Seite aus dem Fenster gehängt werden. Die 4 langen Wellschläuche werden entlang der langen Tischreihe angebracht und wie in der Abbildung zu sehen am Tisch fixiert. Hierfür gibt es Löcher mit Gewinde an der Kopfseite der langen Tischreihe.

3. Der Maximumszähler muss zusammengebaut werden. Hierfür wird benötigt:
[[Datei:PL_Michelson-Interferometer_Maximumszähler.jpg|300px|thumb|right|Maximumszähler.]]
* 1 Arduino-Box
* 1 Linsenhalterung mit Haltering
* 1 Extension Tube
* 2 Bananenstecker-Adapter
In der Arduino-Box befindet sich der Fotowiderstand, der an einer mit 3D-Drucker gedruckten Scheibe befestigt ist. Diese Scheibe kann mithilfe des Halterings in der Linsenhalterung befestigt werden. Die Kabel des Fotowiderstand können dann mithilfe der Bananenstecker-Adapter mit der Arduino-Box verbunden werden. Es müssen diejenigen Bananenstecker-Adapter verwendet werden, in die die Kable fest eingeklemmt werden können und nicht solche, in die die Kabel nur hineingesteckt werden.

4. Die Tablets müssen rechtzeitig geladen und der Moodle-Kurs geöffnet werden.

= Einführungsvortrag =
== Einstiegspräsentation ==
In der Einstiegspräsentation können neben der Begrüßung und der Sicherheitseinweisung zur Motivation noch das historische Michelson-Morley-Experiment und die aktuelle Gravitationswellendetektion vorgestellt werden. <br>
Zur Inhaltlichen Orientierung kann hier nachgelesen werden:
[[Medium:Einstieg_Inhalt.pdf]]<br>
Als Präsentation kann die folgende verwendet werden: [[Medium:Einstiegspräsentation.pdf]]

== Wichtige Versuchs- und Sicherheitshinweise für die SuS==
Gesundheit der SuS:
* Laserstrahlung: Nicht in den Laser schauen. Sich nicht auf Augenhöhe mit Laserstrahl begeben. Uhren/Schmuck ausziehen.
* Strom (nur Versuch 2): Während das Netzgerät an ist, nichts am Aufbau anfassen. Falls der Draht glüht oder es komisch riecht, Netzgerät ausschalten.
Die Geräte und Bauteil sind sehr teuer, deshalb
* Optische Bauteile nicht mit bloßen Fingern anfassen, Handschuhe verwenden. Laser nicht abknicken!
* Unterlegscheiben verwenden, um Postholder nicht zu verkratzen!

= Grundaufbau Michelson-Interferometer =

== Material für einen Aufbau ==

* Breadboardbox
* Breadboard
* Mechanische Stage (idealerweise NanoFlex 5mm Travel Translation Stage)
* grüner Laser mit passendem Netzteil
* Linse mit Brennweite f<100 mm
* Strahlteiler (50:50, nicht-polarisierend)
* 2 Spiegel

== Aufbauanleitung ==
[[Datei:PL_Michelson-Interferometer_Grundaufbau.jpg|400px|thumb|right|Grundaufbau eines Michelson-Interferometers.]]

# Drei Postholder in rechtem Winkel auf das Board schrauben. Schirm, Strahlteiler und Laser in den Postholdern so befestigen, dass der Laserstrahl den Strahlteiler mittig trifft.
# Einen Postholder auf der verschiebbaren Stage befestigen. Verschiebbare Stage und weiteren Postholder rechtwinklig auf dem Board befestigen, sodass beide Postholder ungefähr gleich weit vom Strahlteiler entfernt sind (ca. 15-20 cm). Jeweils einen Spiegel in den Postholdern justieren, sodass der Laserstrahl beide mittig trifft.
# Position der Spiegel so feinjustieren, dass die beiden Laserpunkte auf dem Schirm genau aufeinander liegen. (Tipp: Den Schirm einige Meter weiter weghalten und Punkte dann justieren.)
# Einen Postholder zwischen Laser und Strahlteiler auf das Board schrauben und Linse darin so montieren, dass ein Interferenzmuster auf dem Schirm sichtbar ist.
# Mithilfe der Schrauben an den Spiegeln das Zentrum des Interferenzmusters ins Zentrum der Abbildung bringen.

'''Tipps:'''
* Vor dem Zusammenschrauben auf Länge der Posts und Postholder achten und passend auswählen damit alle Bauteile auf gleicher Höhe angebracht werden können.
* Die SuS benötigen für den Aufbau ca. 30-45 min.
* Falls im Interferenzmuster sehr viele schmale Ringe und ein sehr kleines Zentrum zu sehen sind, sodass das Zählen der Hell-Dunkel-Hell-Übergänge nur schwer möglich ist, liegt das an einem zu großen Gangunterschied. Dann müssen die Spiegel so montiert werden, dass beide ungefähr gleich weit vom Strahlteiler entfernt sind.
* Falls trotz Anpassung der Armlängen die Abbildung auf dem Schirm so klein ist, dass sich das Zählen der Hell-Dunkel-Hell in den weiteren Versuchen als schwierig erweist, kann eine zweite Linse zwischen Strahlteiler und Schirm eingebaut werden.

= Versuch 1: Laserwellenlänge bestimmen =

== Material für die Erweiterung eines Aufbaus ==
[[Datei:PL_Michelson-Interferometer_Nanoflex.jpg|300px|thumb|right|NanoFlex 5mm Travel Translation Stage.]]
* NanoFlex 5mm Travel Translation Stage

== Aufbauanleitung ==

# Falls für den Grundaufbau schon die NanoFlex 5 mm Travel Translation Stage verwendet wurde, muss nichts umgebaut werden.
# Andernfalls muss einer der beiden Spiegel auf der NanoFlex 5 mm Travel Stage befestigt auf dem BreadBoard festgeschraubt werden. Die Spiegel müssen dann erneut so justiert werden, dass ein Interferenzmuster auf dem Schirm sichtbar ist.

== Versuchsdurchführung ==
# Der Spiegel wird mit der feinen Stellschraube um die Strecke ''d'' verschoben. Dabei wird die Anzahl ''N'' der Hell-Dunkel-Hell Übergänge im Zentrum des Interferenzmusters gezählt.
# Die Messung sollte mehrmals durchgeführt werden.

'''Tipps:'''
* Ein Skalenteil der groben Stellschraube entspricht einer Verschiebung der Stage um 10 μm. Ein Skalenteil der feinen Stellschraube entspricht einer Verschiebung der Stage um 1 μm.
* Vor allem beim An- und Absetzen an der Stellschraube der Stage kann es zu Messfehlern kommen. Daher ist es sinnvoll mindestens 20 Hell-Dunkel-Hell Übergänge zu messen ohne zwischendurch die Hand abzusetzen.
* Die Ergebnisse der SuS weisen oft große Fehler auf und liegen im Bereich von 300 - 800 nm.
* Falls das Zählen der vielen Hell-Dunkel-Hell-Übergängen zu Schwierigkeiten führt, können die Schülerinnen und Schüler den Schirm während des Versuchs mit der Handykamera filmen, sodass die Übergänge bei Abspielen des Videos in Zeitlupe gezählt werden können.

= Versuch 2: Wärmeausdehnung =

== Material für die Erweiterung eines Aufbaus ==
[[Datei:PL_Michelson-Interferometer_Maschinenschraube.jpg|200px|thumb|right|Die Maschinenschraube wird mit Kanthaldraht umwickelt.]]
* Maschinenschraube mit am Ende festgeklebtem Spiegel
* Kanthaldraht (ca. 1m lang)
* PT100
* Gleichspannungsquelle
* Netzkabel für Gleichspannungsquelle
* 2 Kabel mit Bananenstecker am einen und Krokodilklemmen am anderen Ende
* Handmessgerät
* 2 Kabel mit Bananensteckern an beiden Enden
* 2 Abgreifklemmen

== Aufbauanleitung ==
[[Datei:PL_Michelson-Interferometer_Versuchsaufbau_Wärmeausdehnung.JPG|400px|thumb|right|Versuchsaufbau zur Wärmeausdehnung.]]
# Einer der beiden Spiegel des Michelson-Interferometers wird durch den an der Schraube festgeklebten Spiegel ersetzt.
# An je einem Ende des Drahts wird ein Kabel mit Krokodilklemme angebracht und die andere Seite des Kabels mit dem Bananenstecker wird in das Gleichspannungsnetzgerät gesteckt.
# Der PT100 wird mit den Abgreifklemmen und zwei Kabeln an ein Handmessgerät angeschlossen.

== Versuchsdurchführung ==
# Zunächst wird die der Widerstand des PT100 bei Berührung mit der nicht erhitzten Schraube gemessen, um so die Ausgangstemperatur der Schraube zu bestimmen.
# Dann wird die Schraube elektrisch erhitzt. Hierfür sollte ein Strom von 0,8-1,0 A durch den Draht fließen. Während des Erhitzens wird die Anzahl ''N'' der Hell-Dunkel-Hell-Übergänge im Zentrum des Interferenzmusters gezählt.
# Nun wird das Netzgerät ausgeschalten und sofort der Widerstand des PT100 bei Berührung der erhitzten Schraube bestimmt, um die Temperatur zu ermitteln.
'''Tipps:'''
* Falls das Zählen der vielen Hell-Dunkel-Hell-Übergängen zu Schwierigkeiten führt, können die Schülerinnen und Schüler den Schirm während des Versuchs mit der Handykamera filmen, sodass die Übergänge bei Abspielen des Videos in Zeitlupe gezählt werden können.

= Versuch 3: Brechungsindex von Luft =

== Material für die Erweiterung eines Aufbaus ==
[[Datei:PL_Michelson-Interferometer_Vakuum-Aufbau.JPG|400px|thumb|right|Versuchsaufbau zur Bestimmung des Brechungsindex von Luft.]]
* Glaskolben mit Halterung
* Vakuumpumpe
* Vakuumschläuche
* Vakuumverbindungselemente

== Aufbauanleitung ==
'''Im Schülerlabor mit Vakuumeinrichtung:'''
# Der Glaskolben wird in der Halterung auf einem Post in einem Interferometerarm befestigt, sodass der Laserstrahl durch den Glaskolben verläuft.
# Der Glaskolben wird an den am Kreuzstück verbundenen Wellschlauch angeschlossen.
'''Einzelaufbau ohne Vakuumeinrichtung:'''
# Der Glaskolben wird in der Halterung auf einem Post in einem Interferometerarm befestigt, sodass der Laserstrahl durch den Glaskolben verläuft.
# Der Glaskolben wird mit einem Wellschlauch und den Verbindungselementen direkt an die Vakuumpumpe angeschlossen.

== Versuchsdurchführung ==
'''Im Schülerlabor mit Vakuumeinrichtung:'''
# Das Belüftungsventil der Vakuumpumpe muss vollständig geschlossen sein.
# Das Ventil zwischen Vakuumpumpe und restlichem System muss geöffnet sein. Die Ventile an den jeweiligen Versuchstischen müssen ebenfalls geöffnet sein.
# Die Vakuumpumpe wird eingeschalten und der der schwarze Hebel umgelegt.
# Wenn ein Druck von < 0,01 mbar erreicht ist, wird das Ventil am Versuchstisch geschlossen und die Vakuumpumpe kann ausgeschalten werden.
# Anschließend wird das Belüftungsventil am Kreuzstück am Versuchstisch leicht geöffnet und die Anzahl der Hell-Dunkel-Hell-Übergänge im Zentrum des Interferenzmusters auf dem Schirm gezählt.
'''Einzelaufbau ohne Vakuumeinrichtung:'''
# Das Belüftungsventil der Vakuumpumpe muss vollständig geschlossen sein. Die Vakuumpumpe wird eingeschalten und der der schwarze Hebel umgelegt.
# Wenn ein Druck von < 0,01 mbar erreicht ist, wird die Vakuumpumpe ausgeschalten.
# Anschließend wird das Belüftungsventil der Vakuumpumpe leicht geöffnet und die Anzahl der Hell-Dunkel-Hell-Übergänge im Zentrum des Interferenzmusters auf dem Schirm gemessen.
'''Maximumszähler:'''
Um den Maximumszähler zum Messen der Anzahl der Hell-Dunkel Hell-Übergänge zu verwenden, muss folgendes beachtet werden:
* Der in der Linsenhalterung befestigte Maximumszähler wird mit mit Post und Postholder so auf dem Breadboard befestigt, dass sich der Fotowiderstand direkt im Interferenzzentrum befindet.
* Der Fotowiderstand muss weit genug vom Strahlteiler entfernt sein, sodass der Extension Tube zur Verdunkelung an der Linsenhalterung befestigt werden kann.
* Ansonsten sollte der Fotowiderstand möglichst nahe beim Strahlteiler sein, um eine möglichst hohe Intensität der Maxima zu gewährleisten.

= Versuch 4: Brechungsindex von Glas =

== Material für die Erweiterung eines Aufbaus ==
* Objektivträger (1mm Dicke) (befindet sich im Schrank "Glas")
* Drehbare Stage
* Stackable Dual Filter Holder (befindet sich in der Schublade "Filter Mounts")

== Aufbauanleitung ==
[[Datei:PL_Michelson_Interferometer_drehbare_Stage_mit_Glas.png|150px|thumb|right|Auf drehbarer Stage montierte Glasplatte.]]

# Die drehbare Stage wird so in einen Interferometerarm eingebaut, dass der Laserstrahl durch den Objektivträger verläuft.
# Falls durch das Einsetzen des Objektivträgers in den Strahlengang kein scharfes Interferenzmuster mehr sichtbar ist, muss der Spiegel auf der verschiebbaren Stage verschoben werden, bis das Interferenzmuster wieder scharf ist.

== Versuchsdurchführung ==
# Der Objektivträger muss zunächst senkrecht zum Strahlengang eingestellt werden.
# Der Objektivträger wird dann um den Winkel ''α'' gedreht und währenddessen die Anzahl ''N'' der Hell-Dunkel-Hell-Übergänge im Zentrum des Interferenzmusters gezählt.
'''Maximumszähler:'''
Um den Maximumszähler zum Messen der Anzahl der Hell-Dunkel Hell-Übergänge zu verwenden, muss folgendes beachtet werden:
* Der in der Linsenhalterung befestigte Maximumszähler wird mit mit Post und Postholder so auf dem Breadboard befestigt, dass sich der Fotowiderstand direkt im Interferenzzentrum befindet.
* Der Fotowiderstand muss weit genug vom Strahlteiler entfernt sein, sodass der Extension Tube zur Verdunkelung an der Linsenhalterung befestigt werden kann.
* Ansonsten sollte der Fotowiderstand möglichst nahe beim Strahlteiler sein, um eine möglichst hohe Intensität der Maxima zu gewährleisten.

= Versuch 5: Weißlichtinterferenz =
== Material für die Erweiterung eines Aufbaus ==

* Handytaschenlampe
* NanoFlex 5mm Travel Translation Stage

== Aufbauanleitung ==
'''Im Schülerlabor:'''
# Die Spiegel müssen mithilfe des Maßbands möglichst exakt gleich weit vom Strahlteiler entfernt angebracht werden.

== Versuchsdurchführung ==
[[Datei:PL_Michelson-Interferometer_Weißlichtinterferenz.jpg|200px|thumb|right|Weißlichtinterferenz.]]
# Die verschiebbare Stage wird so verschoben bis das Zentrum des Interferenzmusters die maximale Größe erreicht.
# Zwischendurch muss mit den Stellschrauben an den Spiegeln immer wieder das Zentrum des Interferenzmuster ins Zentrum der Abbildung auf dem Schirm gebracht werden.
# Dann wird die Handytaschenlampe zwischen Laser und Linse gehalten. Falls noch keine Weißlichtinterferenz sichtbar ist, muss mit der verschiebbaren Stage weiter die richtige Position gesucht werden.
'''Tipps:'''
* Den Bereich des größtmöglichen Maximums zunächst mit der groben Stellschraube suchen. Danach mit der feinen Stellschraube die richtige Position suchen und immer wieder mit der Handytaschenlampe überprüfen.

PL:Lichtdetektive

2025-10-16T09:39:05Z

Admin: 424 Versionen importiert

[[Kategorie:Optik]]
Auf dieser Seite werden befinden sich alle Aufbauanleitungen der Versuchsreihe "Lichtdetektive" im Schülerlabor.

= Aufbauanleitung Station 1: Das Auge =

Es wird die Mappe mit den laminierten Blättern (2 Stationsschilder, A3-Blatt des Augenaufbaus) benötigt.

== Versuch 1: Augenmodell ==

[[Datei:PL Optik Das Augenmodell.jpg|Beschreibung|150px|thumb|right|Das Augenmodell]]
[[Datei:PL Optik Ente auf einer quadratischen Thorlabs Base-Platte.jpg|Beschreibung|100px|thumb|right|Ente auf quadratischer Thorlabs Base-Platte]]

;Materialien

* 1 Figur (bevorzugt die Ente), Tischschilder
* 1 quadratische Thorlabs Base-Platte mit 10 cm-Post (siehe Bild rechts)
* Augenmodell (3D-Druck blauschwarz)
* Linse 1 mit f=100mm, Linse 2 mit f=75mm, Linse 3 mit f=150mm
* blaue Brille mit Linse 4 drin (f=75mm, 2 Zoll Durchmesser), grüne Brille mit Linse 5 drin (f=-100mm)
* eine 2 Zoll große Lens Tube, eine 1 Zoll große Lens Tube
* Optische Bank (1m), 4 gleiche lange Reiter zur Befestigung
* 2 gleich hohe Posts (bevorzugt 15cm), 1 Post der Länge 10cm für das Augenmodell
* 2 schwarze Tischlampen
* Lineal (50cm lang)
* schwarzes Stofftuch

;Versuchsaufbau

[[Datei:PL Optik Versuchsaufbau Aufbau Auge.jpg|Beschreibung|400px|thumb|right|Versuchsaufbau zum Aufbau des Auges]]

# Befestige das Auge mit dem 10cm Post und einem Reiter auf der Bank.
# Befestige die Thorlabs Base-Platte mit Post und Ente darauf mit einem Reiter auf der Bank so, dass sich die Ente in einer Ebene mit der Augenlinse befindet. Stelle den Abstand zwischen Ente und Augenlinse auf '''18,3cm''' ein.
# Stecke Linse 1 (f=100mm) noch nicht in das Augenmodell! Lege Linse 1, Linse 2 (f=75mm) und Linse 3 (f=150mm) neben den Versuchsaufbau.
# Befestige Linse 4 mithilfe einer 2 Zoll großen Lens Tube in der Halterung der blauen Brille. Befestige Linse 5 mithilfe einer 1 Zoll großen Lens Tube in der Halterung der grünen Brille.
# Schraube die grüne Brille mit Linse 4 drin (f=-100mm) und die blaue Brille mit Linse 5 drin (f=75mm, 2 Zoll) jeweils in einen 15cm langen Post und lege sie ebenfalls neben den Versuchsaufbau.
# Platziere die Tischlampen so, dass sie die Ente gut beleuchten und stelle die Tischschilder geordnet neben die Bank.
# Lege das schwarze Stofftuch neben den Versuchsaufbau.
# '''Hinweis an die Betreuer''': Achtet darauf, dass die Schülerinnen und Schüler beim Augenmodell den '''Abstand zwischen Ente und Augenlinse''' messen und '''nicht den Abstand zwischen den beiden Reitern der Objekte an der optischen Schiene ablesen'''! Diese stimmen nicht überein...

<div><ul>
<li style="display: inline-block; vertical-align: top;"> [[Datei:PL_Optik_Augen_Linse_2.jpg|Beschreibung|200px|thumb|Linse 2]] </li>
<li style="display: inline-block; vertical-align: top;"> [[Datei:PL_Optik_Augen_Linse_3.jpg|Beschreibung|200px|thumb|Linse 3]] </li>
<li style="display: inline-block; vertical-align: top;"> [[Datei:PL_Optik_3D_Brillen_in_blau_und_schwarz.jpg|Beschreibung|150px|thumb|schwarze Brille mit Linse 4 und blaue Brille mit Linse 5]] </li>

</ul></div>

== Versuch 2: Augenlinse (2D) ==

;Materialien
[[Datei:PL Optik Versuchsaufbau Strahlengang an der Augenlinse.jpg|Beschreibung|350px|thumb|right|Versuchsaufbau zum Strahlengang an der Augenlinse]]

* Schwarze Laser Ray Box (von Maphy, in derselben Box wie die 5-Strahl-Lampen)
* A2 große, weiße magnetische Unterlage
* Linsen 1, 2 und 3 aus dem Set „Geometrische Optik“
* Din A3-Blatt „A“ aus dem Set „Geometrische Optik“

;Versuchsaufbau

# Stelle die Laser Ray Box so auf, dass das Ende der Lampe auf der gestrichelten Linie O<sub>1</sub> liegt. Ordne die Lampe so an, dass alle Strahlen geradlinig auf die gezeichnete Linse des laminierten Augenquerschnittblatts treffen.
# Lege die Linsen 1, 2 und 3 aus dem Geometrische Optik Set neben den Versuchsaufbau parat.
# Drücke einmal auf den on-Knopf, sodass fünf parallele Lichtstrahlen sichtbar werden.

<br>
<br>
<br>

= Aufbauanleitung Station 2: Die Lochkamera =

Es wird die Mappe mit den laminierten Blättern (2 Stationsschilder) benötigt.

== Versuch 1: Beleuchteten Löwen beobachten + Gegenstände aus dem Fenster beobachten ==

[[Datei:PL Optik Lochkamera schwarz.jpg|Beschreibung|175px|thumb|right|schwarze Lochkamera aus Pappe]]

[[Datei:PL Optik Lochkamera Holz.jpg|Beschreibung|175px|thumb|right|beige Lochkamera aus Holz]]

[[Datei:PL Optik Versuchsaufbau Lochkamera Löwe.jpg|Beschreibung|200px|thumb|right|Versuchsaufbau Lochkamera mit beleuchtetem Löwen]]

;Materialien

* Lochkamera aus Holz (beige)
* Lochkamera aus Pappe (schwarz)
* Schleich-Löwen als Gegenstand
* Podest für den Löwen
* schwarzes Stofftuch
* Meterstab
* 2 schwarze, sehr helle Taschenlampen
* 2 Stativfüße, 2 Stativstangen (50cm Länge), 2 Doppelkreuzmuffen, 2 Stativklemmen

;Versuchsaufbau

# Stelle den Löwen auf das hochgefahrene Podest.
# Baue zwei Stative bestehend aus Stativfüßen, Stativstangen, Doppelkreuzmuffen und Stativklemmen auf.
# Befestige die Taschenlampen in den Stativklemmen so, dass sie den Löwen schräg oberhalb von vorne beleuchten (siehe Foto: Versuchsaufbau Lochkamera mit beleuchtetem Löwen).
# Lege die beiden Lochkameras, das schwarze Stofftuch und den Meterstab neben das Podest.

<br>

== Versuch 2: einen Baum beobachten (draußen) ==

zusätzlich zu den Materialien des ersten Versuchsteils werden benötigt:

;Materialien

* ein Maßband
* ein Meterstab
* ein Stück Kreide
* ein Taschenrechner

;Versuchsaufbau

# Lege die zusätzlichen Materialien neben den Versuchsaufbau mit dem beleuchteten Löwen hin.
Ansonsten muss für diesen Versuch nichts weiter aufgebaut werden.

'''Anweisung an die SuS:''' Falls das Wetter zu schlecht ist, werden die SuS die Betreuer fragen, was sie stattdessen tun sollen.
In diesem Fall sollen die SuS dennoch den Baum beobachten. Optimalerweise sollen sie den Baum vom blauen Schild des 57er-Gebäudes beobachten, da der Ort überdacht ist. Die Messung der Gegenstandsweite vom Baum zum blauen Schild fällt für die SuS weg. Dieser Wert wird dann von den Betreuern vorgegeben:

Gegenstandsweite vom Baum zum blauen Schild des 57er-Gebäudes: g=23,6 m

<br>
<br>
<br>

= Aufbauanleitung Station 4: Linsenformen =

Es werden die zwei laminierten Stationsschilder sowie die zwei Blätter mit den Blumenmustern benötigt.

== Versuch 1: Sammellinsen und Streulinsen ==
[[Datei:PL Optik Versuchsaufbau Strahlengang Sammellinse + Streulinse.jpg|Beschreibung|250px|thumb|right|Versuchsaufbau Strahlengang an Sammellinse und Streulinse]]
;Materialien

* schwarze 5-Strahl-Lampe (Lampe Nummer 1)
* Streulinse aus dem Set "Ray Optics Demonstration Set plus" (Optik-Schrank)
* Sammellinse aus dem Set "Ray Optics Demonstration Set plus" (Optik-Schrank)
* A2-große, magnetische Unterlage

;Versuchsaufbau

# Lege die magnetische Unterlage unter die Materialien. Platziere die Sammellinse und die Streulinse so, dass sie nicht im Lichtweg der 5-Strahl-Lampe liegen.
# Schalte die 5-Strahl-Lampe ein und stelle den Schieberegler ein.

'''Hinweis:''' Achte darauf, dass die 5-Strahl-Lampe vom Beobachter aus
nach rechts leuchtet, damit der Aufbau mit den gedruckten Strahlengängen übereinstimmt!

<br>

== Versuch 2: Zusammengesetzte Linsen bauen ==
[[Datei:PL Optik Versuchsaufbau Zusammengesetzte Linsen bauen.jpg|Beschreibung|250px|thumb|right|Versuchsaufbau Zusammengesetzte Linsen bauen]]

;Materialien

Für diesen Versuch werden die Materialien aus Versuch 1 weiter verwendet. Zusätzlich werden benötigt:

* bikonvexe Linse, zwei plankonvexe Linsen, bikonkave Linse, zwei plankonkave Linsen; jeweils aus dem Set "Ray Optics Demonstration Set plus" (siehe Bild rechts; zu finden im Optik-Schrank)

;Versuchsaufbau

# Lege die sechs Linsen neben den Aufbau mit der 5-Strahl-Lampe (siehe Bild rechts).
<br>

== Versuch 3: Linsen aus Luft, Wasser und Öl==
[[Datei:PL Optik Versuchsaufbau Linsen aus Luft, Wasser, Öl.jpg|Beschreibung|250px|thumb|right|Versuchsaufbau Linsen aus Luft, Wasser und Öl]]
;Materialien

* Blatt mit dem Blumenmuster
* eine Plastiklinse
* eine Plastiklinse gefüllt mit Wasser
* eine Plastiklinse gefüllt mit Luft
* ein Lineal oder Geodreieck
* ein Becherglas oder anderer Glasbehälter gefüllt mit Wasser

;Versuchsaufbau

# Lege die drei Plastiklinsen (eine leere, eine mit Wasser gefüllte, eine mit Öl gefüllte) neben das Blumenmuster bereit, wie auf dem rechten Bild zu sehen. Achte beim Befüllen der Linsen darauf, dass sich keine Luftblasen mehr in der Linse befinden!
# Fülle das Becherglas bzw. den Glasbehälter ca. zur Hälfte mit Wasser auf, so dass man ohne Probleme die Linsen in das Wasser halten kann.
<br>

== Versuch 4: Unterschiedliche Formen von Glaslinsen ==
[[Datei:PL Optik Versuchsaufbau Strahlengänge des Lichts nachlegen.jpg|Beschreibung|250px|thumb|right|Versuchsaufbau Unterschiedliche Formen von Glaslinsen: Strahlengänge nachlegen]]
;Materialien
Für diesen Versuch werden die Materialien aus Versuch 1 weiter verwendet. Zusätzlich werden benötigt:

* kleine Glasformen (zu finden im Lichtdetektive Schrank im Set mit Aufschrift "Glasformen klein")
* laminierte Blätter 2-A bis 2-F (zu finden im Lichtdetektive Schrank im Set mit Aufschrift "Glaskörper")
* 2 magnetische Plättchen aus der Box mit den 5-Strahl-Lampen
* weißes Blatt Papier

;Aufbau

# Lege die kleinen Glasformen und die laminierten Blätter 2-A bis 2-F neben den Aufbau mit der 5-Strahl-Lampe (siehe Bild rechts).

'''Hinweis:''' Falls der Versuch zweimal aufgebaut werden soll, können zusätzlich die laminierten Blätter 1-A bis 1-F und die Glasformen aus dem Set "Glaskörper" verwendet werden.

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= Aufbauanleitung Station 5: Brennweitenbestimmung bei Linsen =
Es wird die Mappe mit den laminierten Blättern (2 Stationsschilder) benötigt.

In allen drei Versuchsteilen wird dieselbe Linse mit f=200 mm und Aufschrift "Station 5 Bestimmung von f" verwendet.

== Versuch 1: Parallellichtmethode ==
[[Datei:PL Optik Brennweite bestimmen mit Parallellichtmethode.jpg|Beschreibung|225px|thumb|right|Versuchsaufbau Parallellichtmethode]]
;Materialien

* Linse mit Brennweite f=200 mm, mit der Aufschrift: "Station 5 Bestimmung von f" (Optik-Schrank)
* ein weißes DIN A4-Papier (Druckerraum)
* Lineal oder Meterstab (vorzugsweise 1 m lang)

;Versuchsaufbau

Lege die Linse mit Post, das weiße Blatt Papier und das Lineal nebeneinander auf den Tisch.

<br>

== Versuch 2: Abbildungsmethode ==
[[Datei:PL Optik Versuchsaufbau Abbildungsmethode.jpg|Beschreibung|450px|thumb|right|Versuchsaufbau Abbildungsmethode]]
;Materialien

Es wird weiterhin die Linse mit f=200 mm und das Lineal (1 m-Länge) verwendet. Außerdem wird benötigt:
* schwarze optische Bank mit 1 m-Länge und beschrifteter Skala!
* 3 Reiter, davon zwei kurze und einen langen
* Schirm
* Zebra als Objekt
* Objekttisch
* eine schwarze, sehr helle Taschenlampe
* ein Stativ, bestehend aus Stativfuß, Stativstange (50 cm), Doppelkreuzmuffe und Stativklemme
* Taschenrechner

;Versuchsaufbau

# Befestige den Objekttisch mit einem kurzen Reiter auf der optischen Bank und platziere ihn am linken Ende der Bank.
# Befestige den Schirm mit einem kurzen Reiter auf der optischen Bank und platziere ihn am rechten Ende der optischen Bank.
# Stelle das Zebra mittig auf den Objekttisch. '''Platziere das Zebra so, dass es nach rechts hin nicht über die Mitte des Objekttisches herausragt!'''
# Platziere den hohen Reiter in der Mitte der optischen Bank. Setze die Linse nicht ein, sie wird zuerst für Versuchsteil 1 benötigt!
# Baue das Stativ aus Stativfuß, Stativstange, Doppelkreuzmuffe und Stativklemme zusammen.
# Spanne die Taschenlampe so in die Stativklemme ein, so dass sie das Zebra von schräg oberhalb beleuchtet (siehe Bild Versuchsaufbau Abbildungsmethode). Es sollte die ganze Vorderseite des Zebras beleuchtet werden.
# Lege die Linse mit f=200 mm, das Lineal (1 m-Länge) und den Taschenrechner neben den Versuchsaufbau bereit.

'''Hinweis:''' Baue den Versuch immer so auf, dass die optische Bank parallel zu den Fenstern steht, niemals senkrecht zu den Fenstern! Ansonsten sieht man zu viel einfallendes, störendes Licht von draußen auf dem Schirm.

<br>

== Versuch 3: Bessel-Verfahren ==

Es wird derselbe Versuchsaufbau aus Versuch 2 weiter verwendet. Deshalb ist kein weiteres Material und kein weiterer Versuchsaufbau nötig!

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= Aufbauanleitung Station 6: Anwendungen von Glaslinsen =

Es wird die Mappe mit den laminierten Blättern (2 Stationsschilder) benötigt.

Diese Station funktioniert nur, wenn alle angegebenen Abstände und Größen exakt eingehalten werden!

<br>

== Das Mikroskop ==

;Materialien

* Lichtbrett mit Stecker
* 50 cm-Lineal, 1-Meter Stab
* mindestens 12 Objektträger
* ein grünes Blatt
* Taschenrechner

für das große Mikroskop wird benötigt:
* ein großes Stativ bestehend aus: Stativstange (1 m-lang), Tischklemme, zwei Universalklemmen
* zwei 10 cm-Posts mit zwei M4-Schrauben
* zwei große Linsenhalterungen für 2 Zoll-Linsen
* zwei Linsen mit Brennweite f=75 mm (2 Zoll groß, jeweils 2 cm dick)
* die folgenden Lens Tubes: 3 × sehr lang (7,7 cm Länge), 2 × lang (5,1 cm Länge), 2 × kurz (1,3 cm Länge), 1 × sehr kurz (0,8 cm Länge)

[[Datei:PL Optik Objektträger.png|Beschreibung|250px|thumb|right|Ausschnitt eines Blatts zwischen Objektträgern]]

für das kleine Mikroskop wird benötigt:
* ein kleines Stativ bestehend aus: Stativstange (0,5 m-lang), Tischklemme, zwei Universalklemmen
* zwei 10 cm-Posts mit zwei M4-Schrauben
* zwei Linsenhalterungen für 1 Zoll-Linsen
* eine Linse mit Brennweite f=30 mm (1 Zoll groß, 1,3 cm dick), eine Linse mit Brennweite f=25 mm (1 Zoll groß, 1 cm dick)
* die folgenden Lens Tubes: 1 × sehr lang (7,7 cm Länge), 2 × lang (5,1 cm Länge), 1 × mittellang (2,6 cm Länge)

;Versuchsaufbau

* Lege das Lichtbrett auf einen Tisch und schließe es an den Strom an.
* Gehe nach draußen und sammle ein grünes Blatt.
* Lege das Blatt auf 8 gestapelte Objektträger und lege einen 9. Objektträger über das Blatt (siehe Bild rechts).
* Lege die Objektträger mit Blatt darin, die übrigen Objektträger, das Lineal und den Taschenrechner neben das Lichtbrett.

'''Hinweis:''' Falls die SuS kein Handy haben und/oder den Mikroskop-Versuch mit ihrem Handy nicht schaffen, können die Betreuer den SuS sagen, dass der Mikroskop-Versuch auch mit einem Tablet durchgeführt werden kann!

[[Datei:PL Optik Großes Mikroskop.png|Beschreibung|105px|thumb|right|Großes Mikroskop]]

'''Großes Mikroskop:'''
* Baue das Stativ aus Tischklemme, Stativstange und den zwei Universalklemmen zusammen.
* Befestige die beiden Posts in den offenen Enden der Universalklemmen.
* Schraube die beiden Linsenhalterungen jeweils an einen Post fest.
* Befestige die Linsen (zweimal f=75 mm) so in den Linsenhalterungen, dass sie zueinander zeigen (die untere Linse auf die Linsenhalterung, die obere Linse unter die Linsenhalterung).
* Stelle den Abstand zwischen unterer Linsenhalterung und Lichtbrett auf '''8,2 cm''' ein. Alternativ: Stelle den Abstand zwischen Linsenmittelpunkt der unteren Linse und Lichtbrett auf '''10,2 cm''' ein (siehe Bild rechts)!
* Stelle den Abstand zwischen den Linsenmittelpunkten auf '''39,2 cm''' ein (siehe Bild rechts).
* Schraube alle benötigten Lens Tubes zu einer Röhre zusammen und schraube sie an das Ende der unteren Linse fest.
* Verändere die Position der oberen Linse mit Post so, dass die obere Linse direkt an das Ende der Lens Tubes andockt, also kein Licht von außen in die Röhre gelangt.
[[Datei:PL Optik Kleines Mikroskop.png|Beschreibung|120px|thumb|right|Kleines Mikroskop]]
* Führe einen Test mit dem Blatt durch und schaue, ob ein scharfes Bild entsteht.

'''Kleines Mikroskop:'''

Der Versuchsaufbau funktioniert analog wie beim großen Mikroskop. Beachte, dass die passenden Materialien für das kleine Mikroskop verwendet werden (50 cm-Stativstange, eine Linse mit f=25 mm (1 Zoll), eine Linse mit f=30 mm (1 Zoll), zwei Linsenhalterungen für 1 Zoll-Linsen, Lens Tubes (1 × sehr groß, 2 × groß, 1 × mittelgroß)).

* Baue die Linse mit f=25 mm als untere Linse und die Linse mit f=30 mm als obere Linse ein.
* Folgende Abstände müssen eingehalten werden (siehe Bild rechts):
Abstand Lichtbrett - untere Linsenhalterung: '''2,7 cm''' (bzw. Abstand Lichtbrett - Mitte der unteren Linse: '''4,2 cm''')

Abstand Mitte untere Linse - Mitte obere Linse: '''21,8 cm'''

<br>

== Das Fernrohr ==

;Materialien

Astronomisches Fernrohr:

* Linse mit f=500 mm (1 Zoll, 0,8 cm Dicke)
* Linse mit f=50 mm (1 Zoll, 1,5 cm Dicke)
* Lens Tubes: 3 × sehr lang (7,7 cm Länge), 1 × lang (5,1 cm Länge), 9 × mittellang (2,6 cm Länge), 0 × kurz (1,3 cm Länge), 2 × sehr kurz (0,8 cm Länge)

Galilei-Fernrohr:
* Linse mit f=500 mm (1 Zoll, 0,8 cm Dicke)
* konkave Linse mit f=-50 mm (1 Zoll, 1,35 cm Dicke)
* Lens Tubes: 2 × sehr lang (7,7 cm Länge), 4 × lang (5,1 cm Länge), 2 × mittellang (2,6 cm Länge), 2 × kurz (1,3 cm Länge), 0 × sehr kurz (0,8 cm Länge)

;Versuchsaufbau
[[Datei:PL Optik Fernrohre.png|Beschreibung|350px|thumb|right|Astronomisches Fernrohr und Galilei-Fernrohr]]
'''Astronomisches Fernrohr:'''

* Schraube alle benötigten Lens Tubes zu einer Röhre zusammen.
* Schraube jeweils eine Linse an ein Ende der Röhre.
* Der Abstand zwischen den beiden Linsenmitten sollte im Optimalfall bei genau '''55 cm''' liegen, mit diesem Aufbau liegt er bei '''54,8 cm''' (siehe Bild rechts).
* Teste das Fernrohr aus, indem du beobachtest, ob ein weit entfernter Gegenstand scharf abgebildet wird.

'''Galilei-Fernrohr:'''

* Schraube alle benötigten Lens Tubes zu einer Röhre zusammen.
* Schraube jeweils eine Linse an ein Ende der Röhre.
* Der Abstand zwischen den beiden Linsenmitten sollte im Optimalfall bei genau '''45 cm''' liegen, mit diesem Aufbau liegt er bei '''44,9 cm''' (siehe Bild rechts).
* Teste das Fernrohr aus, indem du beobachtest, ob ein weit entfernter Gegenstand scharf abgebildet wird.

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=Aufbauanleitung Station: Lichtausbreitung=
Zum Moodlekurs „Optik, Klasse 7“
<br>
== Versuch: Münze im Wasserbecken ==
[[Datei:Material+Versuchsaufbau, Münze im Wasserbecken.jpg|Beschreibung|200px|thumb|right|Versuchsmaterialien zum Aufbau des Versuchs Münze im Wasserbecken.]]
;Materialien
*Becken, mit Münze
*Stativmaterial mit Klemme
*Rohr
*Glasstab
;Versuchsaufbau
#Becken mit Wasser füllen
#Stativ aufbauen
#Rohr in Klemme, drehbar befestigen
'''Hinweis:''' Rohr muss oberhalb der Wasseroberfläche bleiben, beim Ausrichten! Das Becken darf also nicht zu voll, bzw. das Rohr nicht zu tief platziert sein.
<br>

==Versuch: Winkelverhältnis==
[[Datei:Lichtbrechung-Luft-Glas.jpg|Beschreibung|200px|thumb|right|Versuchsdurchführung zur Lichtbrechung am Übergang von Luft zu Glas zur Untersuchung der WInkelverhältnisse.]]
;Materialien
*halbierter Glaszylinder
*Strahlerlampe (halb abgeklebt)
*Vorlage zur Winkelmessung
;Versuchsaufbau
#Glaszylinder auf Vorlage platzieren
#Strahler dazu legen
'''Hinweis:''' das Abkleben der Strahlerlampe dient der besseren Erkennung des Strahlengangs.
<br>

==Versuch: Spiegelung vs. Streuung==
;Materialien
*3 LED-Farbstrahler
*Spiegel
*weißes Blatt Papier
;Versuchsaufbau
#lege alle Materialien auf den Versuchstisch

<br>

==Versuch: Streuung, blauer Himmel==
[[Datei:Lichtbrechung-Milch-Wasser.jpg|Beschreibung|200px|thumb|right|Versuchsdurchführung zu Lichtstreuung an der Wasser-Milch-Mischung.]]
;Materialien
*Glasbehälter (s.Foto)
*Wasser
*wenige Tropfen Milch
*Taschenlampe, weißlicht
;Versuchsaufbau
#Wasser-Milch-Gemisch in Glasbehäler geben
#Taschenlampe an den Versuchsplatz geben
'''Hinweis:''' lieber etwas weniger Milch hinzugeben, da sonst der Effekt schwerer zu erkennen ist, wenige Tropfen reichen aus!
<br>
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<br>

= Aufbauanleitung Station: Die subtraktive Farbmischung =

== Versuch: Wie ein Drucker die Farben mischt ==
[[Datei:PL Optik Fischerbootsfolien.jpg|Beschreibung|350px|thumb|right|Versuchsaufbau Wie der Drucker die Farben mischt]]

;Materialien
* Lichtbrett mit Stecker
* laminierte Farbfolien des Fischerboots (Cyan, Magenta, Gelb, Schwarz, Originalbild Fischerboot)
*weitere Farbfolien

;Versuchsaufbau
#Lege die laminierten Farbfolien des Fischerboots und die kleinen Farbfolien neben das Lichtbrett auf den Stationstisch.

== Versuch: Farbwahrnehmung unterm Filter ==
[[Datei:Material-Farbwahrnehmung.jpg|Beschreibung|250px|thumb|right|Material zur Durchführung des Versuchs zur Farbwahrnehmung.]]
;Materialien
* Perlen in verschiedenen Farben
* Taschenlampe, weiß Licht
*Filter für Taschenlampe

;Versuchsaufbau
#Lege die Materialien an den Versuchsplatz

<br>
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<br>

= Aufbauanleitung Station: Die additive Farbmischung =
Zum Moodle Kurs „Optik, Klasse 7“
<br>
== Versuch: Wie ein Computermonitor die Farben mischt ==
[[Datei:PL Optik Computermonitor Farbstreifen.png|Beschreibung|200px|thumb|right|Versuch: einen Computerbildschirm untersuchen]]
;Materialien

* Computermonitor mit Farbstreifen
* Lupe mit 15-facher Vergrößerung

;Versuchsaufbau
#Schalte den Computermonitor ein. Es sollten mehrere Farbstreifen sichtbar werden (siehe Computermonitor im Bild rechts).
#Die Lupe mit 15-facher Vergrößerung vor den Monitor auf den Tisch legen.

<br>

== Versuch 2: Mischen von farbigem Licht ==
;Materialien
* 3 LED-Farbstrahler (Box: Drei-Strahl-Lampen)
* weißes A4-Blatt Papier

;Versuchsaufbau

#Lege die 3 LED-Farbstrahler und das A4-Blatt Papier auf den Stationstisch.
<br>

== Versuch 3: Das Prisma==

;Materialien

* optische Bank (75 cm- oder 1 m-Länge)
* 4 hohe Reiter
* Stativklemme
* schwarze, sehr helle Taschenlampe
* Spalt
* Linse mit f=150 mm
* Linse mit f=300 mm
* drehbares Glasprisma mit Postbefestigung
* weißes A4-Blatt Papier

;Versuchsaufbau

[[Datei:PL Optik Versuchsaufbau sichtbares Licht Spektrum.png|Beschreibung|350px|thumb|right|Versuch: weißes Licht in seine Spektralfarben zerlegen.]]

# Klemme die Taschenlampe mit der Stativklemme auf den linken Reiter ein.
# Rechts daneben kommt der Spalt in den Reiter, daneben die Linse und nach ganz rechts das Glasprisma (siehe Versuchsaufbau rechts).
# Achte darauf, dass der Abstand zwischen Spalt und Linse (f=150 mm) ungefähr der Brennweite der Linse entspricht, d.h. '''ca. 15 cm'''! Der Abstand zwischen Linse und Prisma ist nicht entscheidend.
# Justiere das Prisma so, dass der spaltgroße Lichtstrahl gerade auf eine Kante des Prismas trifft.
# Überprüfe mit dem weißen Blatt Papier, ob das Lichtspektrum sichtbar wird. Falls nicht, justiere das Prisma leicht in eine Richtung und versuche, das Spektrum sichtbar zu machen.
# Lege das Blatt Papier und die zweite Linse (f=300 mm) neben den Versuchsaufbau.

'''Hinweis:''' Achte beim Aufbau dieses Versuchs am Stationstisch darauf, wo genau das Spektrum sichtbar wird. Achte darauf, dass niemand von den SuS geblendet wird und die SuS an den anderen Stationen nicht davon gestört werden!

<br>
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<br>

=Aufbauanleitung Station: Regenbogen =
Zum Moodle Kurs „Optik, Klasse 7“
<br>
== Versuch: Regentropfen Modell==
[[Datei:Regentropfenmodell.jpg|Beschreibung|250px|thumb|right|Versuchsaufbau zum Regentropfenmodell.]]
[[Datei:Regentropfenmodell von oben.jpg|Beschreibung|250px|thumb|right|Versuchsaufbau zum Regentropfenmodell von oben(Strahlengang).]]
;Materialien
* optische Bank (75 cm- oder 1 m-Länge)
* 3 hohe Reiter
* Stativklemme
* schwarze, sehr helle Taschenlampe
* Spalt
* Linse mit f=150 mm
* Wasserglas dünnwandig (Küche) halb mit Wasser gefüllt
* Erhöhung für das Wasserglas
* weißes A4-Blatt Papier

;Versuchsaufbau
# Klemme die Taschenlampe mit der Stativklemme auf den linken Reiter ein.
# Rechts daneben kommt der Spalt in den Reiter, daneben die Linse (siehe Versuchsaufbau rechts).
# Achte darauf, dass der Abstand zwischen Spalt und Linse (f=150 mm) ungefähr der Brennweite der Linse entspricht, d.h. '''ca. 15 cm'''! Der Abstand zwischen Linse und Glas ist nicht entscheidend.
# Justiere das Wasserglas so, dass der spaltgroße Lichtstrahl recht weit außen darauf trifft. (siehe Strahlengangskizze)
# Überprüfe mit dem weißen Blatt Papier, ob das Lichtspektrum sichtbar wird. Falls nicht, justiere das Wasserglas leicht in eine Richtung und versuche, das Spektrum sichtbar zu machen.
# Lege das Blatt Papier neben den Versuchsaufbau.
'''Hinweis:''' Achte beim Aufbau dieses Versuchs am Stationstisch darauf, wo genau das Spektrum sichtbar wird. Achte darauf, dass niemand von den SuS geblendet wird und dass es bei den anderen Stationen nicht stört!
'''Hinweis:''' Achtet beim Ausrichten auf den Strahlengang (Foto)
<br>

== Versuch: Regenwand ==
[[Datei:Material, Modell-Regenwand.jpg|Beschreibung|250px|thumb|right|Materialien zum Regenwand-Modell.]]
;Materialien
* Schwarzer Karton beklebt mit Glaskügelchen
* schwarze, sehr helle Taschenlampe

;Versuchsaufbau
#lege das Material auf den Versuchstisch

<br>
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= Aufbauanleitung Station: Spektroskopie =
Zum Moodle Kurs „Optik, Klasse 7“
<br>

== Versuch: optisches Gitter ==
[[Datei:OptischesGitter-Versuchsaufbau.jpg|Beschreibung|250px|thumb|right|Versuchsaufbau zum optischen Gitter.]]
;Materialien
* optische Bank (75 cm- oder 1 m-Länge)
* 4 hohe Reiter
* Stativklemme
* helle Taschenlampe
* Spalt
* Linse mit f=150 mm
* optisches Gitter mit Postbefestigung
* weißes A4-Blatt Papier

;Versuchsaufbau
# Klemme die Taschenlampe mit der Stativklemme auf den linken Reiter ein.
# Rechts daneben kommt der Spalt in den Reiter, daneben die Linse und nach ganz rechts das Gitter (siehe Versuchsaufbau).
# Achte darauf, dass der Abstand zwischen Spalt und Linse (f=150 mm) ungefähr der Brennweite der Linse entspricht, d.h. '''ca. 15 cm'''! Der Abstand zwischen Linse und Gitter ist nicht entscheidend.
# Justiere das Gitter so, dass der spaltgroße Lichtstrahl das optische Gitter trifft, und anschließend schräg abgelenkt wird.
# Überprüfe mit dem weißen Blatt Papier, ob das Lichtspektrum sichtbar wird. Falls nicht, justiere das Gitter leicht in eine Richtung und versuche, das Spektrum sichtbar zu machen.
# Lege das Blatt Papier neben den Versuchsaufbau.

'''Hinweis:''' Achte beim Aufbau dieses Versuchs am Stationstisch darauf, wo genau das Spektrum sichtbar wird. Achte darauf, dass niemand von den SuS geblendet wird und dass es bei den anderen Stationen nicht stört!

<br>

==Versuch: Lichtquellen untersuchen==

;Materialien
* Lichttisch
* Eine Optik Bank mit einem Reiter
* Eine Spektrallampenhalterung mit passender Spannungsquelle und Kaltgerätekabel
* Eine Natriumdampflampe

;Versuchsaufbau
#Die Spektrallampe in die Halterung drehen.
#an das Spannungsgerät anschließen
#Das Spannungsgerät an Strom anschließen
#Den Licht Tisch ebenfalls an Strom anschließen
#Sichergehen, dass die relevanten Lichtquellen beschriftet sind

= Aufbauanleitung Station: Lichtleiter =
Zum Moodle Kurs „Optik, Klasse 7“
<br>

== Versuch: Glasfaser Teil 1==
[[Datei:Glasfaserversuch.jpg|Beschreibung|250px|thumb|right|Versuchsdurchführung des ersten Versuchs zum Lichtleiter.]]
;Materialien
*Glasfaserstab
*Laserpointer

;Versuchsaufbau
*lege das Material au den Veruchstisch

<br>

==Versuch: Glasfaser Teil 2==
;Materialien
*Glasfaserkabel (dünn)
*2 Laserpointer
*Sichtschutz
*Morsealphabet, Arbeitsblatt

;Versuchsaufbau
#Stelle den Sichtschutz auf
#platziere das Glasfaserkabel so darum, dass die SuS sich zu Morsen können, ohne sich dabei zu sehen.
#Lege die Laserpointer jeweils an ein Ende der Glasfaser

<br>
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<br>

= Aufbauanleitung Station 10: Das räumliche Sehen =

Es wird die Mappe mit den laminierten Blättern (2 Stationsschilder, 3x Rot-Cyan-Bilder) benötigt.

<br>

== Versuch 1: Der springende Daumen ==

[[Datei:PL Optik Springender Daumen.jpg|Beschreibung|200px|thumb|right|Versuch Springender Daumen]]

;Materialien

* eine Blume im Blumentopf (z.B. die Blume im Bild rechts)

;Versuchsaufbau

* Stelle die Blume im Blumentopf auf den Stationstisch.

<br>

== Versuch 2: Ein Loch in der Hand ==

[[Datei:PL Optik Versuch Ein Loch in der Hand.png|Beschreibung|200px|thumb|right|Versuch Ein Loch in der Hand]]
;Materialien

* Ein weißes Blatt Papier (aus dem Druckerraum)

;Versuchsaufbau

* Lege das weiße Blatt Papier auf den Stationstisch.

<br>

== Versuch 3: Rot-Cyan-Brille ==

[[Datei:PL Optik Rot Cyan Brille.png|Beschreibung|200px|thumb|right|Rot-Cyan-Brille]]

;Materialien

* Box mit der Aufschrift „3D-Brillen (Rot-Cyan, Rot-Grün)"

;Versuchsaufbau

* Lege die Box mit den 3D-Brillen auf den Stationstisch.

<br>

== Versuch 4: 3D-Bilder selbst erstellen ==

;Materialien

* Box mit der Aufschrift „Playmobil Tierhof"
* wenn möglich: ein zweites iPad (nicht das iPad, welches die SuS sowieso für diese Station verwenden)

;Versuchsaufbau

* Lege die Box mit dem Playmobil Tierhof auf den Stationstisch.

'''Aufgabe an die Betreuer oder einen Doktoranden:'''
Die SuS sollen ihre 3D-Bilder und eine 3D-Brille am Ende des Tages mit nach Hause nehmen können.
Gehe dafür folgendermaßen vor:

# Nehme dir das Tablet, das für die Station 10: Das räumliche Sehen zugeteilt ist.
# Gehe in den Dateiordner „MakeIt3D" des Tablets.
# Schicke dir alle an diesem Tag erstellten 3D-Bilder zu, z.B. per Mail.
# Drucke alle 3D-Bilder vom Computer oder von einem USB-Stick aus. Drucke '''jedes Bild 3-mal''' aus (damit jeder der SuS ein Bild erhält)!
# Teile am Ende des Tages im Schülerlabor jedem der SuS eine 3D-Brille und ein 3D-Bild aus!

EXP:Spektralzerlegung am Prisma

2025-10-16T09:38:37Z

Admin: 20 Versionen importiert

[[Kategorie:Optik]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

Mit diesem Experiment soll gezeigt werden, dass sich weißes Licht mit einem Prisma bzw. einem Gitter in seine Spektralfarben zerlegen lässt.

__INHALTSVERZEICHNIS__

= Theoretische Zusammenfassung =

Welche physikalische Theorie steckt hinter dem Versuch. Gerne so genau wie möglich und so ausführlich wie nötig.

= Didaktischer Rahmen =

== Fachdidaktische Zielsetzung ==

Mit diesem Experiment soll die Schülervorstellung, dass Licht entweder farblos ist oder genau eine Farbe besitzt, konfrontiert werden.

== Nötige Vorkenntnisse ==

Aus dem Themengebiet der Optik müssen die SuS den Sehvorgang (Licht muss in das Auge fallen um sehen zu können) beschreiben können und das Lichtstrahlenmodell verstanden haben. Ihnen muss aus den Stunden davor der Begriff Lichtbrechung bekannt sein. Ebenfalls muss die Aufgabe einer Loch- bzw. Strichblende zum Ausblenden von Lichtbündeln bekannt sein.

== Mögliche Schülerschwierigkeiten ==

* Um den entstandenen Regenbogen gut sehen zu können muss das Klassenzimmer abgedunkelt werden. Auch der Strahlenverlauf im Prisma ist so gut zu erkennen. Leider ist im dunklen Klassenzimmer das Prisma selbst nicht mehr zu erkennen. Es bietet sich daher an eine Handlampe zu Verfügung zu haben.

* Der Strahlengang innerhalb des Prismas ist trotz abgedunkeltem Klassenraum nur sehr schwach zu erkennen. Um diesen allen SuS zeigen zu können sollte eine Kamera eingesetzt werden.

* Die SuS betrachten das Experiment von der Seite während der Strahlenverlauf von oben betrachtet werden sollte. Es bietet sich daher an für das Experiment entweder die Haftoptik für die Tafel zu
verwenden oder zur Demonstration eine Kamera zu verwenden, die das Experiment von oben filmt.

== Schülervorstellungen, die hier relevant werden ==

Die hier zentrale Schülervorstellung ist, dass Licht entweder genau eine Farbe besitzt (<q> Das Sonnenlicht ist gelb.</q>) oder gar keine Farbe besitzt. Unter dem Alltagsbegriff <q>Licht</q> als solches wird häufig etwas <q>farbloses</q>, <q>helles</q> und <q>durchsichtiges</q> beschrieben. Spricht man mit den Schülerinnen und Schülern (SuS) jedoch über Sonnenlicht so haben Sie die Vorstellung, dass dieses die Farbe <q>Gelb</q> besitzt. Denn im Kindergarten, der Grundschule und im Alltag werden Sonnenstrahlen stets gelb gemalt. Aus diesen Gründen erscheint es den SuS meist als unglaubwürdig, dass <q>durchsichtiges</q> Licht mit einem
Prisma in verschiedene Lichtfarben aufgespalten werden kann. Auch bei der Verwendung von Farbfiltern taucht dieses Problem auf. Sie SuS gehen dabei eher von einer
<q>Einfärbung</q> des Lichts aus als von einem Filtervorgang. <ref>H. Schecker, T. Wilhelm, M. Hopf, R. Duit (Hrsg.) (2018). Schülervorstellungen und Physikunterricht. Ein Lehrbuch für Studium, Referendariat und Unterrichtspraxis. Berlin: Springer-Verlag GmbH. S. 107 f.</ref>

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Spektralzerlegung.jpg|Beschreibung|1499px|thumb|center|Versuchsaufbau zur Spektralzerlegung von weißem Licht mit einem Prisma.]]
</div>
<div class="large-5 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 7/8
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Optik
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| Abschnitt 3.2.2 (12)
|-
|}
</div>
</div>

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==

* Experimentierleuchte mit passender [[HW:Labornetzgerät_PeakTech_6226|Gleichspannungsquelle]]
* Kondensorlinse für die Experimentierleuchte
* Prisma mit Halterung
* Einstellbarer Einzelspalt
* Abbildungslinse
* Schirm
* Optische Bank mit Reitern
* Bananenkabel
* Stativmaterial

== Versuchsaufbau ==

<div class="row">
<div class="large-8 columns">

; Schritt 1: Zunächst wird die Experimentierleuchte mit einem Reiter am linken Rand der Optischen Bank befestigt.
; Schritt 2: Die Kondensorlinse ist meist bereits auf der Experimentierleuchte angebracht. Durch das Verstellen des Abstandes der Halogenlampe innerhalb der Experimentierleuchte kann das Lichtbündel möglichst kollimiert eingestellt werden.
; Schritt 3: Der Einzelspalt wird nun direkt vor die Kolimatorlinse gestellt. Dieser sollte so vollständig ausgeleuchtet werden.
; Schritt 4: Mithilfe der Abbildungslinse wird nun der beleuchtete Einzelspalt scharf auf einen Schirm abgebildet.
; Schritt 5: Nun wird das Prisma in den Strahlengang zwischen den Einzelspalt und den Schirm so positioniert, sodass der Lichtstrahl innerhalb des Prismas möglichst parallel zu einer der Grenzschichten verläuft.
; Schritt 6: Der Schirm muss nun natürlich mit dem Drehpunkt in der Mitte des Prismas so in einer Kreisbahn bewegt werden, bis der Regenbogen darauf zu erkennen ist.

</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:EXP_Optik_Spektralzerlegung_Versuchsaufbau.png|600px|thumb|right||Schematischer Versuchsaufbau zur Spektralzerlegung von weißem Licht mithilfe eines Prismas.]]
</div>
</div>

== Versuchsdurchführung ==

Die Experimentierleuchte muss nun eingeschaltet werden. Die Breite des Einzelspalts, der Abstand des Schirms und die Position der Linse können optimiert werden.

== Auswertung ==

<div class="row">
<div class="large-4 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Spektralzerlegung_Ergebnis.jpg|600px|thumb|right||Schematischer Versuchsaufbau zur Spektralzerlegung von weißem Licht mithilfe eines Prismas.]]
</div>
<div class="large-4 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Spektralzerlegung_Regenbogen.jpg|600px|thumb|right||Regenbogen an der Wand]]
</div>
<div class="large-4 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Spektralzerlegung_Regenbogen_klein.JPG|200px|thumb|right||Regenbogen an der Wand]]
</div>
</div>



== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==

* Es muss darauf geachtet werden, dass eine Experimentierleuchte verwendet wird, dessen Licht das volle sichtbare Spektrum enthält.
* In dem die Breite des Einzelspaltes verringert wird wird der Regenbogen deutlicher sichtbar, dafür wird sie auch lichtschwächer.
* Mit zunehmendem Abstand des Schirms vom Prisma kann der Regenbogen vergrößert werden, dadurch wird er aber auch lichtschwächer.
* Ist auf dem Schirm ein weißer Balken in der Mitte des Regenbogens zu erkennen, so ist der Einzelspalt zu breit gewählt worden.
* Ist der Regenbogen zu einer Seite hin gekrümmt, so durchläuft das Licht die beiden Linsen nicht mittig.

== Sicherheitshinweise ==

* Die Experimentierleuchte wird mit der Zeit sehr heiß. Es besteht Verbrennungsgefahr.
* [[BA:Elektrische_Geräte,_Anlagen_und_Leitungen|Verwendung elektrischer Geräte]]

= Fotos =

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Spektralzerlegung.jpg|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Versuchsaufbau zur Spektralzerlegung von weißem Licht mit einem Prisma.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Spektralzerlegung.jpg|slide 2]]
<div class="orbit-caption">
Versuchsaufbau zur Spektralzerlegung von weißem Licht mit einem Prisma.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Spektralzerlegung_Ergebnis.jpg|slide 3]]
<div class="orbit-caption">
Schematischer Versuchsaufbau zur Spektralzerlegung von weißem Licht mithilfe eines Prismas.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Spektralzerlegung_Regenbogen.jpg|slide 4]]
<div class="orbit-caption">
EinRegenbogen auf dem Schirm.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Spektralzerlegung_Regenbogen_klein.JPG|slide 5]]
<div class="orbit-caption">
Ein Regenbogen auf dem Schirm.
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

= Literatur =
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

EXP:Sonnenuntergang

2025-10-16T09:38:23Z

Admin: 14 Versionen importiert

[[Kategorie:Optik]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

Mit diesem Experiment kann der Sonnenuntergang beobachtet werden. Innerhalb weniger Minuten geht dann im Klassenzimmer die Sonne unter.
[https://didaktik.pi5.physik.uni-stuttgart.de/w/pud_aux/Sonnenuntergang.mp4 Hier kann man sich das Video dazu anschauen.]

__INHALTSVERZEICHNIS__

= Theoretische Zusammenfassung =

Gibt man in eine wässrige Natriumthiosulfat-Lösung etwas Salzsäure hinzu, fällt nach kurzer Zeit Schwefel aus, welcher eine weißliche, gelbliche Trübung der Lösung bewirkt. Das Schöne an diesem Versuch ist, dass während der Reaktion mit zunehmender Trübung zuerst kurzwelliges Licht und später immer langwelligeres Licht gestreut wird. Dies kann man mit verschiedenen Lasern direkt messen, wenn beispielsweise die Transmission gemessen wird. Mit einer weißen Lampe kann auch direkt beobachtet werden, wie blaues Licht zuerst gestreut wird und sich das transmittierte Licht rötlich verfärbt. Mit den unten angegebenen Konzentrationen findet die Trübung in etwa 2 min vollständig statt.

Reaktionsgleichung:

<math>Na_2S_2O_3 + 2 HCl \rightarrow 2 NaCl + H_2O + S + SO_2</math>

= Didaktischer Rahmen =

== Fachdidaktische Zielsetzung ==

Mit diesem Experiment soll den Sch¨ulerinnen und Sch¨ulern (SuS) die Physik hinter einem Alltagsph¨anomen n¨aher gebracht werden. Es soll außerdem ein nachhaltiger Eindruck entstehen.

== Nötige Vorkenntnisse ==

Die SuS sollten für diesen Versuch das Strahlenmodell des Lichts kennen. Sie sollten außerdem verstanden haben, dass das weiße Licht aus verschiedenen Farben besteht. Der Sehvorgang sollte besprochen worden
sein.

== Mögliche Schülerschwierigkeiten ==

* Das Experiment läuft recht schnell ab und ist dafür recht aufwenig in der Vorbereitung. Es bietet sich daher an ein Video von dem Experiment zu machen, damit es jeder Zeit wiederholt werden kann.

== Schülervorstellungen, die hier relevant werden ==

Eine hier wichtige Schülervorstellung ist die Annahme, dass Licht farblos, durchsichtig und hell ist<ref>H. Schecker, T. Wilhelm, M. Hopf, R. Duit (Hrsg.) (2018). Schülervorstellungen und Physikunterricht. Ein Lehrbuch für Studium, Referendariat und Unterrichtspraxis. Berlin: Springer-Verlag GmbH. S. 94</ref>. Wurde in einer Stunde davor die spektrale Zerlegung von weißem Licht bereits gezeigt so hilft das hier.

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Sonnenuntergang_Versuchsaufbau.jpg|Beschreibung|1499px|thumb|center|Versuchsaufbau zur Beobachtung eines nachgestellten Sonnenuntergangs.]]
</div>
<div class="large-5 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 7/8
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Optik
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| Abschnitt 3.2.2 (7)
|-
|}
</div>
</div>

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==

* 10 g Natriumthiosulfat-Pentahydrat (<math>Na_2S_2O_3\cdot 5 H_2O</math>)
* 29 ml HCl-Lösung (<math>HCl_{aq}</math>10%)
* 1,5 l Wasser
* rechteckiges Glasgefäß
* Pipette (20 ml) mit Peleusball
* Messzylinder (50 ml)
* Becherglas (50 ml)
* Digitalwaage
* Spatel
* Experimentierleuchte mit Netzgerät und Kolimatorlinse
* Labor Hebebühne
* Weißer Schirm
* Stativmaterial
* Lochplatte
* Magnetrührer

== Versuchsaufbau ==

; Schritt 1: Zunächst werden der Schirm und die Experimentierleuchte auf der Lochplatte befestigt. Mithilfe der Kolimatorlinse soll ein möglichst kolimierter Strahl entstehen.
; Schritt 2: In einem Becherglas werden die 10 g Natriumthiosulfat abgewogen. In einen Messzylinder werden 29 ml der HCl-Lösung mithilfe einer Pipette abgemessen.
; Schritt 3: Mithilfe eines Magnetrührers werden die 10 g Natriumthiosulfat in etwas Wasser gelöst.
; Schirtt 4: Das Glasgefäß wird mit 1,5 l Wasser gefüllt und das gelöste Natriumthiosulfat hinein gegeben.
; Schritt 5: Das Glasgefäß wird dann zwischen die Leuchte und den Schirm gestellt. Der Strahl der Leuchte sollte mittig durch das Gefäß leuchten. Gegebenenfalls muss die Höhe der einzelnen Komponenten angepasst werden.

== Versuchsdurchführung ==

Um das Experiment zu starten muss nun die Salzsäure in das Glasgefäß gegeben werden und kurz umgerührt werden. Ein Durchlauf dauert zwischen 2 und 3 Minuten.

== Auswertung ==

Nachdem die Salzsäure hinzugefügt wurde werden in einem Abstand von 30 Sekunden Fotos gemacht. Diese sind hier zu sehen. Über den Verlauf der Aufnahme ist zu erkennen, dass das anfangs weiße Licht, immer rötlicher wird und am Schluss ganz verschwindet. Gleichzeitig ändert sich die Lösung von zuerst durchsichtig, über einen bläulichen Schein, zu einer bläulichen, milchigen Flüssigkeit. Die blaue Farbe kommt dabei durch die stärkere Streuung von blauem Licht zustande.

Das Experiment wurde über eine Zeit von ungefähr vier Minuten aufgenommen. Die zweite Abbildung zeigt die ausgelesenen Daten des Spektrometers. Die Kurven wurden in Abhängigkeit des aufgenommenen Zeitpunkts.

[https://didaktik.pi5.physik.uni-stuttgart.de/w/pud_aux/Sonnenuntergang.mp4 Hier kann man sich das Video dazu anschauen.]

<div class="row">
<div class="large-6 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Sonnenuntergang_Zeitaufnahme.jpg|Beschreibung|1499px|thumb|center|Zeitlicher Verlauf.]]
</div>
<div class="large-6 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Sonnenuntergang_Zeitaufnahme_Spketrometer.jpg|Beschreibung|1499px|thumb|center|Zeitlicher Verlauf des Spektrums aufgenommen mit einem USB-Spektrometer.]]
</div>
</div>



= Fotos =

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Sonnenuntergang_Versuchsaufbau.jpg|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Versuchsaufbau zur Beobachtung eines nachgestellten Sonnenuntergangs.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Sonnenuntergang_Zeitaufnahme.jpg|slide 2]
<div class="orbit-caption">
Zeitlicher Verlauf.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Sonnenuntergang_Zeitaufnahme_Spketrometer.jpg|slide 3]]
<div class="orbit-caption">
Zeitlicher Verlauf des Spektrums aufgenommen mit einem USB-Spektrometer.
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

= Literatur =
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

EXP:Entstehung der Mondphasen

2025-10-16T09:38:22Z

Admin: 31 Versionen importiert

[[Kategorie:Optik]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

Mit diesem Experiment soll zunächst die Entstehung der acht Mondphasen und danach die Entstehung von Mond- und Sonnenfinsternis gezeigt werden. Um die Mondphasen aus der Perspektive der Erde noch besser beobachten zu können kann in die Erde selbst eine Kamera eingebaut werden. Dies wurde [[BP:Mondphasen|hier]] umgesetzt.

__INHALTSVERZEICHNIS__

= Theoretische Zusammenfassung =

Innerhalb eines Zyklus von 29,53 Tagen umrundet der Mond die Erde. Dabei wird der Mond von der Sonne beleuchtet. Von der Erde aus betrachtet nehmen wir diese Beleuchtung je nach den Positionen von Sonne, Mond und Erde anders wahr. Diese unterschiedliche Wahrnehmung lässt sich innerhalb des gesamten Zyklus in 8 sogenannte <q>Mondphasen</q> unterteilen.

Dabei wird die erste Mondphase als <q>Neumond</q> bezeichnet. Dabei steht der Mond zwischen der Sonne und der Erde. In der fünften Phase steht dann der Mond hinter der Erde und wird dabei von der Sonne bestrahlt. Diese Phase wird <q>Vollmond</q> genannt. In den Positionen 2, 3 und 4 befinden sich dann nacheinander der zunehmende Sichelmond, Halbmond und Dreiviertelmond. Und in den Positionen 6, 7 und 8 dann analog der abnehmende Dreiviertelmond, Halbmond und Sichelmond.

Um eine Mondfinsternis zu erreichen muss sich der Mond von der Sonne aus gesehen hinter der Erde im Schatten der Erde befinden. Dies findet zur Mondphase des Vollmondes statt. Da es sich bei der Sonne im Vergleich zur Erde und zum Mond um eine ausgedehnte Lichtquelle handelt kann sich der Mond sowohl im Kern- als auch im Halbschattenschaum der Erde befinden.

Bei der Sonnenfinsternis befindet sich der Mond zwischen der Sonne und der Erde. Er befindet sich also in der Neumond-Phase. Der Schatten den Mondes fällt dann auf die Erdoberfläche. Auch hier ist auf der Erdoberfläche ein Kern- und ein Halbschattenbild zu erkennen.

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP Optik Monphasen Versuchsaufbau.jpg|Beschreibung|1499px|thumb|center|Versuchsaufbau zur Demonstration der Entstehung der Mondphasen.]]
</div>
<div class="large-5 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 7/8
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Optik
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| Abschnitt 3.2.2 (6)
|-
|}
</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP Optik Entstehung Mondphasen.png|Beschreibung|1499px|thumb|center|Schematische Darstellung zur Entstehung der Mondphasen.]]
</div>
</div>

= Didaktischer Rahmen =

== Fachdidaktische Zielsetzung ==

Die Phänomene, die so in der Natur beobachtet werden können sollen hier noch einmal gezeigt werden. Anhand der Experimente können die Phänomene dann genauer untersucht werden.

== Nötige Vorkenntnisse ==

Aus dem Themengebiet der Optik müssen die SuS den Sehvorgang beschreiben können und das Lichtstrahlenmodell verstanden haben. Ihnen müssen aus den Stunden davor die Begriffe <q>Schattenraum</q>, <q>Schattenbild</q>, <q>Kernschatten</q> und <q>Halbschatten</q> bekannt sein. Die Konstruktion von Schattenräumen und Schattenbildern mithilfe des Lichtstrahlenmodells muss verstanden worden sein.

== Mögliche Schülerschwierigkeiten ==

* Die größte Schwierigkeit für die Sch¨ulerinnen und Schüler (SuS) wird es hier sein sich die Situation räumlich vorstellen zu können. Dabei kann eine Simulation, Bilder oder ein größeres Demonstrationsexperiment helfen.
* Die einzelnen Mondphasen lassen sich außerdem nur aus der richtigen Perspektive korrekt beobachten. Die SuS sollten deshalb die Möglichkeit besitzen um das Experiment herum zu laufen. Alternativ kann eine Kamera verwendet werden um den richtigen Blickwinkel zeigen zu können.
* Da es im Klassenzimmer nie ganz dunkel sein wird und Licht von anderen Gegenständen gestreut wird, sind die Kanten der Mondphasen auf der Mondkugel nicht scharf zu erkennen. Diese müssen deutlich hervorgehoben werden.

== Schülervorstellungen, die hier relevant werden ==

Eine der hier zentralen Vorstellungen ist die des sog. aktiven Auges. Dabei gehen die Schülerinnen und Schüler davon aus, dass man auch ohne Lichtquelle etwas sehen kann. Sie gehen davon aus, dass nur das Auge alleine für das Sehen verantwortlich ist. Es muss deshalb auf eine korrekte Formulierung des Sehvorgangs und der Beobachtungen geachtet werden <ref>H. Schecker, T. Wilhelm, M. Hopf, R. Duit (Hrsg.) (2018). Schülervorstellungen und Physikunterricht. Ein Lehrbuch für Studium, Referendariat und Unterrichtspraxis. Berlin: Springer-Verlag GmbH. S. 92 f.</ref>.

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==

* Erdkugelmodell (hier mit einem Durchmesser von 10,67 cm)
* Kleine Kugel als Mond (hier mit einem Durchmesser von 3 cm)
* 2 Experimentierleuchten mit Netzgerät bzw. eine ausgedehnte Lichtquelle
* Schirm
* Stativmaterial

'''Hinweise:'''
* Erddurchmesser: 12 742 km. Das entspricht bei einem Durchmesser des Kugelmodels von 10,67 cm einem Maßstab von <math>1 : 8,374\cdot 10^{-9}</math>. Damit muss das Mondmodell mit einem Monddurchmesser von 3 474,2 km einen Durchmesser von 2,91 cm haben.
* Um im Verhältnis den korrekten Abstand zwischen Erde und Mond einhalten zu können müssten Erde und Mond hier einen Abstand von 3,22 m von einander haben.
* Die Sonne hätte im Vergleich einen Durchmesser von 11,66 m und einen mittleren Abstand zur Erde von 1,253 km.

== Versuchsaufbau ==

; Schritt 1 : Für einen homogenen Hintergrund können schwarze Tücher aufgehängt bzw. ausgelegt werden.

; Schritt 2 : Schraube die erste Stativstange in den Standfuß. Befestige daran mit einer Doppelmuffe die zweite Stativstange, an welcher der Befestigungshaken für den Mond montiert ist.

; Schritt 3 : Positioniere die Erde neben dem Standfuß.

; Schritt 4 : Platziere die <q>Sonne</q> in angemessenem Abstand zur Erde (hier: ca. 1 m). Achte darauf, das hinter der Erde ein Kern- und ein Halbschatten erkannbar sind.

; Schritt 5 : Hänge den Mond an dem Haken auf. Achte darauf, dass er sich in einer Höhe befindet, in welcher er sich zunächst nie im (Kern-)Schatten der Erde befindet.

; Schritt 6 : Für die Demonstration des Zustandekommens von Mond- und Sonnenfinsternissen, wird der Mond soweit abgesenkt, dass er sich hinter der Erde im Kernschatten befindet, bzw. vor der Erde einen klar erkannbaren Schatten auf diese wirft.

; Schritt 7 : Um den Kernschatten der Erde sichtbar zu machen, kann ein Schirm hinter der Erde platziert werden.

== Versuchsdurchführung ==

Um die einzelnen Mondphasen zeigen zu können muss nun nur die Position der Mondkugel verändert werden.

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

== Auswertung ==

=== Entstehung der Mondphasen ===

Der Mond leuchtet nicht von selbst, sondern wird von der Sonne angestrahlt. Dabei trifft das Sonnenlicht nur auf die der Sonne zugewandte Hälfte. Von der Erde aus betrachtet sieht es jedoch so aus, als sei vom Mond im Laufe eines Monats unterschiedlich viel beleuchtet. Diese verschiedenen Mondphasen ergeben sich daraus, dass wir den Mond in dieser Zeit aus unterschiedlichen Richtungen betrachten, weil er um die Erde kreist. In der Abbildung sind die acht beobachteten Mondphasen dargestellt.

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP Optik Mondphasen.jpg|Beschreibung|1499px|thumb|center|Mondphasen]]
</div>
</div>

=== Entstehung von Sonnen- bzw. Mondfinsternis ===

Während einer Sonnenfinsternis befindet sich der Mond relativ zur Erde gesehen in der Neumond-Phase. An dieser Stelle besteht die Chance, dass sich der Mond zwischen Sonne und Erde befindet und einen Schatten auf die Erde wirft. Wird die Sonne von der Erde aus betrachtet vollständig vom Mond verdeckt (Kernschatten), nennt man dies eine totale Sonnenfinsternis. Wird dagegen nur ein Teil verdeckt (Halbschatten), bezeichnet
man das Ereignis als partielle Sonnenfinsternis. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Bei einer Mondfinsternis befindet sich der Mond in der Vollmond-Phase. An dieser Stelle kann er in den Schatten der Erde wandern. Auch hier unterscheidet man zwischen einer totalen und einer partiellen Mondfinsternis. Bei einer totalen Finsternis befindet sich der Mond vollständig im Kernschatten der Erde (vgl. Abbildung rechts). Während einer partiellen Mondfinsternis befindet sich dagegen nur ein Teil des Mondes im Kernschatten (vgl. Abbildung links).

<div class="row">
<div class="large-6 columns>
[[Datei:EXP Optik Sonnenfinsternis.jpg|Beschreibung|600px|thumb|center|Demonstration der Sonnenfinsternis.]]
</div>
<div class="large-6 columns>
[[Datei:EXP Optik Mondfinsternis.jpeg|Beschreibung|600px|thumb|center|Demonstration der Mondfinsternis.]]
</div>
</div>

== Fehlerabschätzung ==

* Ein Abdunkeln des Raumes ermöglicht eine bessere Sichtarkeit von Licht und Schatten.
* Breite der <q>Sonne</q> verringert die Sichtbarkeit von Halb- und Kernschatten, macht bis zu einem gewissen Grad die Sichtbarkeit aber auch erst möglich.
* Schülerinnen und Schüler sollten darauf aufmerksam gemacht werden, dass die Abstände in dem Modell nicht maßstabsgetreu sind.



== Sicherheitshinweise ==

* Verbrennungsgefahr durch die beiden verwendeten Experimentierleuchten. Diese werden nach einiger Zeit extrem heiß.
* Gefahr durch herabfallende Experimentiergegenstände.

= Fotos =

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:EXP Optik Monphasen Versuchsaufbau.jpg|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Versuchsaufbau zur Demonstration der Entstehung der Mondphasen.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Optik Entstehung Mondphasen.png|slide 2]]
<div class="orbit-caption">
Schematische Darstellung zur Entstehung der Mondphasen.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Optik Mondphasen.jpg|slide 3]]
<div class="orbit-caption">
Mondphasen
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Optik Sonnenfinsternis.jpg|slide 4]]
<div class="orbit-caption">
Demonstration der Sonnenfinsternis.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Optik Mondfinsternis.jpeg|slide 5]]
<div class="orbit-caption">
Demonstration der Mondfinsternis.
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

= Literatur =
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

EXP:Talbot-Effekt und Nahfeld

2025-10-16T09:38:20Z

Admin: 43 Versionen importiert

[[Kategorie:Optik]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>
Das physikalische Ziel des Experiments ist es, den Übergang vom Nah- zum Fernfeld verschiedener Beugungsobjekte zu beobachten und mit einer Kamera auszuwerten.

__INHALTSVERZEICHNIS__
</div>
<div class="large-5 columns>

{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 11/12
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Leistungskurs
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| Wellenoptik, Interferenz
|-
|}<br>

</div>
</div>
= Theoretische Zusammenfassung =

[[Datei:EXP Talbot-Effekt und Nahfeld Talbot-Teppich1.png|mini|Abbildung 1: Der Talbot-Effekt dargestellt anhand des Talbot-Teppichs, welcher durch Auftragen der Helligkeitsverteilung gegenüber der Entfernung vom Beugungsobjekt (hier ein Vierfachspalt) entsteht <ref>https://en.wikipedia.org/wiki/Talbot_effect</ref>.]]

Der Talbot-Effekt tritt im Nahfeld einer Beugung an einem Beugungsgitter oder einem Mehrfachspalt auf. Die Helligkeitsverteilung entspricht bei Vielfachen der Talbot-Länge <math>L_T</math> der Abbildung des Beugungsobjekts. Bei einer Entfernung von einer halben Talbot-Länge kann eine Abbildung des Beugungsobjekts beobachtet werden, welche um eine halbe Periode verschoben ist. Auch bei Bruchteilen der Talbot-Länge sind Abbildung des Beugungsobjekts zu erkennen, welche allerdings eine geringere Periode aufweisen. So ist die Periode der Abbildung bei einer viertel Talbot-Länge halb so hoch, wodurch doppelt so viele Spalten zu erkennen sind. Wird die Helligkeitsverteilung im Nahfeld gegen die Entfernung aufgetragen, erhält man einen sog. Talbot-Teppich, welcher in Abbildung 1 dargestellt ist.<br>

Die Talbot-Länge kann, wenn die Wellenlänge <math>\lambda</math> klein gegenüber dem Gitterabstand <math>d</math> ist, durch die Formel

:<math>
L_T=\frac{2d^2}{\lambda}
</math>

berechnet werden. Der allgemeingültige Ausdruck lautet:

:<math>
L_T=\frac{\lambda}{1-\sqrt{\frac{1-\lambda^2}{d^2}}}
</math>

= Didaktischer Rahmen =

== Fachdidaktische Zielsetzung ==

Aus dem Physikunterricht in der Oberstufe kennen Schüler und Schülerinnen (SuS) nur das Interferenzbild nach einem Doppelspalt, Dreifachspalt, Gitter, ... im Fernfeld. Mit diesem Experiment soll ihnen gezeigt werden, wie sich das Beugungsbild im, für sie bisher unbekannten, Nahfeld verhält. Dabei geht es primär darum, die Unterschiede zwischen Nah- und Fernfeld aufzuzeigen. Die Behandlung des Talbot-Effekts dient der Veranschaulichung der Periodizität im Nahfeld. Das Ziel dieses Versuchs ist es aber keineswegs das Zustandekommen des Interferenzbilds im Nahfeld vollständig zu verstehen.
Das Experiment kann theoretisch sowohl als Schülerversuch als auch als Demonstrationsexperiment durchgeführt werden. Auf Grund von Materialanforderungen, sowie der Aufbau- und Durchführungszeit eignet es sich aber besser als Demonstrationsexperiment an einem vorbereiteten Aufbau.

== Nötige Vorkenntnisse ==

Sinnvollerweise wird dieses Experiment nach der Behandlung von Interferenzbildern im Fernfeld durchgeführt. Die SuS, sollten damit also schon vertraut sein. Die SuS wissen also über die Wellennatur von Licht bescheid, kennen das Huygenssche Prinzip und können das Zustandekommen von Interferenzbildern im Fernfeld beschreiben und Erklären.

== Schülervorstellungen, die hier relevant werden ==

SuS haben häufig Probleme mit der Superposition von Wellen <ref>Schecker, Horst; Wilhelm, Thomas; Hopf, Martin; Duit Reinders (Hrsg.) (2018): ''Schülervorstellungen und Physikunterricht''. Berlin: Springer-Verlag GmbH</ref>. Sie verstehen unter Interferenz nur die Extremfälle (das völlige Auslöschen oder völliges Überlagern). Dass destruktive Interferenz auch zu
Abschwächung führen kann, ist für Lernende nicht verständlich.<br>

Zudem gehen SuS oft davon aus, dass Beugung von Berechnung oder von Reflexion kommt. Ihnen ist nicht klar, dass Beugung und Interferenz andersartige Phänomene als Brechung und Reflexion sind.
Es kann auch sein, dass die SuS denken dass jeder Spalt beim Doppelspalt das gleiche Interferenzbild erzeugt. Sie vermischen das Modell von zwei interferierenden Elementarwellen an einem Doppelspalt mit dem Modell vieler interferierender Elementarwellen entlang der Breite des Einzelspalts.

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==
<div class="row">
<div class="large-7 columns>
* optischer Tisch
* Laser (bspw. <math>\lambda</math> = 510-550 nm)
* Schirm
* 2 x Linsen (bspw. <math>f_1</math> = 250, <math>f_2</math> = 50 mm)
* Lochblende
* Gitter, Mehrfachspalt und/oder Doppelspalt (bspw. <math>d</math> = 0,25 mm)
* Gitterhalterung
* Intensitätsfilter
* Translation Stage
* optische Bank
* Posts, Postholder und Schrauben
* CCD-Kamera
* Laptop oder sonstiges mit ASIStudio
</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP Talbot-Effekt und Nahfeld benötigtes Material.jpg|mini|Abbildung 2: Bild des benötigten Materials. Fotografen: Ben Schur, Jennifer Heiss]]
</div>
</div>
== Versuchsaufbau ==
<div class="row">
<div class="large-7 columns>
Laser, Polarisationsfilter, erste Linse, Lochblende, zweite Linse und Gitterhalterung werden in dieser Reihenfolge in einer Höhe und Linie auf einem optischen Tisch befestigt. Dabei wird mit den Linsen begonnen, die so eingestellt werden, dass der Laserstrahl möglichst parallel ist. Die erste Linse dient der Aufweitung des Strahls und sollte eine geringe Brennweite haben. Die zweite Linse dient dazu, den divergenten Laserstrahl zur Parallelität zu bringen. Ob der entstehende Laserstrahl parallel ist, kann überprüft werden, indem der Durchmesser des Laserstrahls nahe hinter der zweiten Linse mit dem Durchmesser in größerer Entfernung (einige Meter) verglichen wird. Der Durchmesser sollte sich nicht mit steigender Entfernung möglichst nicht verändern. Zur Justierung können die Abstände zwischen den Linsen sowie deren Brennweiten verändert werden. Anschließend kann die Lochblende hinter der ersten Linse in den Brennpunkt des Laserstrahls positioniert werden. Direkt hinter der zweiten Linse kann die Gitterhalterung befestigt werden. Der Intensitätsfilter wird nur bei sehr empfindlichen Kameras benötigt, und kann irgendwo in den Strahlengang gesetzt werden. Es eignet sich, den Aufbau möglichst klein zu halten, da dann mehr Platz zur Verschiebung der Kamera besteht. Die Kamera selbst kann entweder auf einer Translation Stage (Abbildung 3) oder einer optischen Bank (Abbildung 4) befestigt werden. Die Translation Stage eignet sich für präzisere Abstandsmessungen, deckt aber keine so große Strecke ab wie die optische Bank.
</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP Talbot-Effekt und Nahfeld Versuchsaufbau1.jpg|mini|Abbildung 3: Aufbau mit Translation Stage. Fotografen: Ben Schur, Jennifer Heiss]]

[[Datei:EXP Talbot-Effekt und Nahfeld Versuchsaufbau 2.jpg|mini|Abbildung 4: Aufbau mit optischer Bank. Fotografen: Ben Schur, Jennifer Heiss]]
</div>
</div>
== Versuchsdurchführung ==

Als erstes wird der Laser eingeschaltet und die Messung wird mit dem Aufbau in Abbildung 3 durchgeführt. Dabei wird die CCD-Kamera auf der Translation Stage, die so nah wie möglich vor dem Gitter positioniert wurde, in 1 mm Abständen von dem Gitter weg bewegt, bis das Ende der Stage erreicht wird. Bei der Wahl des Gitters kann ein Doppelspalt, ein Dreifachspalt, ein Vierfachspalt oder ein Gitter verwendet werden. Für eindeutige Ergebnisse wird empfohlen, einen Doppel- oder Dreifachspalt zu verwenden.
Sobald die CCD-Kamera um 1 mm von dem Gitter entfernt wurde, wird mit der ASICap-Funktion in ASIStudio ein Bild gespeichert. Für einen deutlichen Kontrast sollten die Exposure auf 32 μs und der Gain auf 0 gestellt werden.
Damit man den ganzen Bereich und den Übergang vom Nah- zum Fernfeld beobachten kann, wird die Translation Stage mit der optischen Bank ausgetauscht. Erneut wird die Kamera so nah wie möglich vor dem Gitter positioniert und in 0,5 cm Schritten von dem Gitter wegbewegt. Genauso wie zuvor wird das auf dem Laptop zu sehende Beugungsbild mit ASICap aufgezeichnet.

== Auswertung ==
<div class="row">
<div class="large-8 columns>
Die Talbot-Länge beträgt für den verwendeten Laser mit einer die Wellenlänge <math>\lambda</math> von ca. 530 nm und einem Gitter mit dem Gitterabstand <math>d</math> = 0,25 mm gleich

:<math>
L_T=\frac{2\cdot(25\cdot10^{-5})^2}{530\cdot10^{-9}} = 0,2358 \,\mathrm{m}.
</math>

Der Versuch wurde für verschiedene Gitter durchgeführt, sowie für einen Doppel-, Dreifach- und Vierfachspalt. Bei den verwendeten Gittern und dem Vierfachspalt ist der Talbot-Effekt nicht eindeutig auf den aufgenommenen Bildern zu erkennen, da es zu vielen Überlagerungen von Maxima und Nebenmaxima kommt. Deshalb werden im Folgenden nur die Ergebnisse des Doppelspalts und des Dreifachspalts präsentiert.

Für den Doppelspalt ist in Abbildung 5 die Intensitätsverteilung für den gesamten gemessenen Bereich von einem Abstand von 1,5 cm bis 50 cm zum Spalt dargestellt.
</div>
<div class="large-4 columns>
[[Datei:EXP Talbot-Effekt und Nahfeld Doppelspalt Gif.gif|thumb|right|500px|mini|Abbildung 5: Bilder der Intensitätsverteilung der Beugung des Lasers (<math>\lambda</math>= 510-550 nm) an einem Doppelspalt (:<math>d</math> = 0,25 mm). Die Entfernung zum Gitter beginnt bei 1,5 cm und erhöht sich in 0,5 cm Schritten auf 50 cm. Fotografen: Ben Schur, Jennifer Heiss]]
</div>
<div class="large-8 columns>
In den Abbildungen 6-10 wird der Talbot-Effekt genauer untersucht. Bei einer Entfernung von 1,5 cm ist noch die Abbildung des Doppelspalts, also zwei große Intensitätsmaxima zu erkennen. Allerdings treten bereits intensitätsschwächere Nebenmaxima auf, wie in Abbildung 6 im linken Bild zu erkennen ist. In Abbildung 6 ist rechts das Beugungsbild bei einem Gitter-Kamera-Abstand von 6 cm, was ungefähr einem Viertel der Talbot-Länge entspricht, dargestellt. Hier verdoppelt sich die Anzahl der Intensitätsmaxima auf vier und anstatt dem vorherigen Minimum liegt ein Maximum im Zentrum des Beugungsbilds. Bei einem Drittel der Talbot-Länge, also bei einem Abstand von 8 cm, sollte sich die Anzahl der Intensitätsmaxima verdreifacht haben. Dies lässt sich im linken Bild in Abbildung 7 allerdings nur erahnen und nicht eindeutig nachweisen. Daraus folgt, dass ein Abstand von 8 cm nicht genau einem Drittel der Talbot-Länge entspricht. Allerdings ist, wie zu erwarten, erneut ein Maximum im Zentrum der Intensitätsverteilung zu erkennen. Im rechten Bild in Abbildung 7 ist das Beugungsbild bei der halben Talbot-Länge abgebildet. Dies entspricht einem Gitter-Kamera-Abstand von 12 cm. Wie zu erwarten ist das Negativbild des Doppelspalts in Abbildung 6 links, also zwei klare Minima, sichtbar. Bei der Talbot-Länge von ca. 24 cm wird die Intensitätsverteilung in Abbildung 8 links aufgezeichnet. Zu erwarten wären zwei deutliche Intensitätsmaxima, die das Abbild des Doppelspalts bilden. Dies ist allerdings nicht erkennbar. Stattdessen ähnelt das Beugungsbild der Fernfeld-Aufzeichnung aus Abbildung 8 rechts bei einem Abstand von 30 cm. Deshalb wird davon ausgegangen, dass hier bereits das Interferenzmuster des Fernfelds zu erkennen ist. Bei weiterer Vergrößerung der Entfernung ändert sich die Intensitätsverteilung kaum noch.
</div>
<div class="large-4 columns>
[[Datei:EXP Talbot-Effekt und Nahfeld Doppelspalt1.png|gerahmt|Abbildung 6: Intensitätsverteilung bei einer Entfernung von 1,5 cm (links) und 6 cm (rechts) vom Doppelspalt. Letzteres entspricht ungefähr einem Viertel der Talbot-Länge. Fotografen: Ben Schur, Jennifer Heiss]]

[[Datei:EXP Talbot-Effekt und Nahfeld Doppelspalt2.png|gerahmt|Abbildung 7: Intensitätsverteilung bei einer Entfernung von 8 cm (links) und 12 cm (rechts) vom Doppelspalt, was ungefähr einem Drittel und der Hälfte der Talbot-Länge entspricht. Fotografen: Ben Schur, Jennifer Heiss]]

[[Datei:EXP Talbot-Effekt und Nahfeld Doppelspalt3.png|gerahmt|Abbildung 8: Intensitätsverteilung bei einer Entfernung von 24 cm (links) vom Doppelspalt, was ungefähr der Talbot-Länge entspricht. Die Entfernung auf dem Bild der rechten Seite ist 30 cm, was ungefähr dem Beginn des Fernfelds entspricht. Fotografen: Ben Schur, Jennifer Heiss]]
</div>
<div class="large-8 columns>
Für den Dreifachspalt ist in Abbildung 10 die Intensitätsverteilung für den gesamten gemessenen Bereich von einem Abstand von 1,5 cm bis 50 cm zum Spalt dargestellt.
</div>
<div class="large-4 columns>
[[Datei:Talbot-Effekt und Nahfeld Auswertung Dreifachspalt-Gif.gif.gif|mini|Abbildung 9: Bilder der Intensitätsverteilung der Beugung des Lasers (<math>\lambda</math> = 510-550 nm) an einem Dreifachspalt (<math>d</math> = 0,25 mm). Die Entfernung zum Gitter beginnt bei 1,5 cm und erhöht sich in 0,5 cm Schritten auf 50 cm. Fotografen: Ben Schur, Jennifer Heiss]]
</div>
<div class="large-8 columns>
In den Abbildungen 13-15 wird der Talbot-Effekt genauer untersucht. Bei einer Entfernung von 1,5 cm ist noch die Abbildung des Spalts, also drei große Intensitätsmaxima zu erkennen. Allerdings treten bereits kleinere Nebenmaximas auf. Bei einer Entfernung von 6 cm, also ungefähr Viertel der Talbot-Länge, sollte sich die Anzahl der Intensitätsmaxima verdoppelt haben, also 6 betragen. Außerdem sollte ein Minimum in der Mitte liegen, was auch zu erahnen ist. Die Anzahl der Maxima auf dem Bild ist allerdings höher als 6, was darauf hinweist, dass die Entfernung nicht genau einem Viertel von <math>L_T</math> entspricht. Bei einer Entfernung von 8 cm, also ungefähr einem Drittel der Talbot-Länge, sollte sich die Anzahl der Intensitätsmaxima verdreifacht haben, also 9 betragen. Außerdem sollte wieder ein Maxima in der Mitte liegen, was auch der Fall ist. Die Anzahl der Maxima entspricht ungefähr 9. Allerdings treten auch sehr schwache Nebenmaxima an den Rändern auf, welche hier nicht dazugezählt werden. Bei einer Entfernung von 12 cm, also ungefähr der Hälfte der Talbot-Länge, sollte sich ein Negativbild des Spalts zeigen. Es ist auch zu erkennen, dass anstelle der drei Hauptmaxima nun drei große Minima getreten sind. Allerdings bilden sich auch hier einige Nebenmaxima heraus, wodurch dies keine exakte Negativabbildung des Dreifachspalts ist. Bei einer Entfernung von 24 cm, was ungefähr der Talbot-Länge entspricht, sollte ein Abbild des Dreifachspalts ausbilden. Es sind auch drei große Hauptmaxima zu erkennen, allerdings treten wie zuvor beschrieben, wieder einige Nebenmaxima auf. Letztlich bildet sich ab ca. 30 cm das Fernfeld aus. Es entsteht ein großes Hauptmaxima in der Mitte, gefolgt von einem Nebenmaxima, bis das Hauptmaxima nächster Ordnung auftritt. Bei weiterer Vergrößerung der Entfernung ändert sich die Intensitätsverteilung kaum noch.
</div>
<div class="large-4 columns>
[[Datei:EXP Talbot-Effekt und Nahfeld Dreifachspalt 1.png|gerahmt|Abbildung 10: Intensitätsverteilung bei einer Entfernung von 1,5 cm (links) und 6 cm (rechts) vom Dreifachspalt. Letzteres entspricht ungefähr einem Viertel der Talbot-Länge. Fotografen: Ben Schur, Jennifer Heiss]]

[[Datei:EXP Talbot-Effekt und Nahfeld Dreifachspalt2.png|gerahmt|Abbildung 11: Intensitätsverteilung bei einer Entfernung von 8 cm (links) und 12 cm (rechts) vom Dreifachspalt, was ungefähr einem Drittel und der Hälfte der Talbot-Länge entspricht. Fotografen: Ben Schur, Jennifer Heiss]]

[[Datei:EXP Talbot-Effekt und Nahfeld Dreifachspalt 3.png|gerahmt|Abbildung 12: Intensitätsverteilung bei einer Entfernung von 24 cm (links) vom Dreifachspalt, was ungefähr der Talbot-Länge entspricht. Die Entfernung auf dem Bild der rechten Seite ist 30 cm, was ungefähr dem Beginn des Fernfelds entspricht. Fotografen: Ben Schur, Jennifer Heiss]]
</div>
</div>

== Fehlerabschätzung ==

== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==

Wenn die Kamera auf der optische Bank verschoben wird, sieht man, dass der Laserstrahl nicht komplett parallel verläuft, sondern leicht nach unten abfällt. Dadurch kann das Beugungsbild nicht mehr von der CCD-Kamera aufgezeichnet werden, wenn sie bei ca. 50 cm positioniert wird. Dies kann durch Justage des Lasers und der eingesetzten Linsen behoben werden.

== Sicherheitshinweise ==

* Blicke niemals direkt in den Laserstrahl!
* Reflektierende Oberflächen sollten in der Nähe des Lasers vermieden werden. Reflektiertes Laserlicht, auch wenn es gestreut ist, kann zu einer Schädigung der Augen und der Haut führen. Insbesondere ist darauf zu achten, dass reflektierender Schmuck (Ringe, Uhren, etc.) vor Beginn der Arbeit mit dem Laser abgelegt wird.
* Verwende Beamblocker zur Justage der optischen Elemente.
* Alle Elemente im Strahlengang müssen gegen Herunterfallen gesichert werden (Spiegel, Linsen, Halterungen usw.). Alle Optiken müssen auf dem optischen Tisch fixiert werden, bevor das Laserlicht auf sie trifft.

= Literatur =

EXP:Brennweitenbestimmung bei einer Sammellinse

2025-10-16T09:38:15Z

Admin: 33 Versionen importiert

[[Kategorie:Optik]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

Mit diesem Experiment soll die Brennweite <math>f</math> einer unbekannten Sammellinse mithilfe dreier verschiedener Möglichkeiten bestimmt werden. Zuerst wird die Brennweite mit einer Freihandmethode bestimmt. Dabei wird die Linse in mglichst paralleles Licht gehalten und die Brennebene bestimmt. Im zweiten Schritt werden für verschiedene Bildweiten <math>b</math> die Gegenstandsweiten <math>g</math> bestimmt und mithilfe der Linsengleichung <math>\frac{1}{f} = \frac{1}{g} + \frac{1}{b}</math> dann die Brennweite <math>f</math> berechnet. Und im letzten Schritt wird das Besselverfahren genutzt um die Brennweite der Sammellinse zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser drei Möglichkeiten werden dann verglichen.

__INHALTSVERZEICHNIS__

= Theoretische Zusammenfassung =

Strahlt man mit einem parallelen Lichtbündel auf eine Sammellinse so wird das gesamte Licht hinter der Sammellinse im ''Brennpunkt'' <math>F</math> vereint. Strahlt man mit dem parallelen Lichtbündel in einem Winkel auf die Sammellinse so wird auch dieses Licht in einem Punkt gebündelt. All diese Punkt befinden sich in einer Ebene, die durch den Brennpunkt verläuft und orthogonal zur optischen Achse verläuft. Diese wird ''Brennebene'' genannt.<br>

Wird eine Sammellinse zur optischen Abbildung eines Gegenstandes genutzt so wird der Abstand zwischen dem Gegenstand und der Linsenebene als Gegenstandsweite <math>g</math> bezeichnet. Der Gegenstand selbst hat dabei die Gegenstandsgröße <math>G</math>. Der Abstand zwischen der Linsenebene und der Bildebene wird analog als Bildweite <math>b</math> bezeichnet. Das Bild hat dabei die Bildgröße <math>B</math>. Mithilfe der Linsengleichung <math>\frac{1}{f} = \frac{1}{g} + \frac{1}{b}</math> lässt sich aus der Gegenstandsweite und der Bildweite die Brennweite einer Linse berechnen. Trägt man die Wertepaare aus der Gegenstandsweite und der Bildweite in ein b-g-Diagramm jeweils an den Achsen ein und verbindet diese Schnittpunkte miteinander, so ergibt sich ein Schnittpunkt aller Verbindungslinien. Dieser Punkt hat die Koordinaten der Brennweite der Linse. Die einzelnen Verbindungslinien können mit der Gleichung:

<math>
y(x) = -\frac{g_i}{b_i} \cdot x + g_i = -g_i \cdot \left(\frac{1}{f} - \frac{1}{g_i}\right) \cdot x + g_i = \left(1 - \frac{g_i}{f}\right) \cdot x + g_i
</math>

beschrieben werden. Werden nun die Gleichungen des i-ten und des j-ten Wertepaares gleichgesetzt, ergibt sich:

<math>
\left(1 - \frac{g_i}{f}\right) \cdot x + g_i = \left(1 - \frac{g_j}{f}\right) \cdot x + g_j
</math>

<math>
\frac{g_j - g_i}{f} \cdot x = g_j - g_i
</math>

<math>
x = f.
</math>

Auch die y-Koordinate des Schnittpunkts ergibt sich zu:

<math>
y(f) = \left(1 - \frac{g_i}{f}\right) \cdot f + g_i = f.
</math>

Der Schnittpunkt aller Verbindungslinien liegt also bei <math>(f|f)</math>.

Beim Besselverfahren wird nun ausgenutzt, dass bei der optischen Abbildung eines Gegenstandes mit einer Sammellinse es zwei Linsenpositionen gibt bei denen eine scharfe Abbildung auf einem Schirm entsteht. Bei der Linsenposition <math>P_1</math> entsteht ein vergrößertes Bild wärend in der Linsenposition <math>P_2</math> ein verkleinertes Bild entsteht. Damit dieser Effekt zu beobachten ist sollte der Abstand zwischen dem Gegenstand und des Schirms <math>a</math> größer gewählt werden als das vierfache der geschätzten Brennweite. Aus dem Abstand zwischen dem Gegenstand und dem Schirm <math>a</math> und dem Abstand der beiden Linsenpositionen <math>e</math> erhält man dann für dünne Linsen die Brennweite mit:

<math>
f = \frac{a^2-e^2}{4a}.
</math>

Gegenüber der Brennweitenbestimmung mit der Bildweite und der Gegenstandsweite muss beim Besselverfahren die genaue Lage der Linsenebene nicht bekannt sein. Es genügt die Position z.B. an einer Halterung abzulesen und daraus die Differenz zu bilden.

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP Optik Besselverfahren Versuchsaufbau.JPG|Beschreibung|1499px|thumb|center|Versuchsaufbau zur Bestimmung der Brennweite einer Sammellinse. Fotografin: Katharina Stütz. ]]
</div>
<div class="large-5 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 7/8
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Optik
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| Kapitel, Abschnitt 3.2.2 (11)
|-
|}
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%"|
|+ Klassifikation
|-
! style="width: 50%"|Quantitativ/Qualitativ
| Quantitativ
|-
! style="width: 50%"|Demo-/Schülerexperiment
| Beides Möglich
|-
! style="width: 50%"|Unterrichtsphase
| Vertiefungsphase zum Thema Linsen
|-
! style="width: 50%"|Einzelversuch/Versuchsreihe
| Versuchsreihe
|-
|}
</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP Optik Sammellinse Brennweite Skizze.png|Beschreibung|1499px|thumb|center|Skizze zur optischen Abbildung an einer Sammellinse mit der Brennweite f, dem Brennpunkt F, der Bildweite b, der Bildgröße B, der Gegenstandsweite g und der Gegenstandsgröße G. Autorin: Katharina Stütz ]]
</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Besselverfahren_Brennweite_Skizze.png|Beschreibung|1499px|thumb|center|Skizze zum Besselverfahren zur Bestimmung der Brennweite einer Sammellinse. Autorin: Katharina Stütz ]]
</div>
</div>

= Didaktischer Rahmen =

== Fachdidaktische Zielsetzung ==

Bei diesem Experiment sollen Schülerinnen und Schüler die Physik hinter einem Verfahren kennenlernen. Dazu sollen sie ihre vorhandenes Wissen zur Sammellinse
anwenden und so weiter vertiefen.

== Nötige Vorkenntnisse ==

Die Schülerinnen und Schüler sollten die Wirkung einer ''Sammellinse'' beschreiben können. Die Begriffe ''Brennweite'', ''Brennebene'' und ''Brennpunkt'' sollten bekannt sein. Sie sollten die Abbildungsgleichung und die Linsengleichung beherrschen. Der Verlauf von ausgezeichneten Strahlen an einer Sammellinse sollte den SuS bekannt sein. Für eine quantitative Bearbeitung werden aus der Mathematik der Umgang mit Äquivalenzumformungen und das Eintragen von Messdaten in ein Diagramm bekannt sein.

== Mögliche Schülerschwierigkeiten ==

* Bei diesem Experiment wird viel Vorwissen zusammengebracht. Das kann zu Schwierigkeiten beim Verständnis führen.
* Die Abbildung der Linse ist eher lichtschwach. Um das Ergebnis besser erkennen zu können sollte das Klassenzimmer etwas abgedunkelt werden.

== Schülervorstellungen, die hier relevant werden ==

Eine Schülervorstellung, die bei diesem Versuch zum Tragen kommen könnte, ist die des <q>Sehstrahls</q> bzw. die des <q>Lichts als ruhende Helligkeit</q>. Dabei gehen die SuS davon aus, dass es keine Streuung von Licht in unser Auge benötigt um etwas sehen zu können. Beim Sehstrahl-Konzept gehen die SuS davon aus, dass ein aktives Hinsehen genügt um etwas sehen zu können. Dass dafür Licht am Gegenstand in unser Auge gestreut werden muss wird nicht akzeptiert. Das Konzept der ruhenden Helligkeit besagt, dass der Raum mit einem substanzartigen Licht gefüllt ist. Ein Ausbreitungsvorgang von der Quelle aus wird nicht benötigt.<ref>Schecker, Horst; Wilhelm, Thomas; Hopf, Martin; Duit Reinders (Hrsg.) (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Berlin: Springer-Verlag GmbH</ref>

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==

* Experimentierleuchte mit Netzgerät und Kaltgerätekabel
* Diffusorschirm
* Dia mit abgebildetem Buchstaben
* Sammellinse mit unbekannter Brennweite (hier wurde eine Sammellinse mit einer Brennweite von <math>f=7\,</math>cm verwendet)
* Schirm
* optische Bank
* Maßband bzw. Meterstab

== Versuchsaufbau ==

Für das Experiment zur Freihandmethode muss nichts großes aufgebaut werden. Es wird nur die Linse, ein Schirm und ein Maßband benötigt.<br>
Für die anderen beiden Messmethoden wird ein identischer Aufbau verwendet. Auf eine optische Bank wird zunächst am linken Ende eine Experimentierleuchte befestigt. Direkt davor wird ein Diffusorschirm platziert um das nachfolgende Dia möglichst diffus ausleuchten zu können. Der Schirm und die Linse werden ebenfalls mithilfe optischer Reiter auf der optischen Bank platziert.

== Versuchsdurchführung ==

; Freihandmethode

Um nun ohne einen großen Versuchsaufbau die Brennweite einer Sammellinse abschätzen zu können benötigt man nahezu paralleles Licht, dass dann mithilfe der Linse in die Brennebene abgebildet wird. Dazu kann in erster Näherung das Licht verwendet werden, dass draußen von einem weit entfernten Gebäude reflektiert wird. Bildet man nun das Licht des Gebäudes scharf auf einen Schirm ab kann der Abstand zwischen der Linseneben und des Schirms grob als Brennweite der Linse bestimmt werden. Es sollte nicht das Licht der Sonne direkt mit der Linse auf einen Schirm scharf abgebildet werden. In diesem Punkt wird es dann sehr heiß was zu Verbrennungen führen kann.

; Bestimmung der Gegenstands- und Bildweite

Für die Bestimmung der Brennweite der unbekannten Linse mittels Gegenstandsweite <math>g</math> und Bildweite <math>b</math>, wird der Versuch wie in Abbildung 1 aufgebaut. Auf einer 2 m langen optischen Bank befindet sich eine Experimentierleuchte und ein Diffusorschirm. Daneben wird ein Dia mit einem Buchstaben beleuchtet, der den Gegenstand darstellt. Am anderen Ende der Bank wird der Schirm aufgebaut. Zwischen dem Dia und dem Schirm wird die Linse aufgestellt. Es werden fünf verschiedene Gegenstandsweiten eingestellt. Dafür bleibt das Dia an einer festen Position und die Linsenposition wird für jede neue Messung verändert. Anschließend wird die Position des Schirms so verschoben, bis der Buchstabe auf dem Dia scharf auf dem Schirm zu sehen ist. Die Gegenstandsweiten und die zugehörigen Bildweiten werden jeweils gemessen und notiert.

; Besselverfahren

Der Aufbau ist identisch zum oben beschriebenen Aufbau beim Verfahren zur Bestimmung der Brennweite mittels Gegenstands- und Bildweite. Das Dia mit dem Buchstaben und der Schirm müssen dem Vierfachen der Brennweite der Linse entsprechen. Dazu sollte diese zuvor mit der Freihandmethode grob agbeschätzt werden. Hier werden daher als Abstand zwischen dem Dia und dem Schirm 32 cm eingestellt. Dazwischen wird die Linse auf der Bank verschoben, bis ein scharfes vergößertes und ein scharfes verkleinertes Bild auf dem Schirm zu sehen ist. Die beiden Linsenpositionen werden notiert. Die Linse wird dann mehrfach zwischen den beiden Positionen hin und her verschoben und jeweils die Positionen notiert.

== Auswertung ==

; Freihandmethode:

Mithilfe der Freihandmethode wurde eine Brennweite der Linse von 6,8 cm gemessen.

; Bestimmung der Gegenstands- und Bildweite

Es werden jeweils fünf Gegenstands- und Bildweiten gemessen und in Tabelle 1 dargestellt. Daraus lässt dich die Brennweite der Sammellinse mihilfe der Linsengleichung berechnen.

<div class="row">
<div class="large-7 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%"|
|+ Messwerte und berechnete Werte mit den Gegenstands- und Bildweiten.
|-
! Gegenstandsweite g (cm)
! Bildweite b (cm)
! Brennweite f (cm)
|-
| 14,0
| 13,5
| 6,87
|-
| 16,0
| 12,4
| 6,98
|-
| 18,0
| 11,3
| 6,94
|-
| 20,0
| 10,4
| 6,84
|-
| 22,0
| 9,8
| 6,78
|-
|}
</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Auswertung_Brennweite.JPG|Beschreibung|1499px|thumb|center|Auswertung der Messung der Brennweite einer Sammellinse. Autorin: Katharina Stütz ]]
</div>
</div>

Daraus ergibt sich ein Mittelwert der Brennweite von 6,882 cm.

; Besselverfahren

Für immer den gleichen Abstand zwischen dem Gegenstand und dem Schirm <math>a</math> von 32 cm haben sich die folgenden Abstände für die Linsenpositionen 1 und 2 vom Gegenstand ergeben. Damit lässt sich dann mit der oben dargestellten Formel die Brennweite berechnen.

{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%"|
|+ Messwerte und berechnete Werte mit dem Besselverfahren.
|-
! Abstand zu P1 (cm)
! Abstand zu P2 (cm)
! Abstand zwischen P1 und P2 (cm)
! Brennweite f (cm)
|-
| 7,9
| 19,4
| 11,5
| 6,97
|-
| 8,0
| 19,3
| 11,3
| 7,00
|-
| 7,6
| 19,8
| 12,2
| 6,84
|-
| 8,5
| 20,4
| 11,9
| 6,89
|-
| 7,8
| 20,1
| 12,3
| 6,81
|-
|}

Damit ergibt sich mit dem Besselverfahren eine mittlere Brennweite von 6,902 cm.

<div class="row">
<div class="large-6 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Besselverfahren_Position1.JPG|Beschreibung|800px|thumb|center|Position 1 der Linse beim Besselverfahren zur Bestimmung der Brennweite einer Sammellinse. Fotografin: Katharina Stütz ]]
</div>
<div class="large-6 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Besselverfahren_Position2.JPG|Beschreibung|800px|thumb|center|Position 2 der Linse beim Besselverfahren zur Bestimmung der Brennweite einer Sammellinse. Fotografin: Katharina Stütz ]]
</div>
</div>

== Fehlerabschätzung ==

Die hauptsächliche Fehlerquelle liegt bei diesem Versuch am ungenauen Ablesen der Entfernungen am Meterstab. Außerdem wird bei allen drei Versuchen ein scharfes Bild nach Augenmaß eingestellt, dies ist ebenfalls ungenau und fehleranfällig. Des Weiteren unterliegt die angegebene Brennweite von 7 cm der Sammellinse selbst einem Fehler.


== Sicherheitshinweise ==
Verletzungsgefahr durch umkippende Versuchsaufbauten und sich lösende Teile (z.B. Schrauben nicht fest genug).

= Fotos =

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Besselverfahren_Versuchsaufbau.JPG|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Versuchsaufbau zur Bestimmung der Brennweite einer Sammellinse. Fotografin: Lena Kühnast.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Sammellinse_Brennweite_Skizze.png|slide 2]]
<div class="orbit-caption">
Skizze zur optischen Abbildung an einer Sammellinse mit der Brennweite f, dem Brennpunkt F, der Bildweite b, der Bildgröße B, der Gegenstandsweite g und der Gegenstandsgröße G. Autorin: Katharina Stütz
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Besselverfahren_Brennweite_Skizze.png|slide 3]]
<div class="orbit-caption">
Skizze zum Besselverfahren zur Bestimmung der Brennweite einer Sammellinse. Autorin: Katharina Stütz
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Auswertung_Brennweite.JPG|slide 4]]
<div class="orbit-caption">
Auswertung der Messung der Brennweite einer Sammellinse. Autorin: Katharina Stütz
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

= Literatur =
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

EXP:Lochkamera

2025-10-16T09:37:55Z

Admin: 88 Versionen importiert

[[Kategorie:Optik]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>
Die Bildentstehung bei einer Lochkamera soll bei diesem Experiment von Schülerinnen und Schülern qualitativ beschrieben werden <ref> '''Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg, und Zentrum für Schulqualität und Lehrerbildung, [Hrsg.].''' ''Bildungsplan des Gymnasiums Physik''. Villingen-Schwenningen : Neckar-Verlag GmbH, 2022.</ref>, es werden qualitativ die Zusammenhänge zwischen der Größe der Lochblende und der Bildschärfe einer Lochkamera aufgezeigt. Auch der Einfluss des Abstands zwischen Lochblende und Schirm wird anhand einer Selbstbau-Variante einer Lochkamera untersucht.

__INHALTSVERZEICHNIS__

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Lochkamera_1mm_500µm_200µm.jpg|Beschreibung|1499px|thumb|center|Abildungen einer Lochkamera in Abhängigkeit des Blendendurchmessers. Fotografiert und erstellt von Christian Mühlhuber. ]]
</div>
<div class="large-5 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 7/8
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Optik
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| 3.2.2 Optik und Akustik, (10)
|-
|}
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%"|
|+ Klassifikation
|-
! style="width: 50%"|Quantitativ/Qualitativ
| Qualitativ
|-
! style="width: 50%"|Demo-/Schülerexperiment
| Demo- und Schülerexperiment
|-
! style="width: 50%"|Unterrichtsphase
| Einstieg / Erarbeitung
|-
! style="width: 50%"|Einzelversuch/Versuchsreihe
| Versuchsreihe
|-
|}
</div>
</div>

= Didaktischer Rahmen =

== Fachdidaktische Zielsetzung ==
Bei diesem Experiment sollen Schülerinnen und Schüler lernen, basierend auf ihrem Vorwissen zur Lichtausbreitung Hypothesen zur Bildentstehung auf dem Schirm der Lochkamera aufzustellen. Nach der Auswertung des Experiments sollen sie schließlich die Bildentstehung qualitativ beschreiben können.

== Nötige Vorkenntnisse ==

Die Schülerinnen und Schüler sollten grundlegende Phänomene der Lichtausbreitung mithilfe des Lichtstrahlmodells beschreiben können <ref> '''Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg, und Zentrum für Schulqualität und Lehrerbildung, [Hrsg.].''' ''Bildungsplan des Gymnasiums Physik''. Villingen-Schwenningen : Neckar-Verlag GmbH, 2022.</ref>.
Für eine quantitative Bearbeitung werden aus der Mathematik der Umgang mit Äquivalenzumformungen und der Dreisatzrechnung benötigt. Wenn die Schülerinnen und Schüler eine Lochkamera selbst bauen, werden Kenntnisse im Umgang mit einer Schere und Klebstoffen benötigt.

== Mögliche Schülerschwierigkeiten ==

Lässt man Schülerinnen und Schüler eine Lochkamera mit vorbereiteten Material selbst bauen, so gilt es, das handwerkliche Geschick der Schülerinnen und Schüler zu beachten. Ein Lochkamera sollte seitlich am Schirm nicht zu viel Licht hindurchlassen, damit der Kontrast des per se lichtschwachen Bildes nicht noch weiter herabgesenkt wird. Durch das vermutlich sehr heterogen verteilte handwerkliche Geschick in einer 7. oder 8. Klasse kann es durchaus zu qualitativ stark unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Weiterhin empfiehlt es sich, Material zur Differenzierung bereitzustellen, um unterschiedliche Arbeitsgeschwindigkeiten der Lernenden auszugleichen und aufzufangen.

== Schülervorstellungen, die hier relevant werden ==

Eine Schülervorstellung, die bei diesem Versuch zum Tragen kommen könnte, ist: ''' "Das Bild bei einer Lochkamera steht nicht auf dem Kopf, da keine Linse verbaut ist." ''' Unterstützt wird diese Annahme dadurch, dass Schülerinnen und Schüler nicht die gelernte Konstruktionsweise einer Abbildung an einer Linse anwenden können, da eine Lochblende keinen Brennpunkte hat. Ebenso sieht man auch ein Bild nicht auf dem Kopf, wenn man mit der Hand einen Tunnel formt und die Öffnung kleiner werden lässt. Eine mögliche Lösung wäre, hier die Lernenden konsequent das Lichtstrahlenmodell mit einer infinitesimal kleinen Lochblende anwenden zu lassen.

= Versuchsanleitung (Kamera) =

== Benötigtes Material ==

* [[HW:Spiegelreflexkamera_Canon_77D|Spiegelreflexkamera Canon EOS 77D]]
* Canon EF-Bajonett auf SM2-Gewinde Adapter
* 2" und 1" Lens-Tubes
* 2" auf 1" Lens-Tube-Adapter
* Lochblenden mit verschiedenen Durchmessern
* Optische Bank
* Reiter für die optische Bank
* Post
* Gewindeadapter: M6-Gewinde auf 1/4'-Gewinde
* Dia mit Diahalterung
* Lampe und Diffusorschirm

== Versuchsaufbau (Kamera)==

<div class="row">
<div class="large-8 columns">

; Schritt 1 : Die Reiter für die Kamera, die Diahalterung, das Diffusortuch und die Lampe werden auf der optischen Bank angebracht.
; Schritt 2 : Die Diahalterung, das Diffusortuch und die Lampe werden nun so montiert, dass die Öffnung der Lampe und das Dia auf einer Höhe sind.
; Schritt 3 : Nun wird der M6-1/4"-Gewinde-Adapter mit der 1/4-Zoll Seite in das bei der Kamera vorgesehene Gewinde auf der Unterseite geschraubt. Schrauben Sie zudem auf das herausragende M6-Gewinde des Gewinde-Adapters einen Post auf.
; Schritt 4 : Nun wird am Canon EF-Bajonett auf einem SM2-Gewinde-Adapter eine 2-Zoll Lens-Tube angebracht und am Ende der 2" auf 1" Lens-Tube-Adapter aufgeschraubt.
; Schritt 5 : Die Lochblenden werden nun in 1"-Filterhalterungen eingebaut und ein Filter wird in den in den Lens-Tube-Adapter eingebaut.
; Schritt 6 : Das zusammengebaute "Objektiv" auf die Kamera gesetzt und auf dem dafür vorgesehenen Reiter montiert.

</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:EXP_Optik_Lochkamera_Versuchsaufbau_seitlich.jpg|600px|thumb|right||Versuchsaufbau für die Verwendung der Canon EOS 77D als Lochkamera.]]
[[Datei:EXP_Optik_Lochkamera_Versuchsaufbau_frontal.jpg|600px|thumb|right||Versuchsaufbau für die Verwendung der Canon EOS 77D als Lochkamera - Frontalansicht.]]
</div>
</div>

== Versuchsdurchführung ==

Für die Aufnahme der Bilder mit der Kamera wurde bei ISO100 eine passende Belichtungszeit <math>t_0</math> von 0,2 s für die erste Blende mit einem Durchmesser <math>d_0</math> von 1 mm gewählt. Die weiteren Belichtungszeiten <math>t_1</math> und <math>t_2</math> wurden berechnet über das Verhältnis der Blendenöffnungen zu den Verschlusszeiten. Die Fläche der Blendenöffnung berechnet sich über
:<math>
A_0=\frac{\pi\; d_0^2}{4} \qquad (1).
</math>
Bildet man das Verhältnis
:<math>
\frac{A_0}{A_i}=\frac{t_0}{t_i},
</math>
so ergibt sich mit Gleichung (1)
:<math>
\frac{d_0^2}{d_i^2}=\frac{t_0}{t_i},
</math>
womit für weitere Belichtungszeiten folgt:
:<math>
t_i=\left(\frac{d_0}{d_i}\right)^2\cdot{t_0} \qquad (2).
</math>
Für die Blende mit einem Durchmesser von 0,5 mm ergibt sich somit eine Belichtungszeit <math>t_1</math> von 0,6 s und für die Blende mit einem Durchmesser von 200 µm folgt ein <math>t_2</math> von 4 s.

Beim Verschieben der Kamera auf der optischen Bank ergeben sich je nach Abstand zum Dia unterschiedliche Bildausschnitte, weshalb der Abstand so gewählt wird, dass das ganze Dia durch den Live-View-Modus der Kamera zu sehen ist. Hier ergaben sich somit eine Bildweite, die von der Blendenöffnung bis zur Sensormarkierung an der Kamera gemessen wird, von 127 mm und eine Gegenstandsweite von 195 mm.

== Auswertung ==
<div class="row">
<div class="large-8 columns">

Betrachtet man im Folgenden eine Lochkamera mit einer Lochblende mit dem Durchmesser <math>d</math>. Sei weiter der Abstand zwischen Blende und Gegenstandsebene <math>a</math> und der Abstand zwischen Blende und Bildebene sei <math>b</math>. Ein Punkt <math>P</math> in der Gegenstandebene wird dann näherungsweise auf den Punkt <math>P'</math> in der Bildebene abgebildet. Hierbei entsteht jedoch ein Zerstreuungskreis mit Druchmesser <math>z</math> um den Punkt <math>P'</math>, welcher von dem Durchmesser der Blendenöffnung <math>d</math> abhängig ist und sich mit dem Strahlensatz berechnen lässt mit:
:<math>
z=\frac{a+b}{a}\cdot d.
</math>
Die Schärfe der Abbildung nimmt also mit kleiner werdendem Durchmesser der Lochblende <math>d</math> zu. Jedoch treten mit kleiner werdendem Blendendurchmesser zunehmend Beugungseffekte auf, sodass die Schärfe nicht mehr zunimmt, wenn die Größe des zentralen Beugungsmaximums <math> d_\text{B}=2b\cdot \lambda/d </math> größer als <math>z</math> wird <ref> '''Demtröder, Wolfgang.''' ''Experimentalphysik 2.'' Berlin : Springer-Verlag, 2017.</ref>. Der optimale Blendendurchmesser ergibt sich somit zu
:<math>
d_\text{opt}=\sqrt{\frac{a\cdot b}{a+b}\cdot 2\lambda }.
</math>

Mit einem <math>a</math> von 127 mm und einem <math>b</math> von 195 mm ergibt sich somit für den Aufbau mit einer mittleren Wellenlänge <math>\lambda</math> von 555 nm ein optimaler Blendendurchmesser<math>_\text{opt}</math> von gerundet 0,3 mm.

Im nebenstehenden Bild ist zu sehen, dass die Schärfe des "F" bei Bild zwei und drei größer als beim ersten ist, jedoch liegt der theoretisch optimale Blendendurchmesser zwischen dem Blendendurchmesser des zweiten und dritten Bildes. Für einen quantitativen Vergleich müsste nun zum Beispiel mit einem USAF-1951 Testchart die Schärfe des zweiten und dritten Bildes bestimmt werden.

</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:EXP_Optik_Lochkamera_1mm_500µm_200µm.jpg|Beschreibung|600px|thumb|center|Abildungen einer Lochkamera in Abhängigkeit des Blendendurchmessers. Fotografiert und erstellt von Christian Mühlhuber. ]]
</div>
</div>

== Fehlerabschätzung ==

== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==
;Belichtung: Bei einer zu geringen Belichtung kann es vorkommen, dass über den Live-View-Modus kein Bild zu sehen ist. Dann muss die Belichtungszeit bzw. die ISO auf einen größeren Wert eingestellt werden.

== Sicherheitshinweise ==

Es sind die Sicherheitshinweise für den Umgang mit elektrischen Geräten zu beachten:
* [[BA:Elektrische_Geräte,_Anlagen_und_Leitungen|Elektrische Geräte]]

Beim Umgang mit den mechanischen Bauteilen ist darüber hinaus auf die Quetschgefahr durch Verschieben und Umfallen der Bauteile zu achten. Achten Sie daher auf eine sichere Befestigung aller Bauteile auf der optischen Bank.

= Vergleich zu einer selbstgebauten Lochkamera =

Eine Lochkamera kann auch mit einfachen Mitteln selbst gebaut werden. Schülerinnen und Schülern der Klasse 7/8 kann es durchaus gelingen, nach Anleitung eine Lochkamera zu basteln. Daher wird im Folgenden kurz auf eine Selbstbau-Variante und die Ergebnisse, die mit einem solchen Modell erzielt werden können, eingegangen.

== Benötigtes Material ==
Zum Bau einer Lochkamera gibt es zahlreiche Anleitungen im Internet. Eine funktionierende Anleitung, die als Grundlage die Verpackung einer bekannten Chipsdose verwendet, wird zum Beispiel vom Landesmuseum Oldenburg auf YouTube vorgestellt <ref>'''Landesmuseum Oldenburg.''' '' Von der Chipsdose zur Lochkamera: Wir bauen eine Camera Obscura'': https://www.youtube.com/watch?v=EEKt1BMYn0I (Abgerufen am: 25.11.2022)</ref>.

Man kann zum Beispiel mit foglenden Materialien eine Lochkamera bauen:
* eine leere Chipsrolle
* schwarzer Tonkarton
* Transparentpapier
* Werkzeug (Schere, Stift, Tesafilm, Hammer, Nagel)

== Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung ==
Bei einem ersten Test hat sich gezeigt, dass nur sehr helle Gegenstände auf dem Schirm der Lochkamera zu sehen sind. So lässt sich zum Beispiel nur eine eingeschaltete Deckenlampe und die Sonne bei leicht bewöktem Himmel erkennen. Für das Experiment wurde daher eine Farbpalette auf einen Aufnahmetisch gestellt und mit zwei Studioblitzen beleuchtet. Hierbei wurden beide Blitze (200 Ws und 300 Ws) bei voller Leistung betrieben und an der Kamera ein ISO-Wert von 6400 bei einer Blende von f/5 eingestellt.
Wegen des sehr dunklen Kameradisplays wurden ein paar Testaufnahmen zur Ausrichtung der Lochkamera genommen. Anschließend wurde bei unterschiedlichen Abständen zwischen Lochblende und Schirm der Schirm der Lochkamera abfotografiert.

== Auswertung ==

In den nachfolgenden Abbildungen ist eine Aufnahmereihe eines mit zwei Studioblitzen beleuchteten Aufnahmetisches bei unterschiedlich weiten Blende-Schirm-Abständen zu sehen. Die Bilder waren bei der Aufnahme um 180° gedreht und wurden zur besseren Ansicht richtig ausgerichtet.
<div class="row">
<div class="large-3 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Lochkamera_Beispielbild_zoom0.jpg|thumb|zentriert|]]
</div>
<div class="large-3 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Lochkamera_Beispielbild_zoom1.jpg|thumb|zentriert|]]
</div>
<div class="large-3 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Lochkamera_Beispielbild_zoom2.jpg|thumb|zentriert|]]
</div>
<div class="large-3 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Lochkamera_Beispielbild_zoom4.jpg|thumb|zentriert|]]
</div>
</div>
</div>

Auf den Bildern ist eine Zoomwirkung deutlich zu erkennen, die durch Erhöhung des Abstands zwischen Lochblende und Schirm verursacht wird. Des weiteren ist die Struktur des Transparenzpapiers deutlich zu sehen, das wegen der Strukturierung die Auflösung der Bilder herabsetzt. Es lässt sich jedoch nicht feststellen, ob die Motivunschärfe durch den Lochblendendurchmesser oder durch das Transparenzpapier zustande kommt. Qualitativ lässt sich auch feststellen, dass durch Vergrößern des Bildes auf dem Schirm der Lochkamera die Helligkeit des Motivs abnimmt.

== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==
; Zu geringe Motivhelligkeit : Die Selbstbau-Variante bedarf sehr heller Motive, die zum Beispiel von Lampen oder draußen an einem sonnigen Tag beleuchtet werden. Ein Problem könnte hier sein, dass eine experimentelle Erkundung der Auswirkung des Abstandes zwischen Lochblende und Schirm von Schülerinnen und Schülern nicht durchgeführt werden kann.

; Quantitative Unteruchung der Abbildungseigenschaften : Für eine quantitative Untersuchung der Abbildungseigenschaften einer Lochkamera wird unter anderem der Durchmesser der Lochblende benötigt, der ca. die Größe einer Nagelspitze hat und mit herkömmlichen Messmitteln, wie einem Lineal, nicht messbar ist. Auch der Zerstreuungskreisdurchmesser lässt sich ohne Markierungen auf dem Schirm nicht ermitteln. Eine Untersuchung der Eigenschaften einer Selbstbau-Lochkamera auf quantitative Weise wird im Schulunterricht daher vermutlich schwierig sein.

== Fazit ==
Während sich die Selbstbau-Variante nicht für Demonstrationszwecke im Unterricht eignet, da sehr helle Motive benötigt werden, kann die Kamera mit einem Lochblendenaufsatz leichter mit schlechten Lichtverhältnissen zurecht kommen. Weiter könnte das Bild der Kamera direkt über einen Beamer mit der Klasse geteilt werden.
Ein Vorteil der Selbstbau-Variante liegt eindeutig darin, dass Schülerinnen und Schüler den Effekt eines verlängerten Abstands zwischen Lochblende und Bildebene selbstgesteuert erfahren können.
Zwar wurden nur bei der Kamera mit dem Lochblendenvorsatz Lochblenden mit definierten und bekannten Lochdurchmessern verwendet, jedoch ließe sich bei einer Selbstbauvariante mit ein wenig Umbauarbeit auch eine Möglichkeit finden, die Lochblendendurchmesser zu variieren.

Keines der Modelle ersetzt das andere nun vollständig, vielmehr können sie sich gegenseitig ergänzen. Während die Kamera mit Lochblendenvorsatz im Unterricht für Demonstrationszwecke verwendet werden könnte, kann die Selbstbauvariante bei Schülerinnen und Schülern selbstentdeckendes Lernen fördern.

= Fotos =

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Lochkamera_1mm_500µm_200µm.jpg|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Abbildungen an einer Lochkamera.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Lochkamera_Versuchsaufbau_seitlich.jpg|slide 2]]
<div class="orbit-caption">
Versuchsaufbau seitlich
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Lochkamera_Versuchsaufbau_frontal.jpg|slide 3]]
<div class="orbit-caption">
Versuchsaufbau frontal.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Lochkamera_Beispielbild_zoom0.jpg|slide 4]]
<div class="orbit-caption">
Beispielbild Selbstbauvariante.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Lochkamera_Beispielbild_zoom1.jpg|slide 5]]
<div class="orbit-caption">
Beispielbild Selbstbauvariante.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Lochkamera_Beispielbild_zoom2.jpg|slide 6]]
<div class="orbit-caption">
Beispielbild Selbstbauvariante.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Lochkamera_Beispielbild_zoom4.jpg|slide 7]]
<div class="orbit-caption">
Beispielbild Selbstbauvariante.
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

= Literatur =
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

EXP:Michelson Interferometer

2025-10-16T09:37:50Z

Admin: 30 Versionen importiert

[[Kategorie:Optik]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

In diesem Experiment geht es um den einfachen Aufbau eines Michelson-Interferometers. Durch dieses soll im Rahmen eines Show-Experiments die Interferenz zweier Lichtstrahlen veranschaulicht werden (sowohl optisch als auch akustisch). Darüber hinaus kann damit die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts oder auch die Brechzahl von Luft ([[EXP:Brechzahl_von_Luft_mit_einem_Michelson-Interferometer_bestimmen]]) berechnet werden.

__INHALTSVERZEICHNIS__

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP_Optik_Michelson-Interferometer.png|mini]]
</div>
</div>

= Mögliche Einstiege in dieses Experiment =
* Für SuS ist es intuitiv, dass an einem Punkt auf dem Schirm die Helligkeit steigt, je mehr Lichtquellen diesen beleuchten. Dies kann mit (Handy-) Taschenlampen geprüft werden. Mit diesem Experiment kann dies jedoch widerlegt werden. Es kann also dies als Grundfrage gestellt werden: Warum sind auf dem Schirm plötzlich dunkle Ringe zu sehen, wenn mehr als ein Lichtstrahl darauf trifft?
* Zudem kann je nach dem Kenntnisstand der SuS ein Einstieg über die Detektion von Gravitationswellen verwendet werden, für welche im Jahre 2017 ein Nobelpreis verliehen wurde. Hierbei spielt auch das Michelson-Interferometer eine sehr entscheidende Rolle.
* Ein anderer möglicher Einstieg in das Thema ist die Frage, ob Lichtwellen ein Trägermedium benötigen (Lichtäther-Theorie). Diese Theorie wurde durch das Michelson-Interferometer im Michelson-Morley-Experiment (1887) widerlegt

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==

Siehe [[EXP:Packliste Interferometer|Packliste Interferometer]]

== Versuchsaufbau ==

Generell sollten im Folgenden [https://didaktik.pi5.physik.uni-stuttgart.de/moodle/course/view.php?id=16 diese Videos] zum Umgang mit den Bauteilen beachtet werden.

=== Der Grundaufbau===

<div class="row">
<div class="large-10 columns">

Die optischen Komponenten sollten wie in der nebenstehenden Abbildung auf dem Breadboard montiert werden. Es ist darauf zu achten, dass die beiden Spiegel einen möglichst ähnlichen Abstand zum Strahlteiler haben sollten. Die Spiegel sollten so ausgerichtet werden, dass die beiden Strahlen dieselbe Fläche auf dem Schirm beleuchten. Durch Justage der Spiegel sowie der Stage sollte der Aufbau nun so angepasst werden, dass die Ringe des Interferenzmusters zu sehen sind.

</div>
<div class="large-2 columns">
[[Datei:EXP_Optik_Michelson-Interferometer.png|600px|thumb|right||Dieses Bild zeigt den Grundaufbau eines Michelson-Interferometers.]]
</div>
</div>

===Erweiterung (Piezo-Stage)===

<div class="row">
<div class="large-10 columns">
Für diese Erweiterung wird die mechanische Stage, wie in der nebenstehenden Abbildung gezeigt, durch eine Stage mit Piezo-Motor (inkl. passendem Treiber) ersetzt, wodurch die Spiegelabstände deutlich kleinschrittiger verändert werden können. Es kann zudem optional ein Frequenzgenerator an den Treiber des Piezo-Motors angeschlossen werden, um die Abstände kontinuierlich abzufahren. Es ist darauf zu achten, dass durch den Umbau des Experiments, der Aufbau erneut justiert werden muss.
</div>
<div class="large-2 columns">
[[Datei:EXP Optik Michelson-InterferometerErweiterungPiezo.png|600px|thumb|right||Dieses Bild zeigt die Erweiterung des Grundaufbaus eines Michelson-Interferometers durch die Verwendung einer Stage mit Piezo-Motor.]]
</div>
</div>

===Erweiterung (Lautsprecher)===

<div class="row">
<div class="large-10 columns">
In dieser Erweiterung wird der optische Schirm des Grundaufbaus durch eine Photodiode ersetzt (siehe nebenstehende Abbildung). Es ist dabei wichtig, dass diese genau den Mittelpunkt der Ringe des Interferenzmusters detektiert. Der Ausgang der Photodiode wird nun über ein Kabel/eine Kabelkombination mit dem aktiven Lautsprecher verbunden. Optional kann der Spiegel, welcher nicht auf der Stage montiert ist, durch einen Spiegel ersetzt werden, der an einer Stimmgabel montiert ist. Außerdem kann optional ein zweiter Strahlteiler zwischen dem ersten Strahlteiler und der Photodiode platziert werden. Dadurch kann man zusätzlich das Interferenzmuster auf einem Schirm beobachtbar machen. Statt dem Schirm kann hier ebenso die Erweiterung (Oszilloskop) verwendet werden.
</div>
<div class="large-2 columns">
[[Datei:EXP_Optik_Michelson-InterferometerErweiterungLautsprecher.png|600px|thumb|right||Dieses Bild zeigt die Erweiterung des Grundaufbaus eines Michelson-Interferometers durch die Verwendung einer Photodiode und eines aktiven Lautsprechers.]]
</div>
</div>

===Erweiterung (Oszilloskop)===

<div class="row">
<div class="large-10 columns">
Wie im nebenstehenden Bild zu sehen, wird der optische Schirm bei dieser Erweiterung durch eine Photodiode ersetzt. Diese sollte so positioniert sein, dass sie den Mittelpunkt des Interferenzmusters detektiert. Anschließend wird der Ausgang der Photodiode über ein BNC-Kabel mit dem Oszilloskop verbunden. Schwingungen im System können nun dadurch sichtbar gemacht werden.
</div>
<div class="large-2 columns">
[[Datei:EXP Optik Michelson-InterferometerErweiterungOszi.png|600px|thumb|right||Dieses Bild zeigt die Erweiterung des Grundaufbaus eines Michelson-Interferometers durch die Verwendung einer Photodiode, welche durch ein Oszilloskop ausgelesen wird.]]
</div>
</div>

== Versuchsdurchführung und -auswertung==
===Grundaufbau===

<div class="row">
<div class="large-10 columns">
Im Aufbau eines Michelson-Interferometers ist auf dem optischen Schirm das nebenstehende Interferenzmuster zu beobachten. Dieses ist auf Gangunterschiede der beiden Strahlengänge zurückzuführen, wodurch es zu konstruktiver und destruktiver Interferenz kommt. Die Ringform resultiert daraus, dass der Lichtweg einzelner Wellen in den zwei Strahlengängen mit deren Winkel zur optischen Achse variiert. Anhand dieses Grundaufbaus kann sehr gut die Empfindlichkeit des Interferometers deutlich gemacht werden. Selbst bei einer laufenden Person in der Umgebung o.ä. sind Veränderungen im Interferenzmuster erkennbar, da die Spiegelkomponenten durch diese Stöße leicht in Bewegung versetzt werden.
</div>
<div class="large-2 columns">
[[Datei:EXP Optik Michelson-InterferometerInterferenzmuster.png|600px|thumb|right||Interferenzmuster eines Michelson-Interferometers.]]
</div>
</div>

===Erweiterung (Piezo-Stage)===
Mit Hilfe der Piezo-Stage kann nun die Länge eines Strahlenganges minimal verändert werden. Dies kann dazu benutzt werden, die Wellenlänge des verwendeten Lasers zu bestimmen. Hierzu muss die Stage um eine bekannte Strecke s bewegt werden und dabei die Anzahl n der Auftretenden Maxima (oder Minima) gezählt werden. Die Wellenlänge des Lasers ergibt sich dann aus der Formel λ=2*s/n.
Durch einen Frequenzgenerator kann das Show-Experiment in der Art und Weise optimiert werden, dass ein sich kontinuierlich veränderndes Muster zu sehen ist, wenn der Frequenzgenerator an die Stage angeschlossen wird und die Spannung langsam durchfährt.

===Erweiterung (Lautsprecher)===
Durch diesen Aufbau ist es möglich Schwingung im System akustisch wahrnehmbar zu machen. Diese Schwingungen im System (insbesondere der Spiegel) äußern sich durch eine schnelle Änderung im Interferenzmuster, insbesondere in dessen Mitte. Dem liegt zugrunde, dass sich durch diese Schwingungen die Lichtwege der Strahlengänge periodisch minimal ändern. Diese Intensitätsschwankungen können nun durch die Photodiode in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, welches durch die aktiven Lautsprecher hörbar gemacht wird.

===Erweiterung (Oszilloskop)===

<div class="row">
<div class="large-8 columns">
Die Änderungen des Interferenzmusters werden hierbei visuell sichtbar gemacht. Deren Entstehung kann im vorherigen Absatz zu der Erweiterung (Lautsprecher) nachgelesen werden. Sollte die Stage gleichmäßig durchgefahren werden, so ist auf dem Oszilloskop zudem ein sinusförmiger Verlauf der Intensität zu erkennen, wie im nebenstehenden Bild gezeigt.
</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:EXP Optik Michelson-InterferometerOszi.png|600px|thumb|right||Gemessener Intensitätsverlauf bei (näherungsweise) gleichmäßiger Bewegung der Stage.]]
</div>
</div>

== Sicherheitshinweise ==
In diesem Aufbau wird mit Lasern der Klasse 2 gearbeitet. Entsprechend ist darauf zu achten, dass dieser Strahl oder dessen Reflexion nicht direkt in das Auge fällt.

EXP:Brechzahl von Luft mit einem Michelson-Interferometer bestimmen

2025-10-16T09:37:48Z

Admin: 18 Versionen importiert

[[Kategorie:Optik]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>
Ziel dieses Experiments ist es, die Brechzahl von Luft und gegebenenfalls von weiteren Gasen mit einem Michelson-Interferometer quantitativ zu messen. Hierzu wird ein vakuumierter Glaskolben in einen Arm des Michelson-Interferometers eingebaut. Lässt man nun Luft in den Glaskolben einströmen, so ändert sich die optische Weglänge und das Interferenzbild ändert sich. Über die Anzahl der Änderungen von Maximum zu Minimum im Interferenzbild lässt sich die Brechzahl des jeweiligen eingeströmten Gases bestimmen. Diese Anzahl wird mit Hilfe einer Photodiode, einem Arduino und einem Computer ausgelesen.

__INHALTSVERZEICHNIS__
</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP Optik Versuchsaufbau Brechzahl.jpg|Beschreibung|1499px|thumb|right|Versuchsaufbau]]
</div>
</div>

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==
* Steckboard
* Breadboard
* Kasten mit Zubehör fürs Breadboard
* Zwei Spiegel mit Feineinstellungsmöglichkeit
* Strahlteilerwürfel
* Zwei Netzteile
* Operationsverstärker
* Oszilloskop
* Vakuumierbarer Glaskolben
* Laser
* Sammellinse
* Laptop
* Arduino
* Verschiedenste Kabel

== Versuchsaufbau ==

<div class="row">
<div class="large-7 columns">

; Schritt 1 : Das [[EXP:Michelson Interferometer|Michelson-Interferometer]] wird auf einem Breadboard aufgebaut. Es ist darauf zu achten, dass die Arme des Michelson-Interferometers mindestens 12 cm lang sind, sodass später der Glaskolben (Länge = 10 cm) ohne Probleme in den Arm eingebaut werden kann. Am Aufbau sollte solange justiert werden, bis man ein großes, scharfes, ringförmiges Interferenzmuster erkennen kann. In die Mitte des Interferenzmusters wird nun eine Photodiode eingebaut.

; Schritt 2: Auf einem Steckboard wird eine Photodiodenverstärker-Schaltung aufgebaut. Der zugehörige Operationsverstärker wird symmetrisch über zwei Netzteile angesteuert. Das über die Photodiode empfangene Signal wird mittels dieser Photodiodenverstärker-Schaltung auf das Oszilloskop übertragen, um zu prüfen, wie deutlich die Photodiode Maxima und Minima erkennt.

; Schritt 3: Der vakuumierbare Glaskolben wird mittels eines geeigneten Stativs in einen Arm des Michelson-Interferometers eingebaut. Eventuell muss das Interferometer neu justiert werden, sodass sich wieder ein scharfes Interferenzmuster ergibt.

; Schritt 4: Mit einem Arduino wird das Signal auf den Laptop gegeben. Über einen programmierten Schmitt-Trigger Code zählt der Laptop dann bei der Versuchsdurchführung die Anzahl der Maxima bzw. Minima.
</div>

<div class="large-3 columns>
[[Datei:EXP Optik Brechzahl Versuchsaufbau Schritt1.jpg|600px|thumb|right||Aufbau des Michelson-Interferometers mit eingebauter Photodiode.]]

[[Datei:EXP Optik Brechzahl Photodiodenverstärkerschaltung.png|600px|thumb|right||Photodiodenverstärker-Schaltung. Autorin: Katharina Stütz]]
</div>
</div>

== Versuchsdurchführung ==

Der Glaskolben wird vakuumiert und anschließend wird die Zählung mit dem Schmitt-Trigger auf dem Laptop gestartet. Nun lässt man durch langsames Öffnen des Ventils den Glaskolben mit Luft strömen bis er ganz voll ist. Über die gemessene Anzahl der Maxima bzw. Minima lässt sich nun der Brechungsindex berechnen.

== Auswertung ==
Ist d der Innenabstand zwischen Eintritts- und Austrittsfenster des Glaskolbens, so lässt sich auf dieser Länge durch das vakuumieren das Medium und damit die Brechzahl um <math>\Delta n</math> ändern. Die gezählte Anzahl <math>m</math> an aufgetretenen Maxima bzw. Minima beim Einströmen der Luft in den Glaskolben ist proportional zum Gangunterschied <math>\delta = 2\cdot d \cdot \Delta n</math>. Es gilt also

:<math>
\delta = m\cdot \lambda = 2 d \Delta n = 2d(n_L - n_V) = 2d(n_L-1).
</math>

Wobei <math>n_L</math> und <math>n_V</math> für den Brechungsindex von Luft bzw. Vakuum stehen. Hieraus ergibt sich also für die Berechnung des Brechungsindex von Luft:

:<math>
n_L = 1 + \frac{m\cdot \lambda}{2\cdot d}.
</math>

Bei mehrmaliger Durchführung des Versuchs ergab sich immer eine Anzahl von <math>m = 103</math>. Es wurde ein grüner Laser mit einer Wellenlänge von <math>\lambda = 532 \,\text{nm}</math> verwendet. Somit ergibt sich der Brechungsindex von Luft zu:

:<math>
n_L = 1 + \frac{m\cdot \lambda}{2\cdot d} = 1 + \frac{103\cdot 532\,\text{nm}}{2\cdot 0,1\,\text{m}} = 1,000274.
</math>

Vergleich mit dem Literaturwert <math>n_L = 1,000292</math> unter Normalbedingungen zeigt die hohe Messgenauigkeit des Versuchs. <ref>[https://de.wikipedia.org/wiki/Brechungsindex] Abgerufen am 27.09.2021</ref>

== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==
Durch die sehr hohe Empfindlichkeit des Michelson-Interferometers ist es sehr wichtig, dass zu jeder Zeit Vorsicht gegeben ist und man nicht ausversehen beispielsweise mit dem Ellenbogen gegen die fein eingestellten Spiegel kommt. Genauso beim Einbauen des Glaskolbens in den Arm des Interferometers.

Damit das Messinstrument so klar wie möglich wird folgt hier nun der verwendete Schmitt-Trigger-Code:

#define Analog_Pin A0
#define Ref_Voltage 5.0
#define Pin_Steps 1024.0

float v = 0; //gemessene Spannung
int count = 0; //Zähler
int a=0; //Schalter für Schmitt-Trigger

void setup() {
Serial.begin(115200);

}

void loop() {
v = analogRead(Analog_Pin)*Ref_Voltage/Pin_Steps; //Berechnung der ausgelesenen Spannung

if (v>=4 && a==0)
{
a=1; //konstr. Interferenz -> Schalter an
}
if (v<=2 && a==1)
{
a=0; //destr. Interferenz -> Schalter aus
count = count + 1;
Serial.print("n = ");
Serial.println(count);
}
}

== Fehlerabschätzung ==
Der Brechungsindex hängt von der Dichte und damit von der Temperatur der Luft ab, sowie von der Zusammensetzung der Luft d.h. insbesondere von der Luftfeuchtigkeit. Durch diese Faktoren kann es zu geringen Messunterschieden kommen.

== Sicherheitshinweise ==
Es ist auf maximale Spannung und Ströme bei den jeweiligen Bauteilen zu achten. Auf keinen Fall direkt in den Laserstrahl schauen und andere Personen vom Laserstrahl beim Aufbau durch Abschirmung schützen.
* [[BA:Elektrische Geräte, Anlagen und Leitungen|Elektrische Geräte, Anlagen und Leitungen]]
* [[BA:Laser der Klassen 1M, 2, 2M, 3A (insb. Laserpointer)|Laser der Klassen 1M, 2, 2M, 3A (insb. Laserpointer)]]

= Fotos =

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:EXP Optik Versuchsaufbau Brechzahl.jpg|Versuchsaufbau]]
<div class="orbit-caption">
Aufbau des gesamten Versuchs
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Optik Brechzahl Versuchsaufbau Schritt1.jpg|Aufbau des Michelson-Interferometers mit eingebauter Photodiode.]]
<div class="orbit-caption">
Aufbau des Interferometers mit eingebauter Photodiode
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP_Optik_Brechzahl_Photodiodenverstärkerschaltung.png|Photodiodenverstärker-Schaltung]]
<div class="orbit-caption">
Photodiodenverstärker-Schaltung
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

= Literatur =
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

HW:Spektrallampen

2025-10-16T09:37:47Z

Admin: 25 Versionen importiert

[[Kategorie:Optik]]

__KEIN_INHALTSVERZEICHNIS__

<div class="row">
<div class="large-7 columns">
Eine Spektrallampe besteht aus einer Anordnung von Kathode und Anode innerhalb einer mit einem Edelgas bzw. einer kleinen Menge Metall gefüllten Glasröhre. Wird eine Mindestspannung angelegt, so kommt es zur Gasentladung und somit zum Aussenden von Licht.

=== Aufbau und Funktionsweise ===

'''Aufbau'''

An einem länglichen und nach oben abgeschlossenen Glaszylinder (Niederdrucklampen) ist eine E27 Drehfassung befestigt, diese wird auch bei den meisten handelsüblichen Glühlampen verwendet. Im Inneren des Glaszylinders befindet sich eine weiterer Glaskolben mit zwei Elektroden, einem Zündgerät und das entsprechende Gas.

'''Funktionsweise'''

Durch das Einschalten des Netzgeräts wird eine ausreichende Hochspannung zwischen der Anode und der Katode erzeugt, die einen Funkten zwischen den beiden Elektroden hervorruft. Die kleine Menge Metall, die sich in dem Glaskolben befindet wird durch die entstandene Hitze verdampft. Das verdampfte Metall evtl. zusammen mit dem Edelgas ermöglicht einen Stromfluss zwischen den Elektroden. Um den Stromfluss zu erhalten ist nun eine niedrigere Betriebsspannung notwendig. Durch den Strom werden Elektronen von der Kathode zur Anode hin beschleunigt und stoßen unelastische auf das dazwischen befindliche verdampfte Metall. Durch die Stöße können Elektronen des Metalls angeregt werden und fallen danach unter Ausstoß eines Photons in den Grundzustand zurück. Entsprechend der Anregung entstehen dabei die charakteristischen Spektrallinien.

=== Zubehör ===

Zu den Spektrallampen gehören Fassungen und Netzgeräte.


=== Betriebsanweisungen ===

* [[BA:Metalldampflampen_insb._Quecksilber-Dampflampen| Metalldampflampen insb. Quecksilber-Dampflampen]]

=== Bedienungsanleitung des Herstellers ===

* [https://www.3bscientific.de/spektrallampe-na-1003541-u8476840-osram,p_655_8609.html Webseite des Herstellers]

</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:HW_Mechanik_Spektrallampe.jpg|600px|right|thumb| Na - Spektrallampe]]
</div>
<div class="large-5 columns">
<h3 class="subheader"><span style="display:inline;"></span> Wichtige Daten</h3>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%"|
| Sammlungsposition
| Optik: 3a
|-
| Hersteller
| OSRAM, Frederiksen
|-
| Verfügbare Typen
| Natrium (Na), Quecksilber (Hg)
|-
| Betriebsstrom
| max. 1 A
|}
</div>
</div>

=== Fotos ===

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li class="active">
[[Datei:HW_Mechanik_Spektrallampe_Zugehör.jpg|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Zugehör zur Spektallampe
</div>
</li>
<li>
[[Datei:HW_Mechanik_Spektrallampe_Eingeschaltet.jpg|slide 2]]
<div class="orbit-caption">
Eingeschaltete Spektallampe
</div>
</li>
<li>
[[Datei:HW_Mechanik_Spektrallampe.jpg|slide 3]]
<div class="orbit-caption">
Na-Spektrallampe ohne Zugehör
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</li>
</ul>
</div>
</div>


{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

EXP:Farbstofflaser

2025-10-16T09:37:46Z

Admin: 38 Versionen importiert

[[Kategorie:Optik]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

In diesem Experiment geht es um den Aufbau eines Farbstofflasers. Im ersten Schritt dient eine Glasküvette als Resonator. Der Fabrstoff in der Glasküvette wird mit einem Stickstofflaser angeregt. Im zweiten Schritt wird dann ein externer Resonator bestehend aus einem Hohlspiegel und einem Reflexionsgitter gebaut. Dies bietet die Möglichkeit einen durchstimmbaren Laser zu konstruieren.

__INHALTSVERZEICHNIS__

</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:EXP_Optik_Aufbau_internerResonator_1.jpg|thumb|right|600px|Versuchssaufbau und Darstellung der Spektren]]
</div>
</div>

<div class="row">
<div class="large-8 columns>

= Didaktischer Rahmen =

Hier werden speziell Themen wie Streuung, Absorption und Reflexion behandelt. Es geht unter anderem aber auch die die Funktionsweise von Linsen.
Soll jedoch die Funktionsweise eines Lasers bzw. des Lasings angesprochen werden, so lässt sich das Experiment auch in der Oberstufe im Themenbereich Wellen, Quantenphysik bzw. als vertiefendes Themengebiet einordnen.

== Nötige Vorkenntnisse ==

Zum besseren Verständnis des Experiments sollte den Schüler*innen Begriffe wie Fluoreszenz oder Resonator bekannt sein. Außerdem sollten die Funktionsweisen und Funktionen der einzelnen Bauelemente, wie Spiegel oder Reflexionsgitter, vorab besprochen worden sein.

</div>
<div class="large-4 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 7/8
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Optik
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| -
|-
|}
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%"|
|+ Klassifikation
|-
! style="width: 50%"|Quantitativ/Qualitativ
| Qualitativ
|-
! style="width: 50%"|Demo-/Schülerexperiment
| Demonstrationsexperiment
|-
! style="width: 50%"|Unterrichtsphase
| Vertiefungsphase
|-
! style="width: 50%"|Einzelversuch/Versuchsreihe
| Einzelversuch
|-
|}
</div>
</div>

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==

* Breadboard
* gepulster Stickstofflaser + Netzteil
* 2 Spiegel + 2 Spiegelhalter
* Zylinderlinse + Halterung
* Glasküvette + Küvettenhalter
* Rhodamin 6G in Methanollösung (Konzentration: 200g/L)
* Pipette
* Handschuhe
* Hohlspiegel + Halterung
* Reflexionsgitter
* Spektrometer
* PC mit der Software SpectraSuite
* 5 Stages
* verschiedene Bases, Post, Postholder, Schrauben, Unterlegscheiben, Schraubenzieher zur Befestigung der Bauteile auf dem Breadboard

== Versuchsaufbau ==

Zunächst wird der gepulste Stickstofflaser auf dem Breadboard befestigt. Anschließend wird der Laserstrahl mit den zwei Spiegeln durch die Zylinderlinse und in den Küvettenhalter mit der Glasküvette gelenkt. Die Zylinderlinse und die Küvettenhalterung sind auf Stages montiert, um eine Feineinstellung der Position vornehmen zu können. Die Glasküvette ist mit ca. 2 ml des Farbstoffs mithilfe der Pipette zu befüllen. Da Rhodium 6G sehr stark färbt, sollten Handschuhe getragen werden. Das Spektrometer wird auf einer der beiden Seiten des Küvettenhalters befestigt, da das Lasing im rechten Winkel zum einfallenden Strahl angeregt wird. Durch das Beobachten des Spektrums mit der Software SpectraSuite können die einzelnen Bauelemente so eingestellt werden, dass der Peak im Diagramm maximal ist. Die Zylinderlinse muss so ausgerichtet werden, dass der Farbstoff in einer Ebene angeregt wird, welche senkrecht zu den Wänden der Glasküvette steht. Nur so kann die Glasküvette als Resonator fungieren. Durch die hohe Absorption des Lasers durch den Farbstoff handelt es sich bei der Anregung eher um eine Linie als eine Ebene.

Im zweiten Schritt wird das Spektrometer entfernt und der Hohlspiegel und das Reflexionsgitter an den beiden Seiten des Küvettenhalters auf dem Breadboard befestigt. Auch diese werden auf Stages geschraubt, um die Positionen der Bauelemente minimal verändern zu können. Der Abstand zwischen Hohlspiegel und Reflexionsgitter darf nicht größer sein als die Brennweite des Hohlspiegels (hier: 20 cm). Das Spektrometer wird so auf dem Breadboard befestigt, dass die Reflexion am Spiegel detektiert werden kann. Das Gitter muss so gekippt werden, dass der eine Reflex wieder auf die Küvette und somit auch auf den Hohlspiegel trifft. Nur so können Hohlspiegel und Reflexionsgitter als Resonator dienen. Da die Küvette an sich schon sehr gut als Resonator funktioniert, kann die Wirkung des externen Resonators besser überprüft werden, wenn sich die Glasküvette nicht mehr in der optimalen Position befindet. Da diese im Küvettenhalter etwas Spielraum hat, reicht es die Küvette leicht anzustoßen.

== Auswertung ==

In den Abbildungen A und B wird der Unterschied zwischen Fluoreszenz und Lasing anhand der Form des Peaks schnell klar. Bei der Fluoreszenz ist der Peak deutlich breiter. Beim Lasing dagegen ist der Peak deutlich schärfer als bei der Fluoreszenz.

Da sich die Fluoreszenz für verschiedene Konzentrationen verschiebt, kann bereits durch die Veränderung der Farbstoffkonzentration die Wellenlänge des Lasings verändert werden. Der Laser ist in gewisser Weise also schon ohne externen Resonator durchstimmbar.

Bei der Betrachtung des Spektrums des externen Resonators sieht man schön, dass obwohl die Position der Küvette in der Halterung absichtlich verschlechtert wurde, der Peak sehr deutlich zu sehen ist.

== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==

Bei der Durchführung des Projektes sind folgende Schwierigkeiten aufgetreten:

Für eine zu geringe bzw. zu hohe Konzentration des Farbstoffs findet kein Lasing statt, dazu wurde mit Hilfe des Aufbaus die Fluoreszenz bzw. das Lasing für verschiedene Konzentrationen bestimmt und so die optimale Konzentration ermittelt. Diese beträgt für Rhodamin 6G und Methanol von 200g/L.

Bereits eine um wenige Grad verdrehte, bzw. um wenige Millimeter verschobene Zylinderlinse kann dafür sorgen, dass das Lasing nicht auftritt. Entsprechend sollte sichergestellt werden, das der vordere Teil der Küvette (in der das Lasing stattfindet) im Brennpunkt der Zylinderlinse ist und die Zylinderlinse so ausgerichtet ist, dass der Laserstrahl horizontal auf die Glasküvette trifft.

Der korrekte Verlauf des Strahlengangs kann am besten mit einem weißen Papier überprüft werden. Dadurch kann zum Beispiel sichergestellt werden, ob der Strahl mittig in die Küvette oder auf den Hohlspiegel trifft. Dieses Vorgehen ist auch sinnvoll, wenn man versucht, mit dem Spektrometer den doch recht schwachen Reflex des externen Resonators zu detektieren.

== Sicherheitshinweise ==

Bei der Verwendung des Stickstofflasers muss beachtet werden, dass der Laser im nahen UV-Bereich emittiert und daher für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Aus diesem Grund ist es wichtig, nicht direkt in den Strahl zu schauen. Außerdem dürfen keine reflektierenden Gegenstände (wie zum Beispiel Schraubenzieher) in den Strahlengang gehalten werden. Durch das Aufstellen von Schirmen oder die geeignete Ausrichtung des Lasers können Personen, welche sich ebenfalls im Raum befinden, geschützt werden. Bei der Verwendung von Methanol muss man sich der möglichen Gefahren bewusst sein.
* [[BA:Elektrische Geräte, Anlagen und Leitungen|Elektrische Geräte, Anlagen und Leitungen]]
* [[BA:Laser der Klassen 1M, 2, 2M, 3A (insb. Laserpointer)|Laser der Klassen 1M, 2, 2M, 3A (insb. Laserpointer)]]

= Fotos =
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<ul class="example-orbit" data-orbit>
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[[Datei:EXP_Optik_Aufbau_internerResonator_1.jpg|In der Abbildung ist der Aufbau eines Farbstofflasers dargestellt. Die Küvette mit dem Farbstoff dient als interner Resonator. Man kann sowohl Fluoreszenz als auch Lasing beobachten, je nach dem wie gut die Küvette in der Halterung ausgerichtet ist.]]
<div class="orbit-caption">
In der Abbildung ist der Aufbau eines Farbstofflasers dargestellt. Die Küvette mit dem Farbstoff dient als interner Resonator. Man kann sowohl Fluoreszenz als auch Lasing beobachten, je nach dem wie gut die Küvette in der Halterung ausgerichtet ist.
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[[Datei:EXP_Optik_Verdünnungsreihe.PNG|In der Abbildung ist die Intensität der Fluoreszenz übder die Wellenlänge für verschiedene Mischverhältnisse zu sehen.]]
<div class="orbit-caption">
In der Abbildung ist die Intensität der Fluoreszenz übder die Wellenlänge für verschiedene Mischverhältnisse zu sehen.
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</li>
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[[Datei:EXP_Optik_Aufbau_internerResonator_2.jpg|In der Abbildung ist in rot der Strahlengang eingezeichnet. Es wurden folgende Bauelemente verwendet: (1) Stickstofflaser, (2) Spiegel, (3) Zylinderlinse, (4) Küvettenhalterung mit Küvette, (5) Spektrometer.]]
<div class="orbit-caption">
In der Abbildung ist in rot der Strahlengang eingezeichnet. Es wurden folgende Bauelemente verwendet: (1) Stickstofflaser, (2) Spiegel, (3) Zylinderlinse, (4) Küvettenhalterung mit Küvette, (5) Spektrometer.
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[[Datei:EXP_Optik_Aufbau_internerResonator_3.jpg|In der Abbildung ist der Aufbau des internen Resonators noch einmal detailliert dargestellt.]]
<div class="orbit-caption">
In der Abbildung ist in rot der Strahlengang eingezeichnet. Es wurden folgende Bauelemente verwendet: (1) Stickstofflaser, (2) Spiegel, (3) Zylinderlinse, (4) Küvettenhalterung mit Küvette, (5) Spektrometer.
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[[Datei:EXP_Optik_Fluoreszenz.PNG|Es ist das Spektrum der Fluoreszenz dargestellt. Man erkennt schön, dass der Peak unten eher breit ist.]]
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Es ist das Spektrum der Fluoreszenz dargestellt. Man erkennt schön, dass der Peak unten eher breit ist.
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[[Datei:EXP_Optik_Lasing.PNG|Es ist das Spektrum zum Lasing dargestellt. Der Peak ist sehr schmal und entspricht der Wellenlänge des roten Farbstoffs.]]
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Es ist das Spektrum zum Lasing dargestellt. Der Peak ist sehr schmal und entspricht der Wellenlänge des roten Farbstoffs.
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[[Datei:EXP_Optik_Aufbau_externerResonator_1.jpg| In der Abbildung ist der Aufbau des externen Resonators dargestellt, bestehend aus einem Hohlspiegel und einem Reflexionsgitter.]]
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In der Abbildung ist der Aufbau des externen Resonators dargestellt, bestehend aus einem Hohlspiegel und einem Reflexionsgitter.
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[[Datei:EXP_Optik_Aufbau_externerResonator_2.jpg|In der Abbildung ist der Strahlengang zum externen Resonator dargestellt. Mans sieht schön, dass der Hohlspiegel und das Reflexionsgitter als Wände des Resonators dienen und sich das Licht zwischen diesen bewegt. Für en Aufbau wurden die folgenden Bauelemente verwendet: (1) Stickstofflaser, (2) Spiegel, (3) Zylinderlinse, (4) Küvettenhalterung mit Küvette, (5) Hohlspiegel, (6) Reflexionsgitter, (7) Spektrometer]]
<div class="orbit-caption">
In der Abbildung ist der Strahlengang zum externen Resonator dargestellt. Mans sieht schön, dass der Hohlspiegel und das Reflexionsgitter als Wände des Resonators dienen und sich das Licht zwischen diesen bewegt. Für en Aufbau wurden die folgenden Bauelemente verwendet: (1) Stickstofflaser, (2) Spiegel, (3) Zylinderlinse, (4) Küvettenhalterung mit Küvette, (5) Hohlspiegel, (6) Reflexionsgitter, (7) Spektrometer
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[[Datei:EXP_Optik_Aufbau_externerResonator_3.jpg|In der Abbildung ist der Aufbau des externen Resonators detaillierter dargestellt.]]
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In der Abbildung ist der Aufbau des externen Resonators detaillierter dargestellt.
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<li class="active">
[[Datei:EXP_Optik_ext_Resonator_Aufbau.jpg|In der Abbildung ist der gesamte Versuchsaufbau von oben dargestellt.]]
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In der Abbildung ist der gesamte Versuchsaufbau von oben dargestellt.
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https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

BP:Mondphasen

2025-10-16T09:37:39Z

Admin: 53 Versionen importiert

[[Kategorie:Optik]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>
In diesem Projekt soll ein Mondphasenmodell mit Kamera gebaut werden. Dadurch wird die Ansicht der Konstellation der Himmelskörper, so wie die Ansicht aus Sicht der Erde ermöglicht. Die Rotation des Mondes kann über einen Computer gesteuert werden. Dieses Experiment stellt eine Erweiterung des klassischen [[EXP:Entstehung_der_Mondphasen|Mondphasen-Experiments]] dar.

__INHALTSVERZEICHNIS__

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:BP_Optik_Mondphasenmodell_Aufbau.JPG|right|thumb|600px|Aufbau des Mondphasenmodells]]
</div>
</div>

<div class="row">
<div class="large-7 columns">
== Benötigtes Material ==

* Styroporkugel als Mond (Durchmesser 2,5 cm)
* teilbare Acrylkugel als Erde (Durchmesser 10 cm)
* ausgedruckte [http://www.boehmwanderkarten.de/kartographie/is_netze_globussegmente.html Globussegmente]
* Fotolicht als Sonne
* GoPro
* Breadboard
* Rotation Stage
* Motor Controller
* Computer mit APT Software
* Tablet mit GoPro Quik App
* Rotating Breadboard (Durchmesser 30 cm)
* Optical Rail (Länge 30cm)
* zwei Posts
* dünne Stange + schwarzer Strohhalm
* Bohrmaschine, Klebstoff
* Pappe
* Schwarzer Fotokarton (3 Bögen)
* schwarzer Stoff
* Stativmaterial (drei Stangen, drei Muffen und zwei Füße)

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:BP_Optik_Mondphasenmodell_Innenansicht.jpg|400px|thumb|right|Aufbau im Inneren des Erdmodells.]]
</div>
</div>

== Versuchsaufbau ==

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<div class="large-7 columns">
; Schritt 1 : Zunächst werden die "Himmelskörper" vorbereitet. Dafür wird in die Acrylkugel ein Loch gebohrt für die spätere Montage und die Kugel mit Globussegmenten eingekleidet. Hierbei muss eine Aussparung gelassen werden an der Stelle, an der später die Linse der GoPro sitzen wird. Die Styroporkugel für den Mond kann grau angemalt werden. Für die Sonne wird ein Fotolicht verwendet.

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:BP_Optik_APTConfig.jpg|400px|thumb|right|APT Config.]]
</div>
</div>

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<div class="large-7 columns">

; Schritt 2 :Auf ein Breadboard wird die Rotation Stage und darauf das Rotation Breadboard geschraubt. Darauf wird ein Optical Rail befestigt, auf das mit Hilfe eines Posts und einer dünnen Stange + schwarzem Strohhalm das Mondmodell angebracht wird. In die Mitte des Rotation Breadboards wird mit einem Post das Erdmodell geschraubt.

; Schritt 3 : Als Kamera wird eine GoPro verwendet. Diese wird in das Erdmodell gestellt, dabei kann ein kleines Podest aus Pappe für die richtige Positionierung helfen. Über die GoPro Quik App auf einem Tablet/ Smartphone kann die Ansicht der GoPro per Livestream verfolgt werden. Es empfiehlt sich, einen festen ISO Wert einzustellen (z.B. ISO 400), damit die GoPro nicht ständig automatisch die Helligkeit nachregelt.

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:BP_Optik_APTUser.jpg|400px|thumb|right|Bedienfeld des Motor Controllers in APT User.]]
</div>
</div>

<div class="row">
<div class="large-7 columns">

; Schritt 4 : Die Rotation Stage wird per Kabel mit dem Motor Controller verbunden und dieser über USB mit einem PC/ Laptop. Über die APT Software kann der Motor gesteuert werden. Dafür muss zunächst in APT Config der richtige Controller und die Stage ausgewählt werden und anschließend kann in APT User darauf zugegriffen werden. In APT User können Positionen eingegeben werden, zu denen sich das Mondmodell drehen soll (hierbei handelt es sich um eine programmeigene Einheit und keine Gradzahlen!) und außerdem die Drehgeschwindigkeit variiert werden.

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:BP_Optik_APTUser_Einstellungen.jpg|400px|thumb|right|Einstellungen für den Motor Controller in APT User.]]
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<div class="large-7 columns">

; Schritt 5 : Um die Mondphasen gut beobachten zu können, sollte es möglichst dunkel sein. Mit Hilfe von Stativen können schwarze Plakate und/ oder schwarzer Stoff halbkreisförmig um den Aufbau aufgestellt werden. Somit ist der Hintergrund zwar abgedunkelt, auf das Modell kann aber trotzdem noch von oben oder von der Seite geblickt werden.
</div>
</div>
== Auswertung ==
In der Kategorie Video ist ein Video zu finden, das zeitgleich beide Ansichten des Mondmodells zeigt. Dort ist ein ganzer Umlauf des Monds um die Erde zu sehen, wodurch alle Mondphasen einmal vorkommen.

== Probleme und ihre Lösungen ==

* Das Modell hat Grenzen. In Realität ist der Mond weiter von der Erde entfernt und die Sonne natürlich noch weiter. Dies ist jedoch im Modell nicht umzusetzen. Darauf muss eingegangen werden, wenn das Modell verwendet wird.
* Die meisten Schwierigkeiten traten bei den verwendeten Geräten und Software auf. Hier muss darauf geachtet werden, dass Bauteile einheitlich sind (metrische Gewinde) und der korrekte Motor Controller für die passende Stage genommen wird. Für die APT Software sollte man sich an die Thorlabs Anleitung halten.
* Die GoPro wird sehr heiß, wenn sie für eine längere Zeit betrieben wird und verbraucht viel Akku. Soll das Modell also länger am Stück verwendet werden, muss hier auf eine alternative Kamera ausgewichen werden.
* Der Mond hat im Modell eine konstante Höhe gegenüber der Erde. Es wird also bei Vollmond entweder nie oder immer zu einer Mondfinsternis kommen. Dieses Problem könnte evtl. durch einen zusätzlichen winkelverstellbaren Ring in der Basis behoben werden.
* Das Fotolicht sorgt für eine breite Beleuchtung und garantiert dadurch, dass der Mond in allen Phasen belichtet wird. Jedoch folgt hieraus, dass es im Modell zu keiner Sonnenfinsternis kommen kann. Dies könnte evtl. durch eine andere Lichtquelle und Variation der Abstände verbessert werden.

== Einsatz in der Schule ==
;Bildungsplan
Die Mondphasen werden in Klasse 7/8 im Bereich der Optik behandelt.
Speziell unter 3.2.2 (6) heißt es "die Schülerinnen und Schüler können optische Phänomene im Weltall erklären (Mondphasen, Sonnenfinsternis, Mondfinsternis)"

;Vorwissen der Schüler
Um die Mondphasen zu verstehen, benötigen die Schüllerinnen und Schüler ein Grundverständniss des Sehvorgangs, der Lichtausbreitung und des Schattens.

;Fehlvorstellungen
*„Schatten – eine Substanz, die aus Körpern ausströmt.“ Schatten wird oft nur in einem Zusammenhang mit einem Objekt gesehen, das diesen Schatten wirft, anstatt als Abwesendheit von Licht. Bei Neumond ist der Mond jedoch nicht dunkel, weil er sich im Schatten eines anderen Himmelskörpers befindet, sondern weil nur die unbeleuchtete Seite von der Erde aus sichtbar ist.

*"Die Mondphasen entsehen durch den Erdschatten." Diese Vorstellung kann mit dem oben beschriebenen Modell sehr leicht ausgeräumt werden. Durch eine kleine Abwandlung des Modells, in dem man den Mond tiefer anbringt, kann gezeigt werden, dass es zu einer Mondfinsternis kommt, wenn sich der Mond durch den Erdschatten bewegt.

== Video ==

[https://didaktik.pi5.physik.uni-stuttgart.de/w/pud_aux/Mondphasen_beideAnsichten.mp4 Video eines vollen Umlaufs]

== Fotos ==
<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li class="active">
[[Datei:BP_Optik_Mondphasenmodell_Aufbau.JPG]]
<div class="orbit-caption">
Aufbau des Mondphasenmodells.
</div>

</li>
<li>
[[Datei:BP_Optik_Mondphasenmodell_Innenansicht.jpg]]
<div class="orbit-caption">
Innenansicht des Mondphasenmodells.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:BP_Optik_APTConfig.jpg]]
<div class="orbit-caption">
Softwareansicht APT Config.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:BP_Optik_APTUser.jpg]]
<div class="orbit-caption">
Bedienfeld des Motor Controllers in APT User.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:BP_Optik_APTUser_Einstellungen.jpg]]
<div class="orbit-caption">
Einstellungen für den Motor Controller in APT User.
</div>
</div>

== Literatur ==
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

PL:Einführung in den Lagrange-Formalismus

2025-10-16T09:36:13Z

Admin: 30 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

Auf dieser Seite finden sich Informationen für die Betreuenden der Lerneinheit "Einführung in den Lagrange-Formalismus", die für SuS des Leistungskurses Physik ab Ende der 11. Klasse entwickelt wurde. Für diese Lerneinheit wurde ein [https://didaktik.pi5.physik.uni-stuttgart.de/moodle/course/view.php?id=63 Moodle-Kurs] erstellt.

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:PL LagrangeTitelbild.png||1499px|thumb|center]]
</div>
<div class="large-5 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 11/12 (Leistungskurs)
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Mechanik
|-
|}
</div>
</div>

__INHALTSVERZEICHNIS__

= Hintergrundinformationen zur Lerneinheit =

== Grundsätzliches==
Der Lagrange-Formalismus bildet in der Regel keinen Bestandteil des Physikunterrichts und bleibt dem tertiären Bildungsbereich vorbehalten. An ihm kann aber exemplarisch ein Bild von der Rolle und Tiefe mathematischer Beschreibungen in der theoretischen Physik gezeichnet werden, welches im regulären Physikunterricht nur eingeschränkt zum Tragen kommt. Neben inhaltsbezogenen Kompetenzen im Bereich der Mechanik erwerben die SuS dabei prozessbezogene Kompetenzen aus den Bereichen Mathematisierung, Modellierung und Kommunikation. Zusammen mit der zielgerichteten Einbindung von Experimenten können die SuS insgesamt einen Einblick in die Denk- und Arbeitsweisen der Physik erhalten, der sie bei der Berufs- und Studienorientierung unterstützt.

Eine besondere Herausforderung für die SuS bei dieser Lerneinheit besteht in den fortgeschrittenen mathematischen Beschreibungen, die zum Einsatz kommen. Mathematische Konzepte müssen dabei nicht nur auf einer abstrakten Ebene verstanden werden, sondern auch auf einen physikalischen Kontext bezogen werden. Außerdem bringen die SuS bereits Vorwissen und Vorstellungen zur Mechanik mit. Hierbei besteht eine besondere Herausforderung darin, dass den SuS verständlich wird, warum mit dem Lagrange-Formalismus eine zu den Newtonschen Axiomen alternative Beschreibung eingeführt werden soll.

Inhaltlich wird in der Lerneinheit der Lagrange-Formalismus zweiter Art behandelt. Der Fokus wird dabei auf die Behandelbarkeit von Zwangsbedingungen sowie die Verwendbarkeit von verallgemeinerten Koordinaten gelegt. Zwangsbedingungen werden zur Behandlung verschiedener realtitätsnaher Problemstellungen aus der Mechanik benötigt. Die Verwendung von verallgemeinerten Koordinaten, die auf das vorliegende System angepasst sind, kann dessen mathematische Behandlung signifikant vereinfachen.

An dieser Stelle soll angemerkt werden, dass der Lagrange-Formalismus weitere interessante Aspekte bietet, die in dieser Lerneinheit nicht behandelt werden. Beispielsweise können im Lagrange-Formalismus Einblicke in den Zusammenhang zwischen Symmetrien und Erhaltungsgrößen erhalten werden, der sich beispielsweise am Auftreten zyklischer Variablen zeigt. Zudem bildet das Hamiltonsche Prinzip (Prinzip der stationären Wirkung) einen Anknüpfungspunkt zu anderen physikalischen Theorien.

==Schülerperspektive==
Das Vorwissen der SuS ist eine wesentliche Voraussetzung beim Erwerb von neuem Wissen im Rahmen der Lerneinheit. daher lohnt es sich für die Unterstützung der SuS, dieses Vorwissen genau zu kennen.

Im Bereich der Mechanik lernen die SuS im Laufe ihrer Schulzeit zunächst kinematische Größen wie die Geschwindigkeit kennen, die allerdings als Differenzenquotienten statt Ableitungen eingeführt werden. Außerdem lernen die SuS die Newtonschen Axiome kennen. Dies geschieht zunächst quantitativ, indem Kräfte als Ursache der Änderung von Bewegungszuständen thematisiert werden. Außerdem werden Idealisierungen bei der Beschreibung von Bewegungen behandelt. Im Leistungsfach werden mechanische Schwingungen betrachtet. Dafür werden Größen wie Amplitude und Periodendauer eingeführt. Schließlich werden die Schwingungen mit Differentialgleichungen modelliert, die mit Ansätzen gelöst werden.

= Vorbereitung der Lerneinheit =

Um die Schülerinnen und Schüler bei Fragen und Schwierigkeiten unterstützen zu können, sollten Betreuende den Moodle-Kurs im Rahmen der Vorbereitung auf die Lerneinheit einmal selbst bearbeitet haben. Außerdem sollten sie eine Vorlesung in der theoretischen Physik besucht haben, in der der Lagrange-Formalismus behandelt wird.

== Material ==

</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:PL Lagrange Spiralfeder.png|300px|thumb|right||Spiralfedern, die für das Federpendel verwendet werden können]]
</div>
</div>

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

Für jede Zweiergruppe müssen folgende Materialien bereitgestellt werden:
* Schülerlabor-Laptop (die Software [https://did-apps.physik.uni-wuerzburg.de/Did-Apps-Site/fluxion_info/ Fluxion] muss installiert werden, falls nicht bereits vorhanden)
* Taschenrechner
* Lange Stativstange (mind. <math>150\,\mathrm{cm}</math>)
* Tischklemme für die Stativstange
* Muffe mit Haken
* Lineal (<math>1\,\mathrm{m}</math>)
* Set mit Massestücken
* Schere
* Faden (Gütermann Obergarn C Ne 50)
* Spiralfedern
* Stoppuhr

Weiterhin ist es sinnvoll, pro Gruppe mindestens eine Tafel, ein Smartboard oder ein Whiteboard zu Verfügung zu haben, an denen die SuS oder Betreuenden ihre Gedankengänge gut sichtbar festhalten können. Vor Beginn der Lerneinheit sollten alle Laptops in Moodle eingeloggt werden und der Kurs geöffnet werden.

= Hinweise zur Durchführung =
Zu Beginn der Lerneinheit sollten die SuS begrüßt werden- Dabei sollten folgende Punkte angesprochen werden:
* Beim Umgang mit den Massestücken ist Vorsicht geboten. Diese können durch Herunterfallen Schäden an Personen und Gegenständen verursachen. Daher sollten keine Massen von über <math>1\,\mathrm{g}</math> verwendet werden.
* Die im Moodle-Kurs gestellten Aufgaben sind, zumindest stichpunktartig, schriftlich zu beantworten. Bevor ihr Fragen im Moodle-Kurs beantwortet, solltet ihr ordentlich darüber nachgedacht haben - geraten wird nur im Notfall!
* Solltet ihr mit einer Antwort falsch liegen oder habt ihr raten müssen - überlegt euch, warum eure ursprüngliche Antwort falsch war und warum die korrekte Antwort richtig ist. Holt euch dabei gerne Hilfe von einer Betreuerin oder einem Betreuer!
* Allgemein gilt: Solltet ihr irgendwo Schwierigkeiten haben, Rückfragen haben oder zum Beispiel einen Fehler entdecken: Meldet euch gerne bei den Betreuern! In diesem Kurs kommen fortgeschrittene mathematische Konzepte zum Einsatz. Diese lassen sich oft besonders dann gut verstehen, wenn man sie von jemand anderem erklärt bekommt. Auch deshalb gilt: Zögert nicht, euch an die Betreuenden zu wenden.

= Fotos =

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:PL Lagrange Fadenpendel.png|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Versuchsaufbau Fadenpendel
</div>
</li>
<li>
[[Datei:PL Lagrange Fadenpendel.png|slide 2]]
<div class="orbit-caption">
Stroboskopbild des Fadenpendels
</div>
</li>

<li>
[[Datei: PL Lagrange Federpendel.png|slide 3]]
<div class="orbit-caption">
Versuchsaufbau Federpendel
</div>
</li>

</ul>
</div>
</div>

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

EXP:Magnetfeldmessung

2025-10-16T09:36:11Z

Admin: 69 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns">
In diesem Experiment wird mit Hilfe eines Hall-Sensors, kombiniert mit einem Ultraschallsensor zur Bestimmung des Abstands, das Magnetfeld von Spulen vermessen. Die Messdaten werden durch einen Arduino-Controller erfasst und ausgewertet. Es werden Diagramme erstellt, die das Magnetfeld in Abhängigkeit vom Abstand entlang der Spulenachse darstellen.

Ziel ist es, das Magnetfeld einer Spule zu untersuchen und zu zeigen, inwiefern dieses innerhalb der Spule homogen ist. Die Ergebnisse bieten eine Grundlage, um das theoretische Konzept des Magnetfelds einer idealen Spule mit den experimentellen Werten zu vergleichen.

__INHALTSVERZEICHNIS__

= Theoretische Zusammenfassung =
===Magnetfeld stromdurchflossener Leiter und Spule===
Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld, denn bewegte elektrische Ladungen (also ein elektrischer Strom) erzeugen ein magnetisches Feld um sich herum.

[[Datei:EXP_Elektromagnetismus_Magnetfeld_eines_stromdurchflossenen_Leiters.jpeg.jpg |200px|mini|center|Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters [2]]]

Dies wird durch das Ampère’sche Gesetz beschrieben. Die Magnetfeldlinien verlaufen dabei kreisförmig um den Leiter, wobei ihre Richtung mit der sogenannten Rechte-Hand-Regel bestimmt werden kann: Wenn der Daumen der rechten Hand in die Richtung des Stromflusses zeigt, dann geben die gekrümmten Finger die Richtung des Magnetfelds um den Leiter.

Das Magnetfeld, das durch einen stromdurchflossenen Leiter erzeugt wird, gehört zu den grundlegenden Phänomenen des Elektromagnetismus. Eine Spule bestehend aus vielen Windungen eines Leiters, ist besonders geeignet, ein starkes und gleichmäßiges Magnetfeld zu erzeugen.

Eine stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld, das sich sowohl innerhalb als auch außerhalb der Spule ausbreitet. Die Stärke des Magnetfeldes <math>B</math> im Inneren einer idealen, langen und luftgefüllten Spule hängt von der Stromstärke <math>I</math> und der Anzahl der Windungen <math>n</math> ab. Die Beziehung zwischen diesen Größen wird durch die folgende Formel beschrieben

<center>
<math> B = \mu_0 \cdot n \cdot I </math>.
</center>

Dabei ist <math>\mu_0</math> magnetische Feldkonstante, auch als Permeabilität des Vakuums bekannt.
Innerhalb der idealen, langen Spule ist das Magnetfeld nahezu homogen, das heißt, die Feldlinien verlaufen parallel und mit gleichmäßiger Dichte. An den Enden der Spule, sowie außerhalb, treten sogenannte „Randeffekte“ auf, bei denen das Magnetfeld abnimmt und inhomogener wird. Im Versuch soll die Stärke des Magnetfeldes an verschiedenen Punkten innerhalb und außerhalb der Spule gemessen werden, um den theoretischen Verlauf zu überprüfen.

===Hall-Effekt und Hall-Sensor===
Zur Messung des Magnetfelds der Spule wird im Versuchsaufbau ein Hall-Sensor verwendet, der auf dem Hall-Effekt beruht.
Der Hall-Effekt tritt auf, wenn ein Strom durch ein leitfähiges Material fließt, das in einem senkrechten Magnetfeld steht. Die Lorentzkraft bewirkt eine Verschiebung der Ladungsträger zu einer Seite des Leiters. Dies führt zu einer Ladungstrennung, da sich durch die Verschiebung mehr Elektronen auf der einen Seite des Leiters befinden. Aufgrund der Ladungstrennung entsteht eine Hall-Spannung, die der Hall-Sensor abgreift. Da die Hall-Spannung proportional zur Magnetfeldstärke ist, kann mit dieser die Stärke des Magnetfelds bestimmt werden.

[[Datei:EXP_Elektromagnetismus_Hall-Sensor.jpg|300px|mini|center|Hall-Sensor [3]]]

===Ultraschall-Sensor===
Zur Abstandsmessung wird im Versuchsaufbau ein Ultraschallsensor verwendet. Ein Ultraschallsensor sendet hochfrequente Schallwellen aus, die für das menschliche Ohr nicht hörbar sind. Diese Wellen prallen auf ein Objekt und werden als Echo zurückgeworfen. Der Sensor misst die Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Schalls und dem Empfang des Echos. Da die Schallgeschwindigkeit konstant ist, kann der Sensor anhand dieser Zeit die Entfernung zum Objekt berechnen.

= Didaktischer Rahmen =

== Fachdidaktische Zielsetzung ==

Das Experiment mit dem Hallsensor zur Vermessung des Magnetfelds einer stromdurchflossenen Spule zielt darauf ab, den Schülerinnen und Schülern die grundlegenden Eigenschaften von Magnetfeldern und das physikalische Feldkonzept näherzubringen. Sie lernen dabei, dass das Magnetfeld innerhalb der Spule weitgehend homogen ist, während es am Rand und außerhalb der Spule inhomogen wird. Dies ermöglicht ein tiefgreifendes Verständnis der Struktur von Magnetfeldern und deren Veranschaulichung durch Feldlinien. Durch das Messen und Beschreiben des Magnetfelds wird die Fähigkeit gefördert, Phänomene des Magnetismus experimentell zu untersuchen.

Darüber hinaus schult das Experiment das Verständnis der magnetischen Wirkung einer stromdurchflossenen Spule, was eine zentrale Grundlage für viele Anwendungen des Elektromagnetismus darstellt, wie zum Beispiel Elektromagnete oder Elektromotoren. Indem die Schülerinnen und Schüler das Verhalten des Magnetfelds erforschen, gewinnen sie praktische Einsichten in den Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und Magnetfeld und verstehen die technische Relevanz solcher Phänomene.[4] [5]

== Nötige Vorkenntnisse ==

Die Schülerinnen und Schüler sollten bereits ein grundlegendes Verständnis von Magnetismus besitzen, insbesondere die Konzepte von Magnetpolen, Anziehung und Abstoßung sowie die Eigenschaften von Magnetfeldern. Idealerweise haben sie einfache Experimente mit Permanentmagneten durchgeführt und kennen den Begriff der Feldlinien zur Darstellung von Magnetfeldern.

Zusätzlich sollten sie die grundlegenden Zusammenhänge zwischen elektrischem Strom und Magnetismus kennen, wie etwa die Erzeugung eines Magnetfelds durch einen stromdurchflossenen Leiter. Erste Erfahrungen mit elektrischen Stromkreisen und dem Verhalten von Strom in Spulen sind ebenfalls hilfreich, um das Experiment besser zu verstehen.

== Mögliche Schülerschwierigkeiten ==

Eine mögliche Schwierigkeit für die Schülerinnen und Schüler könnte das Verständnis des abstrakten Feldkonzepts sein. Magnetfelder sind unsichtbar, und das Konzept der Feldlinien kann schwer greifbar sein, besonders wenn sie versuchen, den Zusammenhang zwischen den gemessenen Daten des Hallsensors und der tatsächlichen Verteilung des Magnetfelds zu verstehen. Insbesondere die Tatsache, dass das Magnetfeld innerhalb der Spule homogen, aber außerhalb inhomogen ist, könnte Verwirrung stiften, da sie eine räumliche Vorstellung der Feldstruktur entwickeln müssen.

Ein weiteres Problem könnte darin bestehen, die Rolle des elektrischen Stroms bei der Erzeugung des Magnetfelds zu begreifen. Schülerinnen und Schüler könnten Schwierigkeiten haben, den Zusammenhang zwischen der Stromstärke, der Anzahl der Windungen der Spule und der Stärke des Magnetfelds zu erkennen. Zudem könnten Messfehler beim Umgang mit dem Hallsensor auftreten, was zu inkonsistenten Ergebnissen führt und das Verständnis des Experiments erschwert.

== Schülervorstellungen, die hier relevant werden ==

Eine mögliche Schülervorstellung, die hier relevant wird, ist die Annahme, dass das Magnetfeld um die Spule gleichmäßig verteilt ist, ähnlich wie bei einem Stabmagneten. Viele Schülerinnen und Schüler könnten glauben, dass das Magnetfeld sowohl innerhalb als auch außerhalb der Spule homogen ist, was im Widerspruch zu den Messungen steht, die zeigen, dass das Feld nur im Inneren der Spule homogen und außen inhomogen ist. Eine weitere mögliche Fehlvorstellung ist, dass Magnetfelder immer nur von Permanentmagneten erzeugt werden und nicht von elektrischen Strömen, was das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Strom und Magnetfeld erschwert.

</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:EXP_HallSensor_Titelbild.jpg|Beschreibung|1499px|thumb|center|Grundaufbau der Magnetfeldmessung einer Spule mit dem Arduino]]
</div>
<div class="large-5 columns">
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 7/8/9 oder 11/12
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Elektromagnetismus
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| 3.2.4 Magnetismus und Elektromagnetismus oder 3.4.2 Elektromagnetische Felder
|-
|}
</div>
</div>

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==

* Gleichspannungsquelle
* 2x Messleitungen (4mm, 0,5m)
* Verschiedene Spulen
* Schullineal
* 2x Optische Bänke
* 3x Reiter
* 2x Stativklemmen
* 2x Stativstangen (kurz)
* 2x Klemmen
* Holzstück (oder ähnliches zur Variation der Spulenhöhe)
* Doppelseitiges Klebeband
* Arduino Microcontroller (MC)
* 8x Jumper-Kabel
* Hall-Sensor
* Ultraschall-Sensor

== Versuchsaufbau ==

<div class="row">
<div class="large-8 columns">

; Schritt 1 : Für diesen Versuch ist der Download von Arduino notwendig.
; Schritt 2: Der Versuch wird wie in der Abbildung dargestellt aufgebaut.
[[Datei:EXP Elektromagnetismus Versuchsaufbau1.jpg|500px|mini|center|Übersicht des Versuchsaufbaus]]

; Schritt 3: Die Pins des Hall- und Ultraschallsensor werden mit dem Arduino Microcontroller verbunden.
[[Datei:EXP Elektromagnetismus Versuchsaufbau2.jpg|500px|mini|center|Detailaufnahme des Microcontrollers]]
:Hierbei wird jeweils Ground des Sensoren auf Ground des MC (schwarz) und als Spannungsversorgung VCC bzw. + der Sensoren auf 5V des MC (rot) gesteckt.
:Die Eingänge lassen sich aus dem Python Code ablesen:

<blockquote>
<pre>
#define Hall_Sensor_Pin A0
int Digital_Eingang = 3;
const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
float duration, distance;
</pre>
</blockquote>

:Die Eingänge werden demnach wie folgt gesteckt:
:Hall-Sensor
:* A0 auf Analogeingang A0 des MC (blau)
:* D0 auf Digitaleingang 3 des MC (grün)

[[Datei:EXP_Elektromagnetismus_Versuchsaufbau4.jpg|200px|thumb|center|Detailaufnahme Hall-Sensor]]

:Ultraschall-Sensor
:* trigPin auf Digitaleingang 9 des MC (grün)
:* echoPin auf Digitaleingang 10 des MC (blau)

[[Datei:EXP_Elektromagnetismus_Versuchsaufbau3.jpg|200px|thumb|center|Detailaufnahme Ultraschall-Sensor]]

== Versuchsdurchführung ==

Für die Durchführung des Versuchs wird zunächst die Spule an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen und eingeschaltet.

Im nächsten Schritt wird das Lineal mit den darauf befestigten Sensoren langsam durch die Spule geschoben. Dadurch fährt der Hall-Sensor schrittweise durch das Innere und das Äußere der Spule, um das Magnetfeld an verschiedenen Positionen zu messen. Die Messwerte des Hall-Sensors, der das Magnetfeld erfasst, und des Ultraschallsensors, der die Entfernung bestimmt, werden kontinuierlich vom Arduino Microcontroller aufgenommen und gespeichert.

Die aufgenommenen Daten werden anschließend in Form eines Diagramms ausgewertet, das das Magnetfeld in Abhängigkeit vom Abstand entlang der Spule zeigt.

Dieser Vorgang wird mit verschiedenen Spulen wiederholt, die sich in ihrer Windungszahl und Geometrie unterscheiden.

Die Versuchsdurchführung erfolgt mit dem folgenden Quellcode.

<blockquote>
<pre>
#define Hall_Sensor_Pin A0
int Digital_Eingang = 3;
const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
float duration, distance;

void setup() {
pinMode(Hall_Sensor_Pin, INPUT);
pinMode(Digital_Eingang, INPUT);
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
Serial.begin(9600);
Serial.println("Spannung in V, Magnetfeld in G");
}

void loop() {
float voltage;
float gauss;
int digital;
//offset ist der Abstand zwischen dem Hallsensor und dem Ultraschall Sensor und muss angepasst werden
float offset = 18.16 + 19.4;

//Aktuelle Werte werden ausgelesen, auf den Spannungswert und auf den Magnetfeldwert konvertiert...
voltage = analogRead(Hall_Sensor_Pin) * (5.0 / 1023.0); //muss auf den Sensor Mittelpunkt kalibriert werden
gauss = ((voltage - 2.556) / 0.015) * (-1);
digital = digitalRead(Digital_Eingang);

//Abstandsensor
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);

duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
distance = ((duration * .0343) / 2);
// -1 um die Distanz in der Spule zu bekommen
distance = (distance - offset) * (-1);

// Spannung in V, Magnetfeld in G, Abstand in m
Serial.print(voltage, 2);
Serial.print(","); // Komma als Trennzeichen
Serial.print(gauss, 2);
Serial.print(","); // Komma als Trennzeichen
Serial.println(distance, 2);

delay(200);
}

</blockquote>

Die Funktionen sind in dem Quellcode kommentiert.
<div></div>
Es muss darauf geachtet werden, dass der Abstand nachkalibriert wird. Die richtige Stelle dazu findet sich im kommentierten Quellcode.

== Auswertung ==

Für die Auswertung wird der Arduino an den USB-Port des Notebooks angeschlossen, was zugleich als Stromversorgung dient.

<div></div>
Für die Programmierung wird der Code, welcher in Versuchsdurchführung zu finden ist, in Arduino IDE auf den Arduino kopiert.
<div></div>
Es gab Probleme beim kopieren der Werte aus der Konsole der Arduino IDE. Somit wurde PuTTY verwendet, um sich auf die COM Schnittstelle des Arduino einzuloggen. Die Konsole mit der Ausgabe kann hier per rechtsklick Kopiert werden. Die Ausgabe kann in einem Tabellenverarbeitungsprogramm nachbearbeitet werden und anschließend in einem Plottprogramm der Wahl zu einem Graph umgewandelt werden.
<div></div>
Exemplarisch wurde in QtiPlot die Werte der Stärke des Magnetfeldes über die Strecke des Hallsensors in der Spule aufgetragen.

[[Datei:EXP_kurze_Spule_HallSensor.png|400px|thumb|center|Messwerte der Stärke des Magnetfelds entlang der Achse der kurzen Spule, erfasst durch den Hall-Sensor, aufgetragen über Strecke.]]
[[Datei:EXP_lange_Spule_HallSensor.jpg|400px|thumb|center|Messwerte der Stärke des Magnetfelds entlang der Achse der langen Spule, erfasst durch den Hall-Sensor, aufgetragen über die Strecke.]]
Bei der langen Spule (20 cm) ist deutlich zu sehen, dass es innerhalb annähernd homogen ist. Bei der kurzen Spule (7 cm) flacht das Magnetfeld sehr schnell wieder ab.

== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==
===Betriebsfehler bei Sensoren===
Es kann vorkommen, dass die Sensoren aufgrund von Beschädigung oder Fehlkalibrierung nicht korrekt arbeiten. Daher empfiehlt es sich die Funktionsfähigkeit der Sensoren vor der Versuchsdurchführung zu überprüfen und die Sensoren gegebenenfalls auszutauschen. So kann beispielsweise beim Hall-Sensor mit Hilfe eines Stabmagnets getestet werden, ob der Sensor ein Magnetfeld detektiert. Beim Ultraschallsensor kann die Kalibrierung mit Hilfe eines Lineals nachgemessen werden.

===Störungen durch externe Magnetfelder===
Externe Magnetfelder, beispielsweise von anderen elektrischen Geräten, können die Messungen beeinflussen. Daher sollte die Versuchsdurchführung fern von möglichen Störquellen stattfinden, um externe Einflüsse zu reduzieren.

===Vertauschen der Anschlüsse an einer Spule===
Ein weiteres Problem tritt auf, wenn die Anschlüsse der Spule vertauscht werden. Das bedeutet, dass der Strom durch die Spule in die entgegengesetzte Richtung fließt.
Das Vertauschen der Anschlüsse kehrt die Richtung des Magnetfelds um, was im Diagramm eine spiegelverkehrte Darstellung der Messwerte verursacht (positive Werte werden negativ und umgekehrt). Daher ist darauf zu achten, die Anschlüsse der Spulen immer in derselben Richtung anzuschließen, um vergleichbare Messwerte zu erhalten.

=== Sicherheitshinweise ===

Um sowohl Geräte als auch Personen vor potenziellen Gefahren zu schützen, sollten folgende Punkte beachtet werden:

Es sollte sichtergestellt werden, dass die Spannung des Netzteils für die Spule und den Arduino innerhalb der sicheren Betriebsgrenzen liegt, um Beschädigungen, Überhitzung und Kurzschlüsse zu vermeiden. Zudem sollten gut isolierte Kabel verwendet werden, um versehentliche Kurzschlüsse oder Stromschläge zu verhindern. Da der Hall-Sensor temperaturempfindlich ist, sollte auf eine stabile Umgebungstemperatur geachtet werden. Außerdem sollten lose metallische Gegenstände in der Nähe des Magnetfelds vermieden werden, um Gefahren durch plötzlich angezogene Objekte zu verhindern

<div></div>
= Literatur =

{|
[1] https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

{|
[2] https://www.emf.ethz.ch/de/emf-info/themen/physik/magnetische-felder/typen-von-magnetischen-feldern , Aufgerufen 27.09.2024
|}

{|
[3] https://lp.uni-goettingen.de/get/text/4622, Aufgerufen 27.09.2024
|}

{|
[4] https://www.bildungsplaene-bw.de/,Lde/LS/BP2016BW_ALLG_SEK1_PH_IK_7-8-9_04, Aufgerufen 23.09.2024
|}

{|
[5] https://www.bildungsplaene-bw.de/,Lde/LS/BP2016BW/ALLG/GYM/PH/IK/11-12-BF-QUANTEN/02, Aufgerufen 24.09.2024
|}

{|
[6] https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A300/SE014.pdf, Aufgerufen 17.07.2024
|}

Kategorie:Elektromagnetismus

2025-10-16T09:36:08Z

Admin: 6 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

Physikalisches Ziel des Experiments. Beschreibe hier genauer z.B. welches Phänomen hier gezeigt werden soll oder was genau hier gemessen werden soll.

__INHALTSVERZEICHNIS__

= Theoretische Zusammenfassung =

Welche physikalische Theorie steckt hinter dem Versuch. Gerne so genau wie möglich und so ausführlich wie nötig.

= Didaktischer Rahmen =

== Fachdidaktische Zielsetzung ==

Auf welche prozessbezogene Kompetenz soll hier Wert gelegt werden? Beschreibe hier genauer was die SuS mit diesem Experiment lernen sollen.

== Nötige Vorkenntnisse ==

Beschreibe hier genauer welche Vorkenntnisse ein*e SuS benötigt um das Experiment verstehen zu können. Dabei müssen auch die nötigen Vorkenntnisse aus anderen Fächern beachtet werden.

== Mögliche Schülerschwierigkeiten ==

Beschreibe hier welche Schwierigkeiten die SuS beim Beobachten des Demonstrationsexperiments bzw. beim eigenständigen Durchführen des Experiments haben könnten. GGf. kannst du hier auch Lösungsansätze beschreiben.

== Schülervorstellungen, die hier relevant werden ==

Gibt es in der Literatur (z.B. Schecker, Horst; Wilhelm, Thomas; Hopf, Martin; Duit Reinders (Hrsg.) (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Berlin: Springer-Verlag GmbH) bereits erforschte Schülervorstellungen, die bei diesem Experiment relevant werden könnten? Beschreibe die Schülervorstellungen mit eigenen Worten und beschreibe warum sie hier relevant sind. GGf. kannst du auch einen Lösungsansatz beschreiben.

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:00 Platzhalter.jpeg|Beschreibung|1499px|thumb|center|Die Auswahl des Bildes sollte symbolisch den gesamten Versuch beschreiben und ansprechend sein]]
</div>
<div class="large-5 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| ?
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| Kapitel, Abschnitt
|-
|}
</div>
</div>

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==

Als Liste einfügen mit den Links zur Hardware, wenn sie sich schon im Wiki befindet. Beispiel:
* [[HW:Influenzmaschine|Influenzmaschine]]

== Versuchsaufbau ==

Genauere Beschreibung des Versuchsaufbaus. Hier können auch einzelne Schritte beschrieben werden. Gerne zu jedem Schritt Bilder einfügen.

<div class="row">
<div class="large-8 columns">

; Schritt 1 : BlaBla.
; Schritt 2: Aber bitte nicht jede einzelne angezogene Schraube beschreiben! Wenn bestimmte Größen ausgeschrieben werden wie z.B. 500 g dann kann man zwischen der Maßzahl wie hier ein halbes Leerzeichen einfügen.

</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:00 Platzhalter_Kolibri.jpg|600px|thumb|right||Durch das geschickte Setzen von Umgebungen kann das Bild des Kolibris hier an dieser Stelle erscheinen und könnte jetzt zum Beispiel den ersten Schritt des Experiments beschreiben]]
</div>
</div>

== Versuchsdurchführung ==

Beschreibe hier genauer was man zur Durchführung tun muss. Aus was muss dabei geachtet werden?

== Auswertung ==

Hier sollen Diagramme, Werte und eine Fehlerabschätzung zum Experiment hin. Gegebenenfalls können hier auch Gleichungen eingebunden werden. Mathematische Ausdrücke werden durch den <code><nowiki><math></nowiki></code>-Tag initiiert:

:<math>
\mathrm{i}\hbar\frac{\partial}{\partial t} |\,\psi (t) \rangle = \hat{H} |\,\psi (t) \rangle.
</math>

Beim Vergleich mit Literaturwerten oder ähnlichem sollte durch die Referenzumgebung <code><nowiki><ref></nowiki></code> auf geeignete Quellen verwiesen werden, diese erscheinen dann auch automatisch am Seitenende.<ref>[https://www.pi5.uni-stuttgart.de/de/forschung/physik-und-ihre-didaktik/ ''Website Abteilung Physik und ihre Didaktik''] Abgerufen am 31.08.2021</ref>

== Fehlerabschätzung ==

== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==
Treten beim Experiment häufiger Fehler auf? Bitte beschreibe sie hier.

== Sicherheitshinweise ==
Hier nötige Sicherheitshinweise notieren. Ggf. Betriebsanweisung verlinken.
* [[BA:Influenzmaschine|Influenzmaschine]]

= Fotos =
Am Ende des Dokuments kommt eine Galerie aller Bilder, die zu diesem Experiment unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind. Im Allgemeinen lohnt es sich häufig auch, bereits bestehende Texte und deren Syntax zu betrachten:<br>
<code>
<nowiki><div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:Bild.png|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Bildbeschreibung
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div></nowiki>
</code>

<br>

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:00 Platzhalter.jpeg|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Platzhalter
</div>
</li>
<li>
[[Datei:00 Platzhalter_Kolibri.jpg|slide 2]]
<div class="orbit-caption">
Ein Kolibri
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

= Literatur =
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

EXP:Holographie

2025-10-16T09:36:07Z

Admin: 54 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

In diesem Experiment soll im Gegensatz zu einem herkömmlichen zweidimensionalen Bild ein dreidimensionales Bild eines Objektes erzeugt werden.

__INHALTSVERZEICHNIS__

= Theoretische Zusammenfassung =

Bei einem Hologramm wird neben der Helligkeit und der Farbe des Lichtes auch die Phaseninformation auf der Oberfläche einer geeigneten Fotoplatte gespeichert. Damit ein Hologramm entsteht, muss ein Laserstrahl in einen Objekt- und einen Referenzstrahl aufgeteilt werden:

* Der Objektstrahl wird auf das Objekt gerichtet, von dessen Oberfläche reflektiert und fällt anschließend auf die Fotoplatte.
* Der Referenzstrahl hingegen trifft direkt auf die Fotoplatte.

Auf der Fotoplatte interferieren diese beiden Teilstrahlen. Das entstehende Interferenzmuster enthält Informationen über die Phase (räumliche Information) und die Amplitude (Helligkeit). Handelt es sich bei den Fotoplatten um Silberhalogenid-Platten, werden durch auftreffendes Licht Silberkationen zu Silber reduziert. Durch das Interferenzmuster variiert das Ausmaß, in dem Silberkationen an einer bestimmten Stelle auf der Platte reduziert werden. Nach der Belichtung muss die Fotoplatte noch entwickelt werden. Hierbei wird das entstandene Silber ausgewaschen, wodurch die Schichtdicke auf der Glasoberfläche verändert wird. Dadurch ändert sich auch der Brechungsindex und die dreidimensionale Struktur ist auf der Fotoplatte gespeichert. Um ein Hologramm abschließend betrachten zu können, wird es mit einem Laserstrahl oder einer anderen geeigneten Lichtquelle im passenden Winkel beleuchtet. Dies ermöglicht das Betrachten eines Hologramms aus verschiedenen Perspektiven.

Generell wird zwischen Reflexions- und Transmissionshologrammen unterschieden. Bei Ersterem wird das Bild von der Betrachter-Seite rekonstruiert. Bei Transmissionshologrammen scheint die Lichtquelle aus Sicht des Betrachters von hinten durch die Fotoplatte, wodurch das dreidimensionale Abbild sichtbar wird.

= Didaktischer Rahmen =

== Fachdidaktische Zielsetzung ==

Durch dieses Experiment wird Schülerinnen und Schülern der Umgang mit optischen Bauteilen nähergebracht und die Empfindlichkeit eines solchen Versuchsaufbaus verdeutlicht. Die Lernenden können unter Aufsicht einer Lehrkraft teilweise selbst experimentieren und die Durchführung reflektieren. Zu beachten ist hierbei, dass je nach Fotoplatte möglicherweise ein Laser verwendet werden muss, der eine hohe Leistung besitzt und daher nicht für Schülerinnen und Schüler geeignet ist. Außerdem dürfen die Lernenden nicht in Kontakt mit einigen Chemikalien bei der Entwicklung der Fotoplatte kommen. Dennoch können die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen fächerübergreifend thematisiert werden. Daneben kann das Wissen zum Thema Interferenz vertieft sowie eine praktische Anwendung aufgezeigt werden.

== Nötige Vorkenntnisse ==

* Grundlagen zum Wellencharakters des Lichts, Interferenz und Beugung sowie Reflexion und Brechung
* Aspekte aus dem Themengebiet Licht und Materie, insbesondere der Brechungsindex für das Verständnis über das Entstehen des dreidimensionalen Bildes
* Polarisation von elektromagnetischen Wellen zum Verständnis eines Polarisationsstrahlteilers
* Funktionsweise von Linsen und Spiegeln
* Experimentieren mit optischen Bauteilen

== Mögliche Schülerschwierigkeiten ==

* Komplexität des Gesamtaufbaus, da viele Einzelkomponenten benötigt werden
* Verständnis über die Entstehung des dreidimensionalen Bildes

== Schülervorstellungen, die hier relevant werden ==

Schülerinnen und Schüler können im Themenfeld der Interferenz unter anderem das Problem haben, dass Interferenz nicht nur zur Verstärkung, sondern auch zur Verringerung der Intensität führen kann. Aufgrund der destruktiven Interferenz führt die Kombination von Licht und Licht nicht automatisch dazu, dass es heller wird. Daneben kann es zur Verwechslung von Polarisation und Interferenz kommen, da Polarisationsgitter und Beugungsgitter äußerlich identisch aussehen, jedoch unterschiedliche Funktionsweisen besitzen. Des Weiteren besteht häufig die Vorstellung, dass konstruktive Interferenz auftritt, wenn das Licht aus derselben Richtung kommt und es zu destruktiver Interferenz kommt, wenn die Lichtwellen von verschiedenen Richtungen aufeinandertreffen. <ref>Schecker, Horst; Wilhelm, Thomas; Hopf, Martin; Duit Reinders (Hrsg.) (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Berlin: Springer-Verlag GmbH</ref>

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:Titelbild Holographie.jpg|mini|Beschreibung|1499px|thumb|center|Aufnahme eines Hologramms in der Dunkelkammer.
]]
</div>
<div class="large-5 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 11-12
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Optik
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| Kapitel Wellenoptik, Abschnitt 3.6.4 (3) <ref>[https://www.bildungsplaene-bw.de/,Lde/LS/BP2016BW/ALLG/GYM/PH ''Bildungsplan 2016 Physik Gymnasium''] Abgerufen am 26.09.2024</ref>

|-
|}
</div>
</div>

= Versuchsanleitung =

In dieser Versuchsanleitung wird ein Experiment für Transmissionshologramme beschrieben.

== Benötigtes Material ==

Neben Silberhalogenid-Fotoplatten, dem optischen Aufbau zur Erzeugung des Hologramms und den Lösungen zum Entwickeln und Bleichen der Fotoplatten wird eine Dunkelkammer benötigt. Außerdem sollte eine Taschenlampe und ein Heißluftfön bereitgelegt werden.

Materialien für den optischen Aufbau:

</div>
<div class="flex">
[[Datei:Detailaufnahme Holographie Aufbau.png|mini|600px|thumb||Die Abbildung zeigt eine Detailaufnahme des Lasers (links) mit dem Polarisationsstrahlteiler und den beiden λ/2-Plättchen, den zwei Spiegeln (unten im Bild), der xyz-Stage, auf der eine Linse und ein Pinhole fixiert sind und der Irisblende (rechts).]]
</div>
</div>

* Breadboard mit Länge 1,2<span style="font-size:50%;"> </span>m und Breite 0,8<span style="font-size:50%;"> </span>m
* vier Schubkarrenschläuche
* Nd YAG Laser mit λ<span style="font-size:50%;"> </span>=<span style="font-size:50%;"> </span>532<span style="font-size:50%;"> </span>nm und 500<span style="font-size:50%;"> </span>mW Leistung (für Schülerinnen und Schüler nicht erlaubt)
* Lens-Tubes
* zwei λ/2-Plättchen
* Polarisationsstrahlteiler
* Shutter
* Strahlfänger
* zwei Spiegel
* zwei z-Stages
* xyz-Stage
* Linse mit 40-facher Vergrößerung
* Pinhole
* Irisblende
* Halterung für Fotoplatte
* Halterung für z-Stage

Zur Herstellung der Entwickler-Lösung werden auf 1<span style="font-size:50%;"> </span>L der Lösung folgende Chemikalien benötigt:

* 2,5<span style="font-size:50%;"> </span>g Metol (für Schülerinnen und Schüler nicht erlaubt)
* 10<span style="font-size:50%;"> </span>g Vitamin C
* 50<span style="font-size:50%;"> </span>g Soda

Zur Herstellung der Bleichbad-Lösung werden auf 1<span style="font-size:50%;"> </span>L der Lösung folgende Chemikalien benötigt:

* 5<span style="font-size:50%;"> </span>g Kaliumdichromat (für Schülerinnen und Schüler nicht erlaubt)
* 80<span style="font-size:50%;"> </span>g Natriumhydrogensulfat

Alternative Rezepturen für die Entwicklerlösung und das Bleichbad sind auch bei Thor-Labs <ref>[https://www.thorlabs.de/thorproduct.cfm?partnumber=PHGKIT ''Thor-Labs PHGKIT''] Abgerufen am 26.09.2024</ref> zu finden. Weiterhin werden zum Entwickeln der Platten benötigt:

* drei Kristallisationsschalen
* Zange für Fotoplatten
* Abfallgefäß
* Handschuhe

== Versuchsaufbau ==

Im Folgenden wird der Gesamtaufbau der Optik genauer erläutert. Generell ist es wichtig beim Aufbau darauf zu achten, dass zwischen Linse und Objekt ein möglichst großer Abstand vorhanden ist, sodass der Laserstrahl-Durchmesser maximal ist und so ein möglichst großer Bereich (optimal die gesamte Fotoplatte) ausgeleuchtet wird. Der Abstand zwischen Pinhole und Objekt beträgt in diesem Experiment 70<span style="font-size:50%;"> </span>cm.

</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:Transmissionshologramm schematisch.svg|mini|600px|thumb|right||Darstellung des Objekt- und des Referenzstrahls zum Erstellen eines Transmissionshologramms.]]
</div>
</div>

<div class="row">
<div class="large-8 columns">

; Schritt 1: Zuerst werden die Linse und das Pinhole auf der xyz-Stage fixiert.
; Schritt 2: Anschließend werden der Laser, ein λ/2-Plättchen, der Polarisationsstrahlteiler, der Strahlfänger, zwei Spiegel sowie die xyz-Stage mit Linse und Pinhole befestigt. Der Aufbau wird so lange justiert, bis die Leistung hinter dem Pinhole maximal ist. Das λ/2-Plättchen dient zusammen mit dem Polarisationsstrahlteiler und dem Strahlfänger zur Steuerung der Laserleistung, die zur Erstellung des Hologramms benötigt wird. Durch drehen des λ/2-Plättchens kann Leistung in den Strahlfänger abgegeben werden. Dies vereinfacht auch die Justage des Aufbaus.
; Schritt 3: Ist der Aufbau justiert, wird durch das Einbauen von Lens-Tubes störendes Streulicht eliminiert.
; Schritt 4: In einem möglichst großen Abstand zum Pinhole wird eine z-Stage auf dem Board fixiert. Auf dieser z-Stage wird sich später das Objekt befinden, das aufgenommen werden soll. Direkt vor die z-Stage wird ein Gerüst als Halterung für die Fotoplatte befestigt. Dieses besteht unter anderem aus einer weiteren z-Stage, die horizontal ausgerichtet wird. Dies ermöglicht eine freie Drehung der Fotoplatte.
; Schritt 5: Zwischen Polarisationsstrahlteiler und Spiegel wird ein weiteres λ/2-Plättchen fixiert. Dieses dient dazu die Polarisation des austretenden Lichtes erneut drehen zu können. Ziel ist es damit den Laserstrahl im Brewster-Winkel auf die Fotoplatte treffen zu lassen, um störende Reflexionen, die das Bild beeinflussen können, zu eliminieren.
; Schritt 6: Unmittelbar hinter dem Pinhole wird zusätzlich eine Irisblende fixiert, die höhere Beugungsordnungen abschneidet.

</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:Gesamtaufbau Holographie.jpg|600px|thumb||Die Abbildung zeigt den gesamten optischen Aufbau zur Aufnahme eines Hologramms. Der Strahlengang des Lasers ist ebenfalls in grün eingezeichnet.]]
</div>
</div>

== Versuchsdurchführung und Auswertung ==

; Vorbereitungen

Bevor das Hologramm erstellt werden kann, muss die nötige Belichtungszeit für die jeweiligen Holographieplatten im Zusammenhang mit der verwendeten Laserleistung ermittelt werden. Bei den hier verwendeten Platten handelt es sich um grün-sensitive Platten von Thor-Labs (PHG63) für Transmissionshologramme. Aus dem Datenblatt der Fotoplatten kann die jeweilige Sensitivität entnommen und daraus die nötige Belichtungszeit berechnet werden <ref>[https://www.thorlabs.us/thorproduct.cfm?partnumber=PHG63 ''Website Thor-Labs: Green Sensitive Holography Plates''] Abgerufen am 26.09.2024</ref>. Für eine Laserwellenlänge kann aus dem Datenblatt eine Sensitivität S von S<span style="font-size:50%;"> </span>=<span style="font-size:50%;"> </span>100<span style="font-size:50%;"> </span><math>\frac{\mu J}{cm^2}</math> ermittelt werden. Für eine Strahlfläche von 10<span style="font-size:50%;"> </span>cm<sup>2</sup> ergibt sich die benötigte Energie von 100<span style="font-size:50%;"> </span>µJ zum Belichten der Platten. Bei einer Laserleistung von 1<span style="font-size:50%;"> </span>mW ergibt das eine Belichtungszeit von einer Sekunde.

</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:Holographie Schritt für Schritt.svg|mini|600px|thumb|right||Schritt für Schritt Übersicht zum Erstellen eines Hologramms.]]
</div>
</div>

; Erstellen des Hologramms
Die Durchführung des Versuches muss in einer Dunkelkammer erfolgen. Ein geeignetes Objekt, beispielsweise eine Schraube, wird auf der z-Stage platziert. Der Laser kann eingeschaltet und der Shutter geschlossen werden. Ab jetzt darf kein Licht, ausgenommen der Komplementärfarbe zur Sensititvität der Fotoplatten, verwendet werden. Da hier grün-sensitive Platten eingesetzt werden, kann schwaches rotes Licht für die weiteren Arbeitsschritte eingeschaltet werden. Die Fotoplatte wird mit Handschuhen ausgepackt und an der Halterung befestigt. Aufgrund der obigen Berechnung der Belichtungszeit von einer Sekunde, muss die Fotoplatte dem Laserlicht für diese Zeitspanne ausgesetzt sein. Danach wird der Shutter wieder geschlossen, der Laser ausgeschaltet und die Fotoplatte zum Entwicklen aus der Halterung entnommen.

; Entwickeln und Bleichen des Hologramms

Das Entwickeln und Bleichen der Platte muss ebenfalls in der Dunkelkammer erfolgen. Hierzu werden drei Kristallisationsschalen vorbereitet, wobei in die erste Schale die Entwicklerlösung eingefüllt wird, in die zweite demineralisiertes Wasser zum Reinigen und in die dritte die Bleichlösung. Die Lösungen sollen die Platte vollständig benetzten und werden daher jeweils zu etwa 0,5<span style="font-size:50%;"> </span>cm hoch befüllt. Die belichtete Platte wird zuerst mithilfe einer Zange für 2-3 Minuten in die Entwicklerlösung gegeben und immer wieder leicht geschwenkt. Dabei wird die gesamte Platte dunkel. Anschließend wird in der Schale mit demineralisiertem Wasser die Entwicklerlösung abgewaschen, danach die Fotoplatte in das Bleichbad gegeben und ebenfalls für 2-3 Minuten geschwenkt. Hierbei sollte sich die Platte wieder entfärben. Ist dies geschehen, kann das Licht wieder eingeschaltet werden.

; Rekonstruieren des Hologramms

Die Platte wird abschließend mit einem Heißluftföhn vorsichtig bei niedriger Temperatur (40-50<span style="font-size:50%;"> </span>°C) getrocknet und kann im trockenen Zustand mit einer geeigneten Lichtquelle betrachtet werden. Dabei lässt sich das Bild einfacher rekonstruieren, wenn die Gelatine-Schicht der Platte in Richtung des Beobachters zeigt.

== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==

* Für das Experiment muss eine Dunkelkammer oder ähnliches zur Verfügung stehen. Zudem muss für das Arbeiten im Dunkeln Zeit eingeplant werden, da sich die Augen einige Minuten an die Dunkelheit gewöhnen müssen.
* Der Versuch ist generell zeitintensiv und erfordert eine präzise Justage. Die Durchführung mit einer ganzen Klasse ist daher schwierig.
* Die Qualität der Hologramme ist von vielen Faktoren abhängig und es benötigt Zeit, um die passenden Parameter (Belichtungszeit, Abstand zwischen Fotoplatte und Objekt, geeignetes Objekt, Laserleistung etc.) zu finden um ein gutes Ergebnis zu erhalten.
* Als Vereinfachung könnten Fotoplatten verwendet werden, die keine Entwicklung benötigen. Damit wird die Arbeit mit giftigen Chemikalien umgangen und Zeit eingespart.
* Die Emulsionsschicht der Fotoplatte muss bei der Belichtung in Richtung des Objektes zeigen und dementsprechend in die Halterung eingebaut werden. Um in der Dunkelkammer herausfinden zu können, wie die Platte eingesetzt werden muss, kann sie angehaucht und im roten Licht betrachtet werden. Die Seite, die beim Anhauchen nicht beschlägt, ist die Emulsionsseite.

== Sicherheitshinweise ==

Betriebsanweisungen für Kaliumdichromat und Metol (Tätigkeitsverbot für Schülerinnen und Schüler sowie werdende oder stillende Mütter)
* [[BA:Kaliumdichromat|Betriebsanweisung Kaliumdichromat]]
* [[BA:Metol|Betriebsanweisung Metol]]

= Fotos =

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:Detailaufnahme Holographie Aufbau.png|600px|thumb|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Detailaufnahme des optischen Aufbaus.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:Transmissionshologramm schematisch.svg|600px|thumb|slide 2]]
<div class="orbit-caption">
Schematische Darstellung zur Entstehung eines Transmissionshologramm.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:Gesamtaufbau Holographie.jpg|300px|thumb|slide 3]]
<div class="orbit-caption">
Gesamter optischer Aufbau zur Aufnahme eines Hologramms.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:Holographie Schritt für Schritt.svg|600px|thumb|slide 4]]
<div class="orbit-caption">
Schritt für Schritt Anleitung zur Arbeitsweise.
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

= Literatur =
<references />

EXP:Suszeptibiltätsmessung von Gadolinium

2025-10-16T09:36:05Z

Admin: 71 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

In diesem Versuch soll ein Phasenübergang von Gadolinium eine durch die Messung der magnetischen Suszeptibilität <math>
\chi
</math>
in Abhängigkeit von der Temperatur <math> T</math> untersucht werden. Der Phasenübergang findet bei der Curie-Temperatur von Gadolinium <math>
T_\mathrm{C} \approx 19\,^\circ \mathrm{C}
</math>
statt. Es kann gezeigt werden, dass sich das Gadolinium unterhalb dieser Temperatur ferromagnetisch und oberhalb dieser Temperatur paramagnetisch verhält.

__INHALTSVERZEICHNIS__

= Theoretische Zusammenfassung =

Welche physikalische Theorie steckt hinter dem Versuch. Gerne so genau wie möglich und so ausführlich wie nötig.

= Didaktischer Rahmen =

== Fachdidaktische Zielsetzung ==

Auf welche prozessbezogene Kompetenz soll hier Wert gelegt werden? Beschreibe hier genauer was die SuS mit diesem Experiment lernen sollen.

== Nötige Vorkenntnisse ==
Es sind keine spezifischen Vorkenntnisse zur Durchführung des Versuchs notwendig. Hilfreich sind Kenntnisse zu Arduino sowie zur Auswertung mit Python.

== Schülervorstellungen, die hier relevant werden ==

Gibt es in der Literatur bereits erforschte Schülervorstellungen, die bei diesem Experiment relevant werden könnten? Beschreibe die Schülervorstellungen mit eigenen Worten und beschreibe warum sie hier relevant sind. GGf. kannst du auch einen Lösungsansatz beschreiben.

Quelle angeben, z.B. so: <ref>
H. Schecker, T. Wilhelm, M. Hopf, R. Duit (Hrsg.) (2018). ''Schülervorstellungen und Physikunterricht. Ein Lehrbuch für
Studium, Referendariat und Unterrichtspraxis.'' Berlin: Springer-Verlag GmbH. S. XY.
</ref>

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP Suszeptibilität Gesamter Versuchsaufbau.JPG|Beschreibung|1499px|thumb|center|Abbildung 1: Versuchsanordnung zur Suszeptibilitätsmessung von Gadolinium]]
</div>
<div class="large-5 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 7/8
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Magnetostatik
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| Magnetismus und Elektromagnetismus, Punkt 3.2.4 (1)
|-
|}
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%"|
|+ Klassifikation
|-
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| Realexperiment
|-
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| Quantitativ
|-
! style="width: 50%"|Organisationsform
| Lehrerversuch
|-
! style="width: 50%"|Unterrichtsphase
| Vertiefungsphase
|-
! style="width: 50%"|Geräteaufwand
| Aufbauversuch
|-
! style="width: 50%"|Ausführungsform
| Einzelversuch
|-
|}
</div>
</div>

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==

Für den Versuch wird folgendes Material benötigt:

* Gadolinium - Probe (Zylinder mit Höhe <math>h=2\,\mathrm{cm}</math> und Durchmesser <math>d=1\,\mathrm{cm}</math>, ausgemessen mit einem Messschieber)
* Neodym-Permanentmagent (Zylinder)
* Pasco Smart Magnetfeldsensor, 3-achsig
* Lineal (<math>30\,\mathrm{cm}</math>)
* Stativmaterial
** Stativstange (<math>150\,\mathrm{cm}</math>)
** Stativstange (<math>30\,\mathrm{cm}</math>)
** Stativstange (<math>5\,\mathrm{cm}</math>) mit M6-Gewinde
** Tischklemme
** 2 Doppelmuffen
** Faden
** Klebeband
** Notizzettel
** Schere
* Lötmaterial
** Lötkolben
** Lötzinn
** Schrumpfschläuche
* Arduino
** Arduino (Uno, Nano, ...; nicht relevant, welcher)
** passendes USB-Anschlusskabel für den Arduino
** PC mit [https://www.arduino.cc/en/software Arduino IDE] und Python
*
** Temperatursensor (DS1820)
** <math>4,7~\mathrm{k\Omega}</math>-Widerstand
* Kraftmessung
** Wägezelle (1 kg mit zugehöriger Verstärker-PCB (HX711))
** Massestück
** [[HW:Digitalwaage AMIR bis 500g|Digitalwaage AMIR bis 500g]]
**Elektronikzeugs
*** Steckbrett
*** Jumper-Kabel
* Wasserbad für die Gadolinium-Probe
** Wasser
** Becherglas (<math>20\,\mathrm{ml}</math>)
** Kühlschrank
** Heizfolie
** Bananenkabel
** [[HW:Labornetzgerät PeakTech 6226|Labornetzgerät PeakTech 6226]]
** Kaltgerätekabel
** Styroporklotz
** Cutter
** Plastiktüte für die Gadolinium-Probe
** Kupferdraht
** Zange

== Versuchsaufbau ==
; Schritt 1:

<div class="row">
<div class="large-7 columns">

Mit dem Pasco-Magnetfeldsensor wird die Magnetfeldkomponente des Neodymmagneten in Richtung der Symmetrieachse des Magneten <math>B</math> auf der Symmetrieachse des Magneten in Abhängigkeit vom Abstand des Sensors zum Magneten <math>d</math> ausgemessen.

; Schritt 2:

Die Temperatur der Gadolinium-Probe wird mit einem Wasserbad verändert. Hierzu wird ein Becherglas mit Heizfolie umwickelt und in einen Styroporklotz eingelassen, in dem zuvor mit einem Cuttermesser ein entsprechender Hohlraum eingebracht wurde. Die Heizfolie wird mit einem Netzgerät betrieben. Die Gadolinium-Probe wird mit einer Plastiktüte vor Wasser geschützt. Um die Probe aufrecht im Becherglas platzieren zu können, wird sie mit Kupferdraht umwickelt und damit stabilisiert.

</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:EXP Suszeptibilität Wasserbad.JPG|300px|thumb|right||Abbildung 2: Wasserbad mit Gadolinium-Probe]]
</div>
</div>

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

; Schritt 3:

Die Wägezelle wird mit einer Stativstange mit M6-Gewinde an einem Stativ montiert. Die an der Wägezelle entstehende Spannung wird mit einer Verstärkerschaltung verstärkt und am Arduino abgegriffen. Nach einer Kalibration kann aus dieser Spannung die Kraft auf die Wägezelle bestimmt werden. Die Kalibration erfolgt mit einem Massestück, dessen Masse mit einer Waage bestimmt wird und welches mit dem gleichen Faden wie der Magnet an der Wägezelle befestigt wird. Anschließend wird der Neodymmagnet mit einem Notizzettel und Klebeband an diesem Faden aufgehängt und das Stativ so justiert, dass der Magnet möglichst genau <math>2\,\mathrm{cm}</math> senkrecht über der Gadolinium-Probe hängt.

</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:EXP Suszeptibiltät Aufhängung.JPG|250px|thumb|right||Abbildung 3: Aufhängung des Permanentmagneten]]
</div>
</div>

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

; Schritt 4:

Ebenso wird die am Temperatursensor vorherrschende Temperatur mit dem Arduino ausgelesen. Im Serial Monitor der Arduino-IDE werden die gemessene Masse und die Temperatur jeweils ca. sekündlich in einer Zeile ausgegeben.

Dabei bedient man sich folgender Schaltung aus den o.g. Komponenten:

</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:EXP Suszeptibiltät Aufhängung.JPG|250px|thumb|right||Abbildung 3: Aufhängung des Permanentmagneten]]
</div>
</div>

Der Programmcode unserer Durchführung ist dabei.

== Versuchsdurchführung ==
Um eine Messung durchzuführen, wird das Becherglas mit Wasser befüllt, welches zuvor im Kühlschrank gekühlt wurde. Anschließend wird mit dem Betrieb der Heizfolie begonnen und das Arduino-Programm gestartet. Nach Erreichen der gewünschten Endtemperatur wird die Masse des Magneten ermittelt, indem das Becherglas mit der Gadolinium-Probe unter dem Magneten entfernt wird und weiterhin Messwerte für die Kraft aufgenommen werden. Die Ausgabe im seriellen Monitor kann in eine Textdatei kopiert und anschließend mit Python ausgewertet werden.

== Auswertung ==
Es bezeichne die <math>z</math>-Richtung die Richtung der Symmetrieachse des Magneten von Süden nach Norden. Idealerweise zeigt die magnetische Flussdichte <math>\vec{B}</math> entlang der Symmetrieachse des Magneten in <math>z</math>-Richtung. In guter Näherung zeigen die durch das externe Magnetfeld in der Probe orientierten magnetischen Momente ebenfalls in <math>z</math>-Richtung. In diesem Fall lautet die <math>z</math>-Komponente der Kraft auf die magnetische Probe <ref>
H. Harrreis, W. Kuhn: ''Handbuch der experimentellen Physik: Sekundarbereich II ; Ausbildung - Unterricht - Fortbildung. 3. Festkörperphysik'', Aulis-Verlag Deubner, 2000, ISBN 9783761421710, S. 290-291.
</ref>

:<math>
\begin{align}
\tilde{F}=MV\frac{\partial B}{\partial z},
\end{align}
</math>
wobei <math>B</math> die <math>z</math>-Komponente der Flussdichte <math>\vec{B}</math>, <math>M</math> die <math>z</math>-Komponente der Magnetisierung der Probe und <math>V</math> das Volumen der Probe ist. Entsprechend des dritten newtonschen Axioms ist die z-Komponente der Kraft auf den Magneten <math>F=-\tilde{F}</math>. Nun stellen wir uns die Probe zusammengesetzt aus unendlich vielen infinitesimal dünnen Scheibchen der Höhe <math>\mathrm{d}z</math> vor. Jedes dieser Scheibchen übt auf den Magneten die infinitesimale Kraft <math>\mathrm{d}F=-M\frac{\partial B}{\partial z}A\mathrm{d}z</math> aus. Unter Annahme eines linearen Zusammenhangs von externer Flussdichte <math>B</math> und der Magnetisierung <math>M</math> gilt in jedem Punkt <math>M=\chi \frac{B}{\mu_0}</math> mit der Suszeptibilität <math>\chi</math>. Damit lautet die insgesamt auf den Magneten wirkende Kraft
:<math>
\begin{align}
F&=\int \mathrm{d}F\\&=-\int_{z_0}^{z_0+h} \underbrace{M}_{=\chi \frac{B}{\mu_0}}\frac{\partial B}{\partial z}A\mathrm\, {d}z\\
&=\left[ -\chi \frac{A}{2\mu_0}B^2 \right]_{z_0}^{z_0+h}\\
&= \chi \frac{A}{2\mu_0}(B(z_0)^2-B(z_0+h)^2).
\end{align}
</math>
Somit lässt sich die Suszeptibilität über die Formel
:<math>
\begin{align}
\chi= \frac{2 \mu_0 F}{A(B(z_0)^2-B(z_0+h)^2)}
\end{align}
</math>
berechnen. Ist <math>F_\mathrm{mess}</math> die <math>z</math>-Komponente der an der Wägezelle gemessenen Kraft, welche die Resultierende aus der magnetischen Kraft und Gewichtskraft von Faden und Magneten ist, so gilt dabei
:<math>
\begin{align}
F=F_\mathrm{mess}-F_\mathrm{offset},
\end{align}
</math>
wobei <math>F_\mathrm{offset}</math> die <math>z</math>-Komponente der Gewichtskraft ist. Diese ist die nach Entfernen des Becherglases mit der Gadolinium-Probe unter dem Magneten mit der Wägezelle gemessenen Kraft.

In Abbildung 4 sind die aus den Kraftmesswerten errechneten Werte für die Suszeptibilität <math>\chi</math> gegen die Temperatur <math>T</math> aufgetragen.

<div class="row">
<div class="large-0 columns>
[[Datei:EXP Suszeptibilität Diagramm.png|400px|thumb|zentriert|Abbildung 4: Magnetische Suszeptibilität <math> \chi </math> der Gadolinium-Probe in Abhängigkeit von der Temperatur <math> T </math>]]
</div>
</div>

== Fehlerabschätzung ==
Die Gadoliniumprobe befindet sich bereits aufgrund ihres endlichen Durchmessers nur näherungsweise in der Symmetrieachse des Permanentmagneten und war zudem im realen Versuch etwas schräg gegenüber dieser ausgerichtet. Weiterhin fällt das Magnetfeld des Permanentmagneten im relevanten Abstandsbereich sehr stark ab, sodass die Flussdichte am oberen und unteren Ende der Gadoliniumprobe mit einem vergleichsweise großen Fehler behaftet ist. Zudem kann der Abstand zwischen Gadoliniumprobe und Permanentmagnet aufgrund der Aufhängung des Permanentmagneten nur grob gemessen werden.

Die Gleichung <math>M=\chi \frac{B}{\mu_0}</math> gilt näherungsweise für kleine externe Flussdichten <math>B</math>. Tatsächlich ist die Hysteresekurve nichtlinear und die Suszeptibilität <math>\chi=\mu_0 \frac{\partial M}{\partial B}</math> (Steigung der Hysteresekurve) hängt von <math>B</math> ab. Die gemessene Suszeptibilität in diesem Versuch ist ein Mittelwert, denn auf unterschiedliche Teile der Probe wirken aufgrund deren Ausdehnung unterschiedliche externe Flussdichten <math>B</math>.

Größen wie die Flussdichte oder die Kraft auf die Probe sind vektoriell, bei der Auswertung wird die Richtung dieser Größen als bekannt angenommen. Es wird angenommen, dass das Gadolinium magnetisch isotrop ist und daher die Magnetisierung <math>M</math> und die externe Flussdichte <math>B</math> die gleiche Richtung haben.

== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==
Treten beim Experiment häufiger Fehler auf? Bitte beschreibe sie hier.

== Sicherheitshinweise ==
Bei vorliegendem Experiment besteht Verletzungsgefahr durch
* umkippende Versuchsaufbauten und sich lösende Teile.
* mögliche Quetschungen im Umgang mit dem Permanentmagenten.
* einen Stromschlag oder einem Kurzschluss bei nicht ordnungsgemäßem Anschluss der Kabel oder Justieren des Versuchsaufbaus bei angeschaltetem Netzgerät (siehe [[BA:Elektrische Geräte, Anlagen und Leitungen|Betriebsanweisung für Elektrische Geräte, Anlagen und Leitungen]]).
* Verbrennungen beim Berühren der Heizfolie.

= Fotos =

<div class="row">
<div class="large-8 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:EXP Suszeptibilität Gesamter Versuchsaufbau.JPG|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Gesamter Versuchsaufbau
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Suszeptibilität Wasserbad.JPG|slide 2]]
<div class="orbit-caption">
Wasserbad mit Gadolinium-Probe
</div>
</li>

<li>
[[Datei: EXP Suszeptibiltät Aufhängung.JPG|slide 3]]
<div class="orbit-caption">
Aufhängung des Permanentmagneten
</div>
</li>

<li>
[[Datei: EXP Suszeptibilität Arduino gesamt.JPG|slide 4]]
<div class="orbit-caption">
Arduino mit Wägezelle und Temperatursensor
</div>
</li>

<li>
[[Datei: EXP Suszeptibilität Verstärkerschaltung Wägezelle.JPG|slide 5]]
<div class="orbit-caption">
Detailansicht der Verstärkerschaltung für die Wägezelle
</div>
</li>

<li>
[[Datei: EXP Suszeptibilität Diagramm.png|slide 6]]
<div class="orbit-caption">
Magnetische Suszeptibilität <math> \chi </math> der Gadolinium-Probe in Abhängigkeit von der Temperatur <math> T </math>
</div>
</li>

</ul>
</div>
</div>

= Literatur =
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

Michelson Interferometer mit Ultraschallwellen

2025-10-16T09:36:01Z

Admin: 21 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

An einem Interferometer überlagern sich die Ultraschallwellen in Abhängigkeit der Schirmposition konstruktiv oder destruktiv. Das Empfängersignal wird an einem Oszilloskop ausgewertet. Über den Abstand des Schirms zwischen zwei Interferenzpositionen wird die Wellenlänge und anschließend die Schallgeschwindigkeit berechnet. Durch den Versuch werden die Inhalte <i>Amplitude</i>, <i>Wellenlänge</i> und <i>Schallgeschwindigkeit</i> thematisiert.

__INHALTSVERZEICHNIS__

= Theoretische Zusammenfassung =

Im grundlegendsten Aufbau ist das Michelson Interferometer ist als Messmethode für Längenänderungen bekannt. Die Messauflösung liegt bei Licht im Bereich einer halben Wellenlänge. Dabei wird ein Laserstrahl auf einen Strahlteiler gerichtet. Die beiden Laserstrahlen treffen jeweils auf einen Spiegel und werden dort reflektiert. Dabei ist ein Spiegel beweglich und der andere fest. Die reflektierten Lichtwellen treffen beim Strahlteiler wieder aufeinander und überlagern sich dort. Je nach Position des beweglichen Spiegels kommt es am Strahlteiler entweder zur konstruktive oder destruktive Interferenz.
Auf einem Schirm ist dann das Interferenzbild zu sehen. Umso geringer die Wellenlänge <math>\lambda</math> des Lasers, desto sensitiver die Messung, denn mit der Verschiebung des beweglichen Spiegels kommt es im Abstand von <math>\frac{\lambda}{2}</math> abwechselnd zur konstruktiven und destruktiven Interferenz. Das bedeutet, dass sich der bewegliche Spiegel um
:<math>
d = \frac{\lambda}{4}
</math>
bewegt haben muss. Bei der Verwendung eines grünen Lasers mit einer Wellenlänge von <math>\lambda = 532~\mathrm{nm}</math> kann durch ein Interferometer eine Positionsänderung von
:<math>
\Delta d = \frac{532~\mathrm{nm}}{4} = 133~\mathrm{nm}
</math>
am beweglichen Spiegel gemessen werden. Das Interferometer funktioniert nicht nur mit Licht, sondern mit jeder Art von Wellen. In diesem Fall werden Ultraschallwellen eingesetzt. Die Gleichung
:<math>
c = f \cdot \lambda
</math>
erlaubt einen Zusammenhang zwischen Frequenz, Wellenlänge und Schallgeschwindigkeit. Durch die experimentelle Messung der Wellenlänge wird bei bekannter Frequenz die Schallgeschwindigkeit berechnet.

= Didaktischer Rahmen =

== Fachdidaktische Zielsetzung ==

In Abhängigkeit der Klassenstufe sollen die Schülerinnen und Schüler (SuS) qualitative physikalische Größen unter Verwendung der Fachsprache beschreiben können. Bei diesem Experiment wird die Wellenlänge einer Ultraschallwelle gemessen und anschließend die Schallgeschwindigkeit berechnet. Neben dem korrekten Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung müssen die Messergebnisse richtig interpretiert werden.

== Nötige Vorkenntnisse ==

Für ein besseres Verständnis sollten bei diesem Experiment der Frequenzbegriff bereits geklärt sein. Auch der Frequenzgenerator sollte vor dem Experiment vorgestellt werden. Der für den Menschen hörbare Frequenzbereich ist bekannt und ab welchen Frequenzen von Ultraschall gesprochen wird. Bei der Darstellung mit einem Oszilloskop sollte auch der Begriff <i>Amplitude</i> bekannt sein und wie sich eine konstruktive bzw. destruktive Interferenz am Oszilloskop darstellt.

== Mögliche Schülerschwierigkeiten ==
Bei einem Schülerexperiment können Probleme bei der Bedienung des Oszilloskopes auftreten. Bei einem Demonstrationsexperiement ist darauf zu achten, dass alle Schülerinnen und Schüler eine gute Sicht auf die Anzeige des Oszilloskopes haben.
Vor der Versuchsdurchführung muss auf den Aufbau eines Interferometers eingegangen werden, damit die Lernenden die Messergebnisse richtig interpretieren können.

== Schülervorstellungen, die hier relevant werden ==

Im kindlichen Alter gehen Schülerinnen und Schüler (SuS) oft davon aus, dass ein Ton als punktförmiges Teilchen durch den Raum fliegt und aus einem Körper (wie zum Beispiel einer Stimmgabel) herausgeschlagen wird. In den Klassen 7/8 sowie 11/12 besteht diese Vorstellung meistens nicht mehr. Den SuS ist bewusst, dass sich Schall wellenförmig ausbreitet. Bei der Ausbreitung von Schallwellen gehen SuS davon aus, dass sich höhere Frequenzen schneller fortbewegen als tiefere.<ref>Schecker, Horst et. al. (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Springer Verlag.</ref>

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP Wellen Interferometer Aufbau.PNG|Beschreibung|1499px|thumb|center|Kompletter Versuchsaufbau für das Michelson Interferometer mit Ultraschallwellen. Fotograf: Simon Würstlin]]
</div>
<div class="large-5 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 11/12 & 7/8
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Wellen & Akustik
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| 3.4.4 (1) / 3.5.4 (1) / 3.6.4 (1) & 3.2.2 (1)
|-
|}
</div>
</div>

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==
<ul>• Frequenzgenerator</ul>
<ul>• Oszilloskop </ul>
<ul>• Aktive Lautsprecher (optional)</ul>
<ul>• Ultraschallsender (UST-40T) und -empfänger (UST-40R) 40 kHz </ul>
<ul>• Bohrplatte zum Aufbau eines Interferometers</ul>
<ul>• Halterungen für Ultraschallsender und -empfänger, die kompatibel mit Bohrpatte sind</ul>
<ul>• Halterungen für die beiden Schirme, die kompatibel mit Bohrpatte sind</ul>

== Versuchsaufbau ==

<div class="row">
<div class="large-8 columns">

; Schritt 1: Zunächst wird das Interferometer aufgebaut. Der Ultraschallsender wird auf einen <i>Strahlteiler</i> gerichtet. Dafür wird ein Rahmen mit Frischhaltefolie bespannt und in einem Winkel von 45° zum Sender in der Mitte des Interferometers platziert.

; Schritt 2: Die beiden aufgteilten Ultraschallwellen führen jeweils zu einem Schirm und werden dort reflektiert. Ein Schirm wird fest auf der Bohrplatte montiert, ein weiterer Schirm ist beweglich. Es ist darauf zu achten, dass die Positionsänderung des Schirm gemessen werden kann. Dazu eignet sich eine Schiene mit Millimeterskalierung.

; Schritt 3: Die reflektierten Signale führen wieder zum <i>Strahlteiler</i> und überlagern sich dort. Der Ultraschallempfänger detektiert das Signal. Beim Aufbau des Interferometers ist darauf zu achten, dass alle Bauteile auf gleicher Höhe montiert werden.

; Schritt 4: Der Ultraschallsender wird an den Frequenzgenerator angeschlossen und mit <math>f = 40~\mathrm{kHz}</math> betrieben. Der Empfänger wird an ein Oszilloskop angeschlossen. Die Verwendung eines Lautsprechers ist optional und empfiehlt sich bei einer qualitativen Versuchsdurchführung.

; Schritt 5: Neben der Berechnung der Schallgeschwindigkeit der Umgebungsluft kann auch die Schallgeschwindigkeit von Kohlenstoffdioxid mit kleinen Änderungen im Versuchsaufbau gemessen werden. Dazu wird das Interferometer in ein Aquarium gestellt und mit Kohlenstoffdioxid gefüllt. Eine Gaskartusche zum Aufsprudeln von Leitungswasser kann dazu verwendet werden.

; Hinweis: Die Aufnahmen für den Ultraschallsender und -empfänger werden mit einem 3D Drucker angefertigt. Dadurch wird die Ausrichtung erleichtert und es wird sichergestellt, dass sich Sender und Empfänger auf gleicher Höhe befestigen. Der Aufbau des Interferometers muss präzise sein und darf sich während der Versuchsdurchführung nicht verstellen. Die Verwendung von Stativmaterial ist dafür ungeeignet. Bei dem hier beschriebenen Versuchsaufbau wird der Systembau der Firma ThorLabs verwendet.
</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:EXP Wellen Interferometer Aufbauskizze.PNG|600px|thumb|right||Skizze für den Versuchsaufbau. Der Frequenzgenerator wird an den Ultraschallsender angeschlossen. Das Signal des Empfängers führt zum Oszilloskop.]]

[[Datei:EXP Wellen Interferometer Aufbau.PNG|600px|thumb|right||Der vollständige Aufbau gemäß der Aufbauskizze. Für das Interferometer wird der Systembau der Firma ThorLabs verwendet. Der Ultraschallsender wird mit einer Frequenz von <math>f=40~\mathrm{kHz}</math> betrieben. Die Auswertung des Empfängersignals erfolgt am Oszilloskop.]]
</div>
</div>

== Versuchsdurchführung ==

<div class="row">
<div class="large-8 columns">

Für die Versuchsdurchführung muss zu Beginn festgelegt werden, ob die Positionen konstruktiver oder destruktiver Interferenz gemessen werden soll. Hier werden die Positonen konstruktiver Interferenz erfasst. Dazu wird der bewegliche Schirm nahe an den Strahlteiler geführt und die erste Position konstruktiver Interferenz ermittelt. Von dieser Startposition wird der Schirm kontinuierlich vom Strahlteiler weg bewegt und jede weitere Position konstruktiver Interferenz aufgeschrieben.

Optional kann der Versuch auch mit Lautsprechern betrieben werden. Dazu wird am Frequenzgenerator eine Amplitudenmodulation im hörbaren Frequenzbereich eingestellt. Ein Signalverstärker sorgt dafür, dass bei Positionen konstruktiver Interferenz ein Ton hörbar ist, während an den Positionen destruktiver Interferenz der Ton verstummt.

Die gleiche Messung kann auch mit Kohlenstoffdioxid als Umgebungsmedium durchgeführt werden. Dazu wird der Versuchsaufbau in ein Aquarium gestellt und mit Kohlenstoffdioxid geflutet.

</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:EXP Wellen Interferometer destruktiv.jpg|200px|thumb|right||Screenshot des Oszilloskopes bei destruktiver Interferenz.]]
</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:EXP Wellen Interferometer konstruktiv.jpg|200px|thumb|right||Screenshot des Oszilloskopes bei konstruktiver Interferenz. Im Vergleich zur destruktiven Interferenz ist die gemessene Amplitude deutlich größer und nimmt bei Verschiebung des beweglichen Schirms ab.]]
</div>
</div>

== Auswertung ==

Für die Auswertung werden die Positionen konstruktiver Interferenz an der skalierten Schiene abgelesen und die Wellenlänge berechnet. Die erste Position konstruktiver Interferenz ist bei <math>x_\mathrm{Anfang}=3~/mathrm{mm}</math> zu finden. Die letzte Position ist <math>x_\mathrm{Ende}=132~/mathrm{mm}</math>. Zwischen der ersten und der letzten Messung liegen 30 Positionen konstruktiver Interferenz. Daraus folgt, dass alle
:<math>
\Delta x = \frac{132~\mathrm{mm}-3~\mathrm{mm}}{30}=4,3~\mathrm{mm}
</math>
eine Position konstruktiver Interferenz gemessen wird.

Es muss berücksichtigt werden, dass die Positionsänderung des Schirm eine doppelte Änderung des Schallweges zur Folge hat. Der Abstand zwischen zwei Maxima (oder zwei Minima) entspricht eine Wellenlänge \lambda. Daraus folgt eine Wellenlänge von
:<math>
\lambda = 2 \cdot 4,3~\mathrm{mm} = 8,6~\mathrm{mm}.
</math>

Mit der berechneten Wellenlänge folgt eine Schallgeschwindigkeit in Luft von
:<math>
v_\mathrm{Luft} = f \cdot \lambda = 40000~\mathrm{Hz} \cdot 8,6 \cdot 10^{-3}~\mathrm{m}= 344~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}.
</math>

Für Kohlenstoffdioxid als Ausbreitungsmedium wird eine Wellenlänge von <math>\lambda = 7,1~\mathrm{mm}</math> gemessen. Daraus folgt eine Schallgeschwindigkeit von
:<math>
v_\mathrm{CO_2} = f \cdot \lambda = 40000~\mathrm{Hz} \cdot 7,1 \cdot 10^{-3}~\mathrm{m}= 284~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}.
</math>

== Fehlerabschätzung ==

== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==

<ul>• Schülerinnen und Schüler können Schwierigkeiten dabei haben, warum Ultraschall nicht hörbar ist aber am Lautsprecher ein hörbarer Ton entsteht. Es ist darauf hinzuweisen, dass lediglich die eingestellte Modulation, also die einhüllende Frequenz, hörbar ist.</ul>

<ul>• Bei einem Schülerexperiment können Probleme bei der Bedienung des Oszilloskopes auftreten. Bei einem Demonstrationsexperiement ist darauf zu achten, dass alle Schülerinnen und Schüler eine gute Sicht auf die Anzeige des Oszilloskopes haben.</ul>

<ul>• Das Interferometer muss vorweg besprochen werden, damit der Schallweg von den Lernenden nachvollzogen werden kann.</ul>

== Sicherheitshinweise ==
Verletzungsgefahr durch umkippende Versuchsaufbauten und sich lösende Teile. Durch den unsachgemäßen Gebrauch und/oder die Verwendung eines mangelhaften Geräts und/oder Anschlussleitung kann es zu lebensgefährlichen Körperströmen kommen. Von der Ultraschallquelle können Gefahren für Tiere ausgehen. Bei falscher Einstellung des Verstärkers und Lautsprechers können laute unangenehme Töne entstehen, welche Kopfschmerzen hervorrufen können.

= Fotos =

<br>

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:EXP Wellen Interferometer Aufbau.PNG]]
<div class="orbit-caption">
Versuchsaufbau des Michelson Interfereomters mit Ultraschallwellen. Der Ultraschallsender wird an den Frequenzgenerator und der Empfänger an das Oszilloskop angeschlossen.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Wellen Interferometer AufbauCO2.PNG]]
<div class="orbit-caption">
Im Aquarium kann die Wellenlänge bei Kohlenstoffdioxid gemessen werden.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Wellen Interferometer CO2.JPG]]
<div class="orbit-caption">
Für die Messreihe mit Kohlenstoffdioxid wird ein Gaskartusche verwendet. Der Auslass des Gases wird über ein Ventil ermöglicht, welches an einem 3D Drucker hergestellt wurde.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Wellen Interferometer Aufbauskizze.PNG]]
<div class="orbit-caption">
Die Aufbauskizze für das Michelson Inteferometer.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Wellen Interferometer destruktiv.jpg]]
<div class="orbit-caption">
Screenshot am Oszilloskop im Falle destruktiver Interferenz.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Wellen Interferometer konstruktiv.jpg]]
<div class="orbit-caption">
Screenshot am Oszilloskop im Falle konstruktiver Interferenz.
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

= Literatur =
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

Dopplereffekt mit Ultraschallwellen

2025-10-16T09:35:59Z

Admin: 49 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

Beim Arbeiten mit Ultraschallwellen werden die physikalischen Größen wie Amplitude, und Frequenz am Oszilloskop sichtbar gemacht. Zudem soll durch eine Bewegung des
Pendelkörpers der Dopplereffekt und damit eine Frequenzänderung am Oszilloskop sichtbar gemacht werden. Durch Lautsprecher wird der Dopplereffekt auch akustisch wahrnehmbar.

__INHALTSVERZEICHNIS__

= Theoretische Zusammenfassung =

Der Dopplereffekt tritt immer dann auf, wenn sich Schallquelle und Empfänger relativ zueinander bewegen. Dieser Effekt ist den Schülerinnen und Schülern aus dem Alltag in der Regel bekannt. Ein Beispiel ist hier ein Einsatzfahrzeug mit eingeschaltetem Martinshorn. Die Frequenz der Tonfolge hört sich für den ruhenden Empfänger höher an, wenn sich das Fahrzeug auf dem Empfänger zu bewegt. Entfernt sich das Fahrzeug hört der Empfänger den Ton tiefer. Dieser Effekt wird nun mathematisch beschrieben. Dabei gilt der Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Geschwindigkeit von Sender bzw. Empfänger mit <ref>Demtröder, Wolfgang (2014): "Mechanische Schwingungen und Wellen" in Experimentalphysik 1 - Mechanik und Wärme, Springer Verlag.</ref>

:<math>
f_ \mathrm{E} = f_\mathrm{S} \cdot \frac{c_\mathrm{Luft} \pm v_\mathrm{E}}{c_\mathrm{S} \mp v_\mathrm{S}}.
</math>

Der Index E steht für den Empfänger und S für den Sender. Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt bei Raumtemperatur <math> c_\mathrm{Luft} = 343 \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} </math>. Bei diesem Versuch werden zwei Wellen mit einem Frequenzmischer überlagert. Der Frequenzbereich beider Wellen liegt nahe beisammen und es tritt das Phänomen der Schwebung auf. Die Auslenkung der Wellen an einem festen Ort sind mit den Gleichungen
:<math>
x_\mathrm{1}(t) = x_\mathrm{0} \cdot \mathrm{sin}(f_1 \cdot 2 \pi t)
</math>
bzw.
:<math>
x_\mathrm{2}(t) = x_\mathrm{0} \cdot \mathrm{sin}(f_2 \cdot 2 \pi t)
</math>
gegeben. Durch die Überlagerung beider Wellen folgt die Funktion
:<math>
x(t) = 2 \cdot x_0 \cdot \mathrm{cos}(\pi t(f_{1}-f_{2})) \cdot \mathrm{sin}(\pi t(f_{1} + f_{2})).
</math>
Im ersten Faktor von der oben stehenden Gleichung ist die Schwebungsfrequenz mit
:<math>
f_\mathrm{Schwebung} = f_1 - f_2
</math>
enthalten. In diesem Versuch beträgt die Frequenz des Ultraschalls <math>f_{1} = 40~\mathrm{kHz} </math>. Die Überlagerungsfrequenz kann in einem Bereich um <math>f_{2} = 39,5~\mathrm{kHz} </math> eingestellt werden. Es resultiert eine Schwebungsfrequenz von <math>f_\mathrm{Schwebung} = 500~\mathrm{Hz} </math>, welche im hörbaren Frequenzbereich liegt. Der zweite Faktor setzt sich aus der Addition beider Frequenzen
:<math>
f_\mathrm{Add} = f_1 + f_2 = 79,5~\mathrm{kHz}
</math>
zusammen und liegt im nicht hörbaren Bereich. Durch einen Tiefpassfilter kann diese hohe Frequenz herausgefiltert werden. Ändert sich nun die Frequenz des Ultraschallempfängers durch den Dopplereffekt, dann ändert sich auch die Schwebungsfrequenz. Diese Frequenzänderung liegt in der Größenordnung von <math>\Delta f = 100~\mathrm{Hz} </math> und ist hörbar<ref>Prof. Dr. Wilfried Kuhn (Hrsg.) (1995): "Kapitel Ultraschall" in Handbuch der Experimentellen Physik - Sekundarbereich II, Aulis Verlag Deubner u. CO.KG.</ref>.

= Didaktischer Rahmen =

== Fachdidaktische Zielsetzung ==

In Abhängigkeit der Klassenstufe sollen die Schülerinnen und Schüler (SuS) qualitative physikalische Größen unter Verwendung der Fachsprache beschreiben können. In diesem Fall wird die Frequenz gestaucht wenn sich das Pendel auf die Ultraschall Sender-/ Empfängereinheit zubewegt.

== Nötige Vorkenntnisse ==

Für ein besseres Verständnis sollten bei diesem Experiment der Frequenzbegriff bereits geklärt sein. Auch der Frequenzgenerator sollte vor dem Experiment vorgestellt werden. Der für den Menschen hörbare Frequenzbereich ist bekannt und ab welchen Frequenzen von Ultraschall gesprochen wird. Bei der Darstellung mit einem Oszilloskop sollte auch der Begriff Amplitude bekannt sein. Um das Messergebnis richtig interpretieren zu können, sollen die Schülerinnen und Schüler vorab wissen, wozu ein Oszilloskop verwendet wird und verstehen welche Messwerte es anzeigt.

== Mögliche Schülerschwierigkeiten ==
Schülerinnen und Schüler können Schwierigkeiten dabei haben, warum Ultraschall nicht hörbar ist aber am Lautsprecher ein hörbarer Ton entsteht. Der Hintergund für diesen Effekt ist eine Überlagerung zweier Frequenzen. Diese wird beim Empfänger als Fourierreihe wahrgenommen, bei der jedoch nur der erste Summand der Reihe hörbar wird. Das Thema der Fourierreihen ist nicht Teil des Bildungsplans.
Bei einem Schülerexperiment können Probleme bei der Bedienung des Oszilloskopes auftreten. Bei einem Demonstrationsexperiement ist darauf zu achten, dass alle Schülerinnen und Schüler eine gute Sicht auf die Anzeige des Oszilloskopes haben.
Neben der Frequenz verändert sich auch die Amplitude. Dadurch kann der Eindruck entstehen, dass sich durch eine Veränderung des Abstandes nur die Lautstärke verändert.

== Schülervorstellungen, die hier relevant werden ==

Im kindlichen Alter gehen Schülerinnen und Schüler (SuS) oft davon aus, dass ein Ton als punktförmiges Teilchen durch den Raum fliegt und aus einem Körper (wie zum Beispiel einer Stimmgabel) herausgeschlagen wird. In den Klassen 7/8 sowie 11/12 besteht diese Vorstellung meistens nicht mehr. Den SuS ist bewusst, dass sich Schall wellenförmig ausbreitet. Bei der Ausbreitung von Schallwellen gehen SuS davon aus, dass sich höhere Frequenzen schneller fortbewegen als tiefere.<ref>Schecker, Horst et. al. (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Springer Verlag.</ref>

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP Wellen Dopplereffekt Gesamtaufbau.PNG|Beschreibung|1499px|thumb|center|Kompletter Versuchsaufbau für den Dopplereffekt mit Ultraschallwellen. Das Pendel ist in diesem Bild abgeschnitten. Fotograf: Simon Würstlin]]
</div>
<div class="large-5 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 11/12 & 7/8
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Wellen & Akustik
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| 3.4.4 (1) / 3.5.4 (1) / 3.6.4 (1) & 3.2.2 (1)
|-
|}
</div>
</div>

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==
<ul>• Frequenzgenerator</ul>
<ul>• Direktmischer gemäß Aufbauanleitung</ul>
<ul>• 9 V Blockbatterie oder Netzgerät (30 V DC)</ul>
<ul>• Oszilloskop </ul>
<ul>• Aktive Lautsprecher </ul>
<ul>• Ultraschallsender (UST-40T) und -empfänger (UST-40R) 40 kHz </ul>
<ul>• Aufnahme für Ultraschallsensorik </ul>
<ul>• USB-Stick für Bildaufnahmen aus Oszilloskop </ul>

== Versuchsaufbau ==

<div class="row">
<div class="large-8 columns">

; Schritt 1: Zunächst wird ein Pendel aufgebaut. Der Pendelkörper (hier als Schirm bezeichnet) muss eine ebene Fläche sein und den Schall gut reflektieren. Dazu eignet sich beispielsweise eine Aluminiumplatte, welche an einem langen Faden befestigt wird. Ungeeignet sind Styroporplatten.

; Schritt 2: Der Frequenzgenerator wird an den Ultraschallsender angeschlossen und auf eine Frequenz von <math>f = 40~\mathrm{kHz} </math> eingestellt. Die maximale Betriebsspannung des Ultraschallsenders beträgt <math>U_\mathrm{p-p} = 20~\mathrm{V} </math>.

; Schritt 3: Neben dem Ultraschallsender wird der Empfänger positioniert. Eine Aufnahme, welche mittels 3D Druck hergestellt wurde, hilft bei der Ausrichtung der Sensorik. Der Ultraschallempfänger wird an den Direktmischer angeschlossen.

; Schritt 4: Der Direktmischer, wie in der nebenstehenden Abbildung dargestellt, mit einer <math>9~\mathrm{V} </math> Blockbatterie oder einer Gleichspannungsquelle mit Spannung versorgt. Das Ausgangssignal wird an ein Oszilloskop angeschlossen. An dem Trimmer des Direktmischers wird eine Mischfrequenz von ca. <math>f_\mathrm{Misch} = 39,5~\mathrm{kHz} </math> eingestellt. Am Oszilloskop wird eine Schwebungsfrequenz von <math>f_\mathrm{Schwebung} = 500~\mathrm{Hz} </math> gemessen.

; Schritt 5: Wenn das Pendel in Bewegung versetzt wird, verändert sich die angezeigte Schwebungsfrequenz am Oszilloskop. Optional kann neben dem Oszilloskop noch ein Lautsprecher angeschlossen werden. Dadurch werden die Frequenzunterschiede hörbar.

; Hinweis: Die Ultraschallsensorik, bestehend aus Sender und Empfänger, werden auf gleicher Höhe in einer Aufnahme platziert. Mit einem 3D Drucker wird eine Aufnahme angefertigt, in der die Sensorik platziert wird. Der Schaltplan des Direktmischers ist unter www.elexs.de zu finden.<ref> ELEXS - das Online-Magazin für Elektronik in Hobby und Ausbildung. Ultraschall Direktmischer. url: https://www.elexs.de/ultrason2.htm. Zuletzt aufgerufen: 25.09.2023.</ref>

</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:EXP Wellen Dopplereffekt Aufbauskizze.PNG|600px|thumb|right||Skizze für den Versuchsaufbau. Der Frequenzgenerator wird an den Ultraschallsender angeschlossen. Das Signal des Empfängers führt zum Direktmischer. Das Ausgangssignal des Direktmischers führt zum Oszilloskop und (optional) zu einem Lautsprecher.]]

[[Datei:EXP Wellen Dopplereffekt Aufbau beschriftet.PNG|600px|thumb|right||Der vollständige Aufbau gemäß der Aufbauskizze mit Beschriftung der verwendeten Geräte. Am Direktmischer wird das Signal des Ultraschallempfängers mit einer einstellbaren Frequenz gemischt. Die resultierende Schwebungsfrequenz ist am Ausgang mit einem Oszilloskop messbar. Bei Auslenkung des Pendels verändert sich die Schwebungsfrequenz. Diese Frequenzänderungen können am Lautsprecher hörbar gemacht werden.]]

[[Datei:EXP Wellen Dopplereffekt Black Box.PNG|600px|thumb|right||Im Schulunterricht kann, je nach Zielgruppe, der Frequenzmischer als "Black Box" vorgestellt werden. Die Ein- und Ausgänge sind so beschriftet, dass ein Aufbau nach der Aufbauskizze möglich ist.]]
</div>
</div>

== Versuchsdurchführung ==

<div class="row">
<div class="large-8 columns">

Nach der Einstellung des Direktmischers wird am Oszilloskop die Schwebungsfrequenz im Ruhezustand dargestellt. Für die Versuchsdurchführung wird das Pendel in Schwingung versetzt. Die Schwebungsfrequenz wird niedriger, wenn sich das Pendel von der Ultraschallsensorik entfernt. Auf der anderen Seite steigt die Frequenz, wenn sich das Pendel auf die Schallquelle zubewegt. Die minimale Frequenz beträgt in diesem Fall <math>f_\mathrm{min}=476~\mathrm{Hz}</math> und die maximale Frequenz <math>f_\mathrm{max}=526~\mathrm{Hz}</math>. Es wird davon ausgegangen, dass das Pendel nur schwach gedämpft wird. Damit ist der Betrag der Geschwindigkeit des Schirms in beide
Bewegungsrichtungen gleich groß.

Das Experiment kann qualitativ und quantitativ ausgewertet werden. Bei der quantitativen Auswertung wird auf die Messprogramme des Oszilloskops zurückgegriffen. Dabei wird die maximale und minimale Frequenz angezeigt. In der nebenstehenden Abbildung sind die beiden Frequenzen zu sehen.

</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:EXP Wellen Dopplereffekt Auswertung Frequenz1.jpg|200px|thumb|right||Screenshot des Oszilloskopes. Die gemessene Frequenz beträgt in diesem Fall <math>f=526~\mathrm{Hz}</math>]]
</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:EXP Wellen Dopplereffekt Auswertung Frequenz2.jpg|200px|thumb|right||Screenshot des Oszilloskopes. Die gemessene Frequenz beträgt in diesem Fall <math>f=476~\mathrm{Hz}</math>]]
</div>
</div>

== Auswertung ==

Mit den gemessenen Frequenzen wird zunächst der Mittelwert berechnet. Im Idealfall entspricht der Mittelwert der zuvor eingestellten Ruhefrequenz. Die berechnete Ruhefrequenz beträgt
:<math>
f_\mathrm{Ruhe}= \frac{526~\mathrm{Hz}+476~\mathrm{Hz}}{2}=501~\mathrm{Hz}
</math>
und damit weicht die Frequenz um <math>\Delta f=25~\mathrm{Hz}</math> ab. Mit dieser Frequenzabweichung wird die maximale Geschwindigkeit des Pendels berechnet. Diese ist
:<math>
v_\mathrm{x}=343~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} \cdot \left( \frac{40025~\mathrm{Hz}-40000~\mathrm{Hz}}{40025~\mathrm{Hz}+40000~\mathrm{Hz}} \right) = 0,107~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}.
</math>

Bei einer bekannten Pendellänge kann mit diesem Ergebnis die Auslenkung des Pendels berechnet werden. Dadurch ist eine Wiederholung des vorherigen Themenbereichs <i>Schwingungen</i> möglich.

In der Klassenstufe 7/8 kann der Versuch mit Lautsprechern qualitativ durchgeführt werden. Die Schülerinnen und Schülern hören die Frequenzänderung des Tones in Abhängigkeit davon, ob sich das Pendel zur Sensorik hin oder wegbewegt.

== Fehlerabschätzung ==

== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==

<ul>• Schülerinnen und Schüler können Schwierigkeiten dabei haben, warum Ultraschall nicht hörbar ist aber am Lautsprecher ein hörbarer Ton entsteht. Es ist darauf hinzuweisen, dass lediglich die eingestellte Modulation, also die einhüllende Frequenz, hörbar ist.</ul>

<ul>• Bei einem Schülerexperiment können Probleme bei der Bedienung des Oszilloskopes auftreten. Bei einem Demonstrationsexperiement ist darauf zu achten, dass alle Schülerinnen und Schüler eine gute Sicht auf die Anzeige des Oszilloskopes haben.</ul>

<ul>• Während der Pendelbewegung verändert sich die Amplitude der Modulationsfrequenz. Zudem verschiebt sich bei der Pendelbewegung auch die Phase, was am Lautsprecher ein Rauschen hervorrufen kann. Dadurch kann der Eindruck entstehen, dass sich durch die Pendelbewegung auch die Frequenz verändert.</ul>

== Sicherheitshinweise ==
Verletzungsgefahr durch umkippende Versuchsaufbauten und sich lösende Teile. Durch den unsachgemäßen Gebrauch und/oder die Verwendung eines mangelhaften Geräts und/oder Anschlussleitung kann es zu lebensgefährlichen Körperströmen kommen. Von der Ultraschallquelle können Gefahren für Tiere ausgehen. Bei falscher Einstellung des Verstärkers und Lautsprechers können laute unangenehme Töne entstehen, welche Kopfschmerzen hervorrufen können.

= Fotos =

<br>

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:EXP Wellen Dopplereffekt Gesamtaufbau.PNG]]
<div class="orbit-caption">
Gesamtaufbau.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Wellen Dopplereffekt Aufbauskizze.PNG]]
<div class="orbit-caption">
Skizze zum Versuchsaufbau.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Wellen Dopplereffekt Aufbau beschriftet.PNG]]
<div class="orbit-caption">
Gesamtaufbau mit Gerätebeschriftung.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Wellen Dopplereffekt Black Box.PNG]]
<div class="orbit-caption">
Vorstellung des Direktmischers als Black Box.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Wellen Dopplereffekt Platine gesteckt.PNG]]
<div class="orbit-caption">
Gesteckte Platine für den Direktmischer.
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

= Literatur =
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

Abstandsmessung mit Ultraschallwellen

2025-10-16T09:35:56Z

Admin: 71 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

Beim Arbeiten mit Ultraschallwellen werden die physikalischen Größen wie Amplitude, Frequenz und Phasenverschiebung am Oszilloskop sichtbar gemacht. Zudem kann die Modulation der Ultraschallwelle an einem Lautsprecher hörbar gemacht werden.
Neben dem Umgang mit den physikalischen Größen kann das Experiment zur Abstandsmessung und/oder zur Messung der Schallgeschwindigkeit genutzt werden.

__INHALTSVERZEICHNIS__

= Theoretische Zusammenfassung =

Welche physikalische Theorie steckt hinter dem Versuch. Gerne so genau wie möglich und so ausführlich wie nötig.
Ein Ultraschallsender mit einer Frequenz von <math>f = 40</math> kHz wird auf eine Pendelfläche gerichtet und dort reflektiert. Die reflektierten Schallwellen werden von einem Empfänger erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Durch die Auslenkung des Pendels verändert sich die Distanz zwischen Sender und Empfänger. Bei bekannter Schallgeschwindigkeit wird über den Zusammenhang
:<math>
\mathrm{\Delta s = c_s \cdot \Delta t}
</math>
die Änderung der Distanz <i>s</i> berechnet. Die zeitliche Differenz <math>\Delta t</math> zwischen Sender und Empfänger wird in diesem Experiment mit dem Oszilloskop gemessen. Ist der Abstand zwischen Sender und Empfänger bekannt, kann über diese Messung die Schallgeschwindigkeit berechnet werden. In diesem Fall gilt
:<math>
\mathrm{c_s = \frac{\Delta s}{\Delta t}}.
</math>

= Didaktischer Rahmen =

== Fachdidaktische Zielsetzung ==

Die Schülerinnen und Schüler sehen die Auswirkung der Pendelbewegung am Oszilloskop. Unter Verwendung der Fachsprache stärkt das Experiment die physikalische Vorstellung von Ultraschallwellen. Das Experiment ermöglicht einen Transfer zu technischen Anwendungen und bietet Möglichkeiten für den fachübergreifenden Unterricht, beispielsweise mit NuT oder Informatik.

== Nötige Vorkenntnisse ==

Für ein besseres Verständnis sollten bei diesem Experiment der Frequenzbegriff bereits geklärt sein. Auch der Frequenzgenerator sollte vor dem Experiment vorgestellt werden. Der für den Menschen hörbare Frequenzbereich ist bekannt und ab welchen Frequenzen von Ultraschall gesprochen wird. Bei der Darstellung mit einem Oszilloskop sollten auch die Begriffe Phasenverschiebung und Amplitude bekannt sein. Um das Messergebnis richtig interpretieren zu können, sollen die Schülerinnen und Schüler vorab wissen, wozu ein Oszilloskop verwendet wird und verstehen, welche Messwerte es anzeigt. Zudem sind die Schallgeschwindigkeit und die Einflüsse auf die Schallgeschwindigkeit bekannt.

== Mögliche Schülerschwierigkeiten ==

Schülerinnen und Schüler können Schwierigkeiten dabei haben, warum Ultraschall nicht hörbar ist aber am Lautsprecher ein hörbarer Ton entsteht. Es ist darauf hinzuweisen, dass lediglich die eingestellte Modulation, also die einhüllende Frequenz, hörbar ist.
Bei einem Schülerexperiment können Probleme bei der Bedienung des Oszilloskopes auftreten. Bei einem Demonstrationsexperiement ist darauf zu achten, dass alle Schülerinnen und Schüler eine gute Sicht auf die Anzeige des Oszilloskopes haben.
Während der Pendelbewegung verändert sich die Amplitude der Modulationsfrequenz. Zudem verschiebt sich bei der Pendelbewegung auch die Phase, was am Lautsprecher ein Rauschen hervorrufen kann. Dadurch kann der Eindruck entstehen, dass sich durch die Pendelbewegung auch die Frequenz verändert.

== Schülervorstellungen, die hier relevant werden ==

Im kindlichen Alter gehen Schülerinnen und Schüler (SuS) oft davon aus, dass ein Ton als punktförmiges Teilchen durch den Raum fliegt und aus einem Körper (wie zum Beispiel einer Stimmgabel) herausgeschlagen wird. In den Klassen 7/8 sowie 11/12 besteht diese Vorstellung meistens nicht mehr. Den SuS ist bewusst, dass sich Schall wellenförmig ausbreitet. Bei der Ausbreitung von Schallwellen gehen SuS davon aus, dass sich höhere Frequenzen schneller fortbewegen als tiefere.<ref>Schecker, Horst et. al. (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Springer Verlag.</ref>

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:Experimente Wellen Abstandsmessung Ultraschall Gesamtaufbau.JPEG|Beschreibung|1499px|thumb|center|Kompletter Versuchsaufbau zur Abstandsmessung mit Ultraschallwellen. Das Pendel ist in diesem Bild abgeschnitten. Fotograf: Simon Würstlin]]
</div>
<div class="large-5 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 11/12 & 7/8
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Wellen & Akustik
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| 3.4.4 (1) / 3.5.4 (1) / 3.6.4 (1) & 3.2.2 (1)
|-
|}
</div>
</div>

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==
<ul>• Frequenzgenerator (2x) oder ein Frequenzgenerator mit Möglichkeit zur Amplitudenmodulation </ul>
<ul>• Oszilloskop </ul>
<ul>• Aktive Lautsprecher </ul>
<ul>• Signalverstärker für Lautsprecher </ul>
<ul>• Stativfuß </ul>
<ul>• Kurze Stativstange (ca. 10 cm) </ul>
<ul>• Doppelmuffe </ul>
<ul>• Stativklemme </ul>
<ul>• Ultraschallsender (UST-40T) und -empfänger (UST-40R) 40 kHz </ul>
<ul>• Aufnahme für Ultraschallsensorik </ul>
<ul>• USB-Stick für Bildaufnahmen aus Oszilloskop </ul>

== Versuchsaufbau ==

<div class="row">
<div class="large-8 columns">

; Schritt 1: Zunächst wird ein Pendel aufgebaut. Der Pendelkörper (hier als Schirm bezeichnet) muss eine ebene Fläche sein und den Schall gut reflektieren. Dazu eignet sich beispielsweise eine Aluminiumplatte, welche an einem langen Faden befestigt wird. Ungeeignet sind Styroporplatten.

; Schritt 2: An einem Frequenzgenerator wird eine Frequenz im hörbaren Bereich eingestellt. In diesem Fall werden 400 Hz gewählt. Dieser dient der Amplitudenmodulation für den zweiten Frequenzgenerator. Die modulierte Ultraschallfrequenz wird an den Ultraschallsender angeschlossen. Die Verschaltung ist schematisch in der nebenstenden Abbildung dargestellt.

; Schritt 3: Der Ultraschallempfänger wird am Oszilloskop angeschlossen. Die Verwendung eines Lautsprechers ist optional. Neben dem Empfänger wird auch die Modulationsfrequenz am Oszilloskop angeschlossen.

; Hinweis: Die Ultraschallsensorik, bestehend aus Sender und Empfänger, werden auf gleicher Höhe in einer Aufnahme platziert. Mit einem 3D Drucker wird eine Aufnahme angefertigt, in der die Sensorik platziert wird.

</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:Experimente Wellen Abstandsmessung Ultraschall Aufbauskizze.PNG|600px|thumb|right||Skizze für den Versuchsaufbau. Es werden zwei Frequenzgeneratoren verwendet. Dabei dient ein Frequenzgenerator der Amplitudenmodulation. Das Empfängersignal und die Modulationsfrequenz werden am Oszilloskop angeschlossen. Der Empfänger kann optional noch an einem Lautsprecher angeschlossen werden.]]
[[Datei:Experimente Wellen Abstandsmessung Ultraschall Aufbau Beschriftet.PNG|600px|thumb|right||Der vollständige Aufbau gemäß der Aufbauskizze mit Beschriftung der verwendeten Geräte. Die Aufnahme für die Ultraschallsensorik wurde durch einen 3D Drucker gefertigt.]]
</div>
</div>

== Versuchsdurchführung ==

<div class="row">
<div class="large-8 columns">

Nachdem die Oszilloskop- und Triggereinstellung sinnvoll gewählt wurden, werden die nebenstehenden Sinuskurven dargestellt. Die gelbe Kurve ist das Signal des Ultraschallempfängers. Die Modulationsfrequenz ist in rot dargestellt.

Wird das Pendel ausgelenkt verändert sich die Phasenverschiebung des Empfängersignals (hier: gelb). Auf dem Oszilloskop ist ein direkter Zusammenhang zwischen der Pendelbewegung und der Phasenverschiebung zu erkennen. Das Signal der Modulationsfrequenz (hier: rot) bleibt dagegen ortsfest.

Am Lautsprecher ist bei stillstehendem Pendel ein konstanter Ton zu hören. Bei Auslenkung des Pendels wird dieser Ton leiser, wenn sich der Pendelkörper vom Empfänger entfernt und mit abnehmender Entfernung wieder lauter.

</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:Experimente Wellen Abstandsmessung Ultraschall Auswertung.png|600px|thumb|right||Screenshot des Oszilloskopes. Die modulierte Ultraschallfrequenz ist gelb dargestellt. Die Modulationsfrequenz ist rot dargestellt. Durch die Phasenverschiebung zwischen den Modulationsfrequenzen wird der Abstand des Pendels berechnet.]]
</div>
</div>

== Auswertung ==

Durch die Zeitmessung der Phasenverschiebung am Oszilloskop wird nun die Entfernung berechnet. Zwischen den Maxima aus der Modulationsfrequenz und des Empfängersignals wird eine Zeitdifferenz von <math>\Delta t = 736~\mathrm{\mu s}</math> gemessen. Daraus folgt eine Entfernung von

:<math>
s = c_\mathrm{s} \cdot \Delta t = 343~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} \cdot 7,36 \cdot 10^{-4}~\mathrm{s} = 0,252~\mathrm{m}.
</math>

Da Ultraschallsender und Empfänger im gleichen Abstand zum Pendel stehen beinhaltet das Messergebnis sowohl Hin- als auch Rückweg des Schalls. Demnach befindet sich das
Pendel in einer Entfernung von

:<math>
s = \frac{25,2~\mathrm{cm}}{2} = 12,6~\mathrm{cm}
</math>

zur Ultraschallsensorik.

== Fehlerabschätzung ==

== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==

<ul>• Schülerinnen und Schüler können Schwierigkeiten dabei haben, warum Ultraschall nicht hörbar ist aber am Lautsprecher ein hörbarer Ton entsteht. Es ist darauf hinzuweisen, dass lediglich die eingestellte Modulation, also die einhüllende Frequenz, hörbar ist.</ul>

<ul>• Bei einem Schülerexperiment können Probleme bei der Bedienung des Oszilloskopes auftreten. Bei einem Demonstrationsexperiement ist darauf zu achten, dass alle Schülerinnen und Schüler eine gute Sicht auf die Anzeige des Oszilloskopes haben.</ul>

<ul>• Während der Pendelbewegung verändert sich die Amplitude der Modulationsfrequenz. Zudem verschiebt sich bei der Pendelbewegung auch die Phase, was am Lautsprecher ein Rauschen hervorrufen kann. Dadurch kann der Eindruck entstehen, dass sich durch die Pendelbewegung auch die Frequenz verändert.</ul>

== Sicherheitshinweise ==
Verletzungsgefahr durch umkippende Versuchsaufbauten und sich lösende Teile. Durch den unsachgemäßen Gebrauch und/oder die Verwendung eines mangelhaften Geräts und/oder Anschlussleitung kann es zu lebensgefährlichen Körperströmen kommen. Von der Ultraschallquelle können Gefahren für Tiere ausgehen. Bei falscher Einstellung des Verstärkers und Lautsprechers können laute unangenehme Töne entstehen, welche Kopfschmerzen hervorrufen können.

= Fotos =

<br>

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:Experimente Wellen Abstandsmessung Ultraschall Gesamtaufbau.JPEG]]
<div class="orbit-caption">
Gesamtaufbau.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:Experimente Wellen Abstandsmessung Ultraschall Aufbauskizze.PNG]]
<div class="orbit-caption">
Skizze zum Versuchsaufbau.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:Experimente Wellen Abstandsmessung Ultraschall Aufbau Beschriftet.PNG]]
<div class="orbit-caption">
Gesamtaufbau mit Gerätebeschriftung.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:Experimente Wellen Abstandsmessung Ultraschall Auswertung.png]]
<div class="orbit-caption">
Screenshot am Oszilloskop.
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

= Literatur =
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

Ultraschall

2025-10-16T09:35:53Z

Admin: 1 Version importiert

Vorlage:Unterrichtsmaterialen

2025-10-16T09:35:52Z

Admin: 24 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

Kurze Einleitung in das Unterrichtsthema, die Materialien und das Unterrichtsziel.

__INHALTSVERZEICHNIS__

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:00 Platzhalter.jpeg|Beschreibung|1499px|thumb|center|Die Auswahl des Bildes sollte symbolisch den gesamten Versuch beschreiben und ansprechend sein]]
</div>
</div>

= Unterrichtsvorschlag =

Tabellarische Skizzierung eines möglichen Unterrichtsgangs. Hier sollen die Materialien aus den Kapiteln "Experimente" und "Arbeitsblätter und Co." explizit verlinkt werden.

{| class="wikitable" style="width: 100%;"
|-
! '''Zeit''' !! '''Inhalt''' !! '''Unterrichtsphase''' !! '''Unterrichtsform''' !! '''Material''' !! '''Bemerkungen'''
|-
| z.B. 15 min || Verdeutlichung des Welle-Teilchen-Dualismus anhand des Analogieexperiments [[EXP:Quantenradierer|Quantenradierer]]. || Experimentierphase || Frontal || Experiment: [[EXP:Quantenradierer|Quantenradierer]] || -
|-
| Beispiel || Beispiel || Beispiel || Beispiel || Beispiel || Beispiel
|-
| Beispiel || Beispiel || Beispiel || Beispiel || Beispiel || Beispiel
|}

= Experimente =

Verlinkung auf Experimente und Simulationen, welche entweder bereits im Wiki existieren oder auf externen Seiten zu finden sind.

= Arbeitsblätter und Co. =

Auflistung und Verlinkung verschiedener Arbeitsblätter zum Unterrichtsthema.

= Literatur =
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

Vorlage:Lehrerfortbildung

2025-10-16T09:35:52Z

Admin: 16 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

Inhaltliche Zusammenfassung des Themas mit Links zu Unterrichtsmaterialien, Experimenten und weiterführender Literatur.

__INHALTSVERZEICHNIS__

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:00 Platzhalter.jpeg|Beschreibung|1499px|thumb|center|Die Auswahl des Bildes sollte symbolisch den gesamten Versuch beschreiben und ansprechend sein]]
</div>
<div class="large-5 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| ?
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| Kapitel, Abschnitt
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von Thüringen
| Kapitel, Abschnitt
|-
|}
</div>
</div>

= Inhaltliche Zusammenfassung zum Thema=

Welche physikalischen Inhalte stecken hinter dem Thema. Gerne so genau wie möglich und so ausführlich wie nötig. Ggf. historische Einführung und/oder Begriffserklärung.

== Erste inhaltliche Überschrift==
Hier wird der erste Teil beschrieben.

== Zweite inhaltliche Überschrift==
; Schritt 1 : BlaBla.
; Schritt 2: Aber bitte nicht jede einzelne angezogene Schraube beschreiben! Wenn bestimmte Größen ausgeschrieben werden wie z.B. 500 g dann kann man zwischen der Maßzahl wie hier ein halbes Leerzeichen einfügen.

== Dritte inhaltliche Überschrift==
Gegebenenfalls können hier auch Gleichungen eingebunden werden. Mathematische Ausdrücke werden durch den <code><nowiki><math></nowiki></code>-Tag initiiert:

:<math>
\mathrm{i}\hbar\frac{\partial}{\partial t} |\,\psi (t) \rangle = \hat{H} |\,\psi (t) \rangle.
</math>

Beim Vergleich mit Literaturwerten oder ähnlichem sollte durch die Referenzumgebung <code><nowiki><ref></nowiki></code> auf geeignete Quellen verwiesen werden, diese erscheinen dann auch automatisch am Seitenende.<ref>[https://www.pi5.uni-stuttgart.de/de/forschung/physik-und-ihre-didaktik/ ''Website Abteilung Physik und ihre Didaktik''] Abgerufen am 31.08.2021</ref>

= Didaktische Einordnung=

== Mögliche Lernziele ==

Auf welche inhaltliche und prozessbezogene Kompetenzen kann in diesem Thema eingegangen werden.

== Nötige Vorkenntnisse ==

Beschreibe hier genauer welche Vorkenntnisse ein*e SuS benötigt um das Thema verstehen zu können. Dabei müssen auch die nötigen Vorkenntnisse aus anderen Fächern beachtet werden.

== Mögliche Schülerschwierigkeiten ==

Beschreibe hier welche Schwierigkeiten die SuS beim Bearbeiten des Themas haben können.

== Schülervorstellungen, die hier relevant werden ==

Gibt es in der Literatur (z.B. Schecker, Horst; Wilhelm, Thomas; Hopf, Martin; Duit Reinders (Hrsg.) (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Berlin: Springer-Verlag GmbH) bereits erforschte Schülervorstellungen, die bei diesem Experiment relevant werden könnten? Beschreibe die Schülervorstellungen mit eigenen Worten und beschreibe warum sie hier relevant sind. GGf. kannst du auch einen Lösungsansatz beschreiben.

</div>

</div>

= Weiterführende Materialien =

== Mögliche Unterrichtseinheiten und Arbeitsblätter==

Als Liste einfügen mit den Links zur Hardware, wenn sie sich schon im Wiki befindet. Beispiel:
* [[HW:Influenzmaschine|Influenzmaschine]]

== Mögliche Experimente==

Als Liste einfügen mit den Links zur Hardware, wenn sie sich schon im Wiki befindet. Beispiel:
* [[HW:Influenzmaschine|Influenzmaschine]]

== Weiterführende Literatur==

Welche Bücher, Homepages usw. gibt es, die das Thema verschieben.

= Fotos =
Am Ende des Dokuments kann eine Galerie aller Bilder kommen, die zu diesem Thema unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind. Im Allgemeinen lohnt es sich häufig auch, bereits bestehende Texte und deren Syntax zu betrachten:<br>
<code>
<nowiki><div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:Bild.png|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Bildbeschreibung
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div></nowiki>
</code>

<br>

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:00 Platzhalter.jpeg|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Platzhalter
</div>
</li>
<li>
[[Datei:00 Platzhalter_Kolibri.jpg|slide 2]]
<div class="orbit-caption">
Ein Kolibri
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

= Literatur =
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

BP:Feuchtigkeitsmessung von Blumenerde

2025-10-16T09:35:52Z

Admin: 146 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]
<div class="row">
<div class="large-7 columns>
In diesem Experiment soll über einen Kondensator eine Feuchtigkeitsmessung von Blumenerde vorgenommen werden. Die Feuchtigkeitsmessung wird über einen Arduino digital angesteuert. Über ein Ampelsystem wird angezeigt, ob die Blume die optimale Feuchtigkeit hat:
rot = zu trocken,
blau = zu feucht,
grün = optimale Feuchtigkeit
__INHALTSVERZEICHNIS__
</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:BP Elektronik Versuchsaufbau Kapazitätsmessung von Blumenerde .jpg|Beschreibung|1499px|thumb|right|Versuchsaufbau zur Messung der Kapazität von Blumenerde]]

{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 11/12
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Elektronik (+Sensorik)
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| Elektromagnetische Felder, Zusatzprojekt zu Abschnitt (7) und (8)
|-
|}
</div>
</div>
= Theoretische Zusammenfassung =

Ein Kondensator ist eine Anordnung von zwei Leitern, die gegeneinander isoliert sind.
In diesem Experiment wird ein Plattenkondensator verwendet. Bei einem Plattenkondensator lässt sich die Kapazität folgendermaßen berechnen:
<math>
C=\epsilon_{0} \cdot \epsilon_{r} \cdot \frac{A}{d}
</math>

Dabei beschreibt <math> \epsilon_{0}=8,854 \cdot 10^{-12} ~ \frac{\rm{As}}{\rm{Vm}} </math> die Dielektrititätskonstante. <math> \epsilon_{r} </math> beschreibt die Permeabilitätszahl, die stoffspezifisch ist. Für Luft beispielsweise ist <math> \epsilon_{r}=1 </math>, für Wasser ist <math> \epsilon_{r}=80 </math>, für trockene Erde ist <math> \epsilon_{r}=3,9 </math> und für nasse Erde ist <math> \epsilon_{r}=29 </math>.
A beschreibt den Flächeninhalt einer Elektrode und d den Plattenabstand.
Für trockene Erde würde man mit einem Kondensator der Länge 10 cm und breite 20 cm mit einem Plattenabstand von 1 cm eine Kapazität von <math> C= 69 ~ \rm{pF} </math> erwarten, für feuchte Erde eine Kapazität von <math> C= 513 ~ \rm{pF} </math>.

Die Ladekurve eines Kondensators ist eine zeitabhängige Exponentialfunktion: <math>
U(t)=U_{0} \cdot (1-e^{\frac{-t}{RC}})
</math>

[[Datei:BP Elektronik Ladekurve eines Kondensators.png|350px|thumb|center||Ladekurve eines Kondensators]]

Über einen Arduino kann der Kondensator sich bis maximal <math> U_{\rm{max}}=5 ~ \rm{V} </math> aufladen. Der Arduino misst die Zeit, die der Kondensator benötigt, um die Schwellspannung zu erreichen. Diese wird nach der Zeit t=RC erreicht.
Dann ist
<math>
U(t)=U_{0} \cdot (1-e^{\frac{-RC}{RC}})=0,632 \cdot U_{0}.
</math>
Nach der Zeit t=RC wurden also 63,2% der Gesamtspannung von <math> U_{\rm{max}}=5 ~ \rm{V} </math> erreicht. Der Arduino misst die Zeit und berechnet über
<math>
C=\frac{t}{R}
</math> mit einem verwendeten Ladewiderstand von R=10 kΩ die Kapazität C.

Der Entladevorgang eines Kondensators lässt sich mit einer abfallenden e-Funktion beschreiben.

[[Datei:BP Elektronik Entladekurve eines Kondensators.png|350px|thumb|center||Entladekurve eines Kondensators]]

Beim Entladen sollte kleinstenfalls ein Widerstand in der Größenordnung unter <math> R=\frac{U}{I}=\frac{5 ~ \rm{V}}{40 ~ \rm{mA}}=125~\Omega </math>
verwendet werden, da ansonsten der Arduino zerstört werden würde. Wir verwenden einen Entladewiderstand von <math> R= 220 ~ \rm{\Omega} </math>.

= Didaktischer Rahmen =

== Fachdidaktische Zielsetzung ==

Dieses Experiment ist als zusätzliches Projekt zum Thema elektrische und magnetische Felder in der Kursstufe gedacht. Ziel ist es, dass die SuS ihr theoretisches Wissen über Schaltungen, Widerstände, LED's sowie den (Platten)kondensator in die Praxis umsetzen und frei in kleineren Gruppen an ihrer eigenen Schaltung ausprobieren können, um dadurch hoffentlich ein tieferes Verständnis für die Funktionsweise eines Kondensators zu erlangen. Mit diesem Experiment können zusätzlich mit dem Arduino bestimmte Kapazitätswerte mit berechneten, theoretisch zu erwartenden Kapazitätswerten verglichen werden.

== Nötige Vorkenntnisse ==

Die SuS sollten
* den Kondensator und seine Funktionsweise sowie speziell den Plattenkondensator kennen
* elektrische Widerstände behandelt haben
* die Funktionsweise von LED's kennen
* generell mit elektrischen Schaltungen vertraut sein und schon einmal mit einem Steckbrett gearbeitet haben

== Mögliche Schülerschwierigkeiten ==

* fehlerhaftes Aufbauen der Schaltung, sodass keine Messung stattfindet oder ein Kurzschluss produziert wird
* Verwenden eines Drahts, der an den Kontaktstellen nicht optimal abisoliert ist
* Fehler bei der Isolierung der Kondensatorplatten, z.B. keine gleichmäßig gute Isolierung
* den SuS dürfte der Arduino als Bauteil und seine Funktion unbekannt sein. Die Funktion des Arduinos müsste vorher geklärt sein. Außerdem müsste der Programmiercode des Arduinos vorgegeben werden, da dieser die Komplexität und den Zeitrahmen sprengen würde sowie nicht direkt mit dem gewünschten Ziel in dem Experiment zusammenhängt.

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==

* Arduino mit USB-A-Kabel
* Laptop mit Arduino
* Steckbrett (verwendet wurde Bauteil 5g)
* Experimentierbox 5g
* 220 Ω-Widerstand
* 10 kΩ-Widerstand
* zwei Kupferdrahtkabel
* zwei Krokodilklemmen (0,4 mm)
* Kondensator bestehend aus zwei Holzplatten mit Aluminiumfolie umwickelt

== Versuchsaufbau ==

<div class="row">
<div class="large-8 columns">

; Schritt 1 : Stecke den rot isolierten Draht in den Pluspol und verbinde ihn mit V<sub>a</sub>. Stecke den blau isolierten Draht in den Minuspol und verbinde ihn mit V<sub>b</sub>.
; Schritt 2: Platziere den Arduino auf dem Steckbrett, z.B. von Zeile 1-16 und in Spalte D-H. Verbinde den Arduino über ein USB-A-Kabel mit dem Laptop.
; Schritt 3: Stecke, wie im Bild zu sehen, den 10 kΩ-Widerstand (oberer Widerstand) und den 220 Ω-Widerstand (unterer Widerstand) sowie das gelbe und grüne Verbindungs- bzw. Erdungskabel in das Steckbrett.
; Schritt 4: Verwende aus der Experimentierbox für das Steckbrett ein weiteres gelbes und grünes Kabel. Stecke ein Kabel in einen +-Eingang und das andere Kabel in einen --Eingang.
; Schritt 5: Verbinde die Enden des gelben und grünen Drahts mit jeweils einer Krokodilklemme.
; Schritt 6: Fülle einen größeren Topf oder Eimer mit Blumenerde. Baue einen Kondensator bestehend aus zwei Platten. Dies kann man z.B. durch zwei gleich große Holzplatten mit Länge 20 cm und Breite 10 cm tun, die man am oberen Ende mit einer Aluminiumfolienschicht bedeckt. Wichtig ist es, den restlichen Teil der Holzplatte (den Teil, der in die Blumenerde gesteckt wird), zu isolieren. Isolieren kann man die Holzplatten z.B. durch eine Plasikfolie oder Tüte, befestigt mit Klebeband.
; Schritt 7: Verbinde die Krokodilklemmen am gelben Kabel mit einer Kondensatorplatte und die Krokodilklemmen am grünen Kabel mit der anderen Kondensatorplatte.
; Schritt 8: Stecke die LED's mit jeweils einem Widerstand wie auf dem Bild zu sehen auf das Steckbrett. Achte auf die gelben Kabel zur Verbindung mit dem Arduino.
</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:BP Elektronik Steckbrett Kapazitätsmessung.jpg|thumb|right|600px|Steckbrett mit Schaltung.]]
[[Datei:BP Elektronik Blumentopf für Kapazitätsmessung.jpg|thumb|right|600px|Blumentopf mit Elektroden.]]
</div>
</div>

== Versuchsdurchführung ==

Sobald die Krokodilklemmen mit den Kondensatorplatten verbunden sind und der Arduino über ein USB-A-Kabel mit dem Laptop verbunden ist, kann am Laptop im Arduino-Programm der verwendete Arduino ausgewählt werden. Anschließend kann im Programm über den Serial Monitor eine Messreihe aufgenommen werden.

== Auswertung ==

Wenn in Arduino der nachfolgende Programmiercode eingegeben wird, wird jeweils die Zeit im Nanosekundenbereich gemessen, bis die Schwellspannung erreicht wird, und dazugehörig die Kapazität angegeben. Die Kapazität kann vom Microfaradbereich bis zum Nanofaradbereich vom Programm ausgegeben werden. Der minimal ausgegebene Wert liegt bei 1 nF. Kleinere Werte zeigt das Programm nicht an. Stattdessen wird ausgegeben, dass keine Messung stattfand, weil der Wert zu klein war. Liegt der gemessene Kapazitätswert über 2 nF, leuchtet die blaue LED, die angibt, dass die Erde sehr nass und gegebenenfalls schon zu nass ist. Liegt der gemessene Kapazitätswert zwischen 1 nF und 2 nF, leuchtet die grüne LED, die angibt, dass die Erde feucht ist und nicht gegossen werden muss (Optimalfall). Liegt der gemessene Kapazitätswert unter 1 nF, leuchtet die rote LED, die angibt, dass die Erde trocken ist und gegossen werden muss.

Es wurde eine Beispielmessung mit vorher bewässerter, also nasser Erde durchgeführt.
Folgende Kapazitätswerte hat der Arduino ausgegeben:

[[Datei:BP Elektronik ausgegebene Kapazitätswerte des Arduinos.jpg|350px|thumb|center|]]

Folgende Lampe leuchtete am Steckbrett:

[[Datei:BP Elektronik Steckbrettfoto mit leuchtender LED.jpg|350px|thumb|center|]]

Der verwendete Arduino-Code sieht folgendermaßen aus:

<syntaxhighlight lang="python">
void loop() {
// 1. Kondensator laden und Zeit messen
digitalWrite(ladePin, HIGH); // ladePin auf 5V, das Laden beginnt
startZeit = micros(); // Startzeit merken
while(analogRead(messPin) < 648){} // bis 647 gemessen wird, das ist 63.2% von 1023
vergangeneZeit= micros() - startZeit - 114; // 0-Messung abziehen (112-116 us)
if(vergangeneZeit > 2147483647) vergangeneZeit = 0; // Minuswerte auf 0 setzen (ist long deshalb der hohe Wert)
// Umrechnung: us zu Sekunden ( 10^-6 ) und Farad zu mikroFarad ( 10^6 ), netto 1
microFarad = ((float)vergangeneZeit / widerstand);

// 2. Werte ausgeben
Serial.print(vergangeneZeit); // Zeit ausgeben
Serial.print(" nS ");

// Unterscheidung in Einheiten microFarad/nanoFarad
if (microFarad > 1){
if(microFarad < 100) {
Serial.print(microFarad,2); // uF.xx ausgeben
Serial.println(" uF");
}
else {
Serial.print(microFarad); // uF ausgeben
Serial.println(" uF");
}
}
else {
nanoFarad = microFarad * 1000.0; // in nF umrechnen

// Ansteuerung der LED's (Rot, Blau, Grün)
if(nanoFarad < 1) {
Serial.println("Wert zu klein - keine Messung"); digitalWrite(13, HIGH); digitalWrite(14, LOW); digitalWrite(17, LOW); //ROT leuchtet, da Kapazität < 1 nF und somit Erde zu trocken.
}
else{
Serial.print(nanoFarad); // nF ausgeben
Serial.println(" nF");
if(nanoFarad > 3){digitalWrite(13, LOW); digitalWrite(14, HIGH); digitalWrite(17, LOW); //BLAU leuchtet, da Kapazität > 3 nF und somit Erde zu nass.
}
else{
digitalWrite(34, LOW); digitalWrite(14, LOW); digitalWrite(17, HIGH); //GRÜN leuchtet, da Kapazität zwischen 1 nF und 3 nF und somit optimale Bodenfeuchte.
}
}
}
// 3. Kondensator entladen
digitalWrite(ladePin, LOW); // ladePin auf 0V
pinMode(entladePin, OUTPUT); // entladePin wird Ausgang
digitalWrite(entladePin, LOW); // entladePin auf 0V
while(analogRead(messPin) > 0){} // bis der Kondensator entladen ist (0V)
pinMode(entladePin, INPUT); // entladePin wird Eingang
// 4. warten
while((micros() - startZeit) < 500000){} // bis 500ms warten, d.h. max 2 Ausgaben pro Sekunde
Serial.print(nanoFarad);

</syntaxhighlight>

== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==

Die vom Arduino ausgegebenen Kapatitätswerte sind insgesamt recht schwankend. Bei einer längeren Messung in feuchter Erde ergaben sich Kapazitäten im Bereich zwischen 1,5 nF und 1,8 nF. Die Ungenauigkeiten bzw. Schwankungen können daher kommen, dass möglicherweise die Drähte an den Enden nicht perfekt abisoliert sind. Außerdem haben die Kondensatorplatten, die mit Frischhaltefolie und Klebeband isoliert wurden, keine perfekte Isolation. Dadurch kann es teilweise zu Entladungsströmen in die Blumenerde kommen. Zudem müssen die Kontakte vom Ende des Drahts zu den Krokodilklemmen sauber verlötet sein.

Hinzu kommt, dass der Versuchsaufbau insgesamt mit 20 cm breiten Kondensatorplatten zu groß ist. Die Größe der Platten wurde so gewählt, um die Kapazitäten gemäß der Formel für die Kapazität beim Plattenkondensator zu erhöhen. Denn bei kleineren Kapazitäten im Picofarad-Bereich hat der Arduino sehr große Schwankungen beim Angeben der Kapazität und arbeitet nicht mehr so genau. Für die Verwendung im Alltag eignet sich dieser Aufbau nicht, da die Feuchtigkeit von kleineren Töpfen mit Erde nicht gemessen werden kann. Außerdem habt man immer noch die Verkabelung des Arduinos mit einem Laptop. Deutlich einfacher wäre es mit einem Feuchtigkeitssensor, den man kaufen kann, und bloß in die Erde stecken muss.

== Sicherheitshinweise ==

Es sind bei diesem Experiment keinerlei Sicherheitsbedenken zu beachten. Die beobachteten Kapazitäten sind sehr klein und liegen im Nanofarad-Bereich. Es besteht lediglich die "Gefahr", durch fehlerhaftes Aufbauen der Schaltung einen Kurzschluss zu produzieren.

SW:Andor Solis (S)

2025-10-16T09:35:41Z

Admin: 24 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns">

Software der Firma Andor zur Aufnahme zeitaufgelöster Vorgänge. Mithilfe dieser Software lesen wir die Daten des [[HW:Spektrometer_Andor_Shamrock_500i|Spektrometers]] aus.
Da das Spektrometer recht simpel nur aus einigen Spiegeln, drei Gittern auf einem rotierenden dreiseitigen Prisma und einer Kamera aufgebaut ist muss das Spektrometer vor dem Einsatz kalibriert werden. Für den korrekten Umgang mit diesem Spektrometer sind hier einige hilfreiche Fakten dargestellt.

{| class="wikitable" style="float:right; margin-right: 50px"; |
|-
| Link
| https://andor.oxinst.com/downloads/view/andor-solis-64-bit-4.32.30065.0
|-
| Aktuelle Version
| 4.32.30065.0 (01.09.2023)
|-
| Entwickler
| Andor
|-
| Betriebssystem
| Windows XP, Vista, 7, 8, 10 mit 32 und 64 Bit
|-
| Sprache
| englisch
|}

__KEIN_INHALTSVERZEICHNIS__

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:SW_Solis_Screenshot.png|Beschreibung|1499px|thumb|center|Screenshot der Software Andor Solis S. Fotografin: Katharina Stütz ]]
</div>
</div>

== Installationshinweise ==

* Im Installationsprozess muss die verwendete Kamera ausgewählt werden. Hier: iVac 324 FI
* Nach der Installation sollten sich alle nötigen Driver im Ordner <q>Shamrock USB Driver</q><q>Andor Solis</q>-Ordner befinden.
* Erst jetzt sollte das Spektrometer an den Computer angeschlossen und das Spektrometer angeschaltet werden.
* Der Istallations-Wizzard für die Treiber der Hardware sollten nun starten. Passiert dies nicht sollte die Installation manuel gestartet werden.

== Einstellungen vor der ersten Messung ==

* Es sollte darauf geachtet werden, dass die Temperatur der Kamera auf -60°C eingestellt ist. Dies sollte bei der Software unten links im Eck angezeigt werden.
* In den Einstellungen zur Datenaufnahme (<q>Setup Acquisition</q>) muss bei den Einstellungen unter dem Reiter <q>FVB</q> der Haken beim Horizontalen Flip entfernt werden.
* Für die X-Achse sollte die Wellenlänge als Einheit eingestellt werden. Dies kann man unter <q>Calibrate</q> und dann unter dem Punkt <q>X-Calibration by Spectograph</q> angeben.
* Unten rechts in der Ecke kann dann das passende Gitter ausgewählt werden. Diese werden im Artikel zum [[HW:Spektrometer_Andor_Shamrock_500i|Spektrometer]] genauer beschrieben. Mit einem einfachen Klick auf das passende Gitter begrinnt das Spektrometer dieses in die richtige Position zu fahren. Das dauert einen Moment. Schwebt man mit der Maus über einem der angezeigten Gitter werden die Eigenschaften dazu angezeigt.

<div class="row">
<div class="large-2 columns">
[[Datei:SW_Solis_Temperatur_Kamera.png|Beschreibung|1499px|thumb|center|Anzeige der Kamera-Temperatur. Mit einem Klick auf diese kann sie eingestellt werden. Für unsere Kamera sind -60°C perfekt. Fotografin: Katharina Stütz ]]
</div>
<div class="large-3 columns">
[[Datei:SW_Solis_FVB_Horizontalen_Flip_ausschalten.png|Beschreibung|1499px|thumb|center|In der Software "Andor Solis S" muss der Horizontale Flip der Daten unter dem Punkt "Setup Acquisition" ausgeschaltet werden. Dieser ist aus keinem ersichtlichen Grund beim Start der Software aktiviert. Fotografin: Katharina Stütz ]]
</div>
<div class="large-3 columns">
[[Datei:SW_Solis_Calibration_X.png|Beschreibung|1499px|thumb|center|In diesem Fenster kann die x-Achse eingestellt werden. Es ist über "Calibrate" und dann "X-Calibration by Spectograph" aufgerufen werden. Fotografin: Katharina Stütz]]
</div>
<div class="large-4 columns">
[[Datei:SW_Solis_Gratings.png|Beschreibung|1499px|thumb|center|Hier kann in der Software das Gitter ausgewählt werden, das zur Analyse verwendet werden soll. Fotografin: Katharina Stütz ]]
</div>
</div>

== Kalibrierung ==

Vor der ersten Messung mit einem Versuchsaufbau muss das Spektrometer neu kalibriert werden. Nutzt man einen neuen Versuchsaufbau, so trifft das Licht in einem unbestimmten Winkel auf den Eintrittsspalt des Spektrometers. Je nach Winkel tritt das Emissionsspektrum dann auch unter einem anderen Winkel auf den CCD-Chip der Kamera. Deshalb ist eine Kalibrierung bei jedem auch kleinen Umbau des Experiments notwendig.

Für diese Kalibrierung wird typischerweise die Natrium-D-Linie oder das Sepktrum einer Quecksilberdampflampe verwendet. Die Literaturwerte der Wellenlängen der Spektrallinien sind genau bekannt und die Emissionslinien sind sehr schmal, was sie ideal für die Kalibrierung machen.

Das Experiment muss also zunächst mit einer Quecksilberdampflampe durchgeführt werden. Mit einem Klick auf den Button <q>Display</q> unten links in der Ecke der Softwareoberfläche kann der Punkt <q>Offset-Adjustment</q> aktiviert werden. Es erscheint nun unten rechts ein Kasten zur Einstellung des Offset. Dieser kann nun so angepasst werden, dass die Wellenlängen der gemessenen Spektrallinien mit den Literaturwerten übereinstimmen.

Erst jetzt kann das tatsächliche Experiment gestartet werden.

== Einstellungsmöglichkeiten ==

'''Hintergrund messen und herausfiltern'''
* Zunächst sollte das Experiment so aufgebaut werden, dass sich Alles am vorgesehenen Ort befindet, das Experiment aber noch nicht eingeschaltet wurde.
* Die Temperatur der Kamera sollte auf -60°C eingestellt worden sein.
* Um den Hintergrund aufzunehmen navigiert man: "Acquisition" -> "Take Background"
* Um dann eine Messung ohne Hintergrund aufnehmen zu können muss der Datentyp geändert werden: "Acquisition" -> "Setup Data Type" -> "Counts (Bg corrected)"

'''Stick-N-Glue'''

'''Export als Tabelle'''
Unter "File" -> "Export as" kann man die Daten mit dem Dateiformat "Ascii XY" als Tabelle exportieren, welche z.B. mit dem Texteditor gelesen werden kann.

== Experimente ==

== Bedienungsanleitung des Herstellers ==

* [https://andor.oxinst.com/assets/uploads/products/andor/documents/Solis-Brochure.pdf Broschüre des Herstellers]

== Fotos ==
Am Ende des Dokuments kommt eine Galerie aller Bilder, die zu dieser Software unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind.
<br>
<code>
<nowiki><div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li class="active">
[[Datei:Bild.png|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Bildbeschreibung
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div></nowiki>
</code>

== Literatur ==

<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

Vorlage:Software

2025-10-16T09:35:39Z

Admin: 14 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns">

Kurzbeschreibung des Gegenstandes in maximal fünf Sätzen (z.B. andere mögliche Bezeichnungen, Erfinder, Ursprung,...)

__KEIN_INHALTSVERZEICHNIS__

</div>
<div class="large-5 columns>
{| class="wikitable" style="float:right; margin-right: 50px"; |
|-
| Link
| ??
|-
| Aktuelle Version
| ??
|-
| Entwickler
| ??
|-
| Betriebssystem
| ??
|-
| Lizenz
| ??
|-
| Sprache
| ??
|}
</div>
</div>
== Aufbau und Funktionsweise ==

<div class="row">
<div class="large-7 columns">
Bitte kurz halten. Das soll hier nicht zum Fokus werden.
</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:00 Platzhalter_Kolibri.jpg|600px|thumb|right||Beispielsweise ließe sich hier die Verwendung mit Screenshots o.ä. gut illustrieren.]]
</div>
</div>

== Systemvoraussetzungen und Zubehör ==
Auf welchem System wird die Software eingesetzt? Erforderliches Betriebssystem, Bildschirmauflösung, ...? Wird die Software in Verbindung mit zusätzlichen Hardware-Komponenten verwendet?

== Experimente ==
Hier werden, wenn vorhanden, Links zu den Experimenten eingefügt, die mit der beschriebenen Hardware umgesetzt werden können.<br>
Andernfalls bleibt die Überschirft ohne Eintrag stehen.

== Bedienungsanleitung des Herstellers ==
Zuguterletzt wird hier die Betriebsanleitung des Herstellers verlinkt.<br>

Beispiel:
* [https://www.3bscientific.de/product-manual/1002967_DE.pdf Bedienungsanleitung 3B Scientific Physics]

== Fotos ==
Am Ende des Dokuments kommt eine Galerie aller Bilder, die zu dieser Software unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind.
<br>
<code>
<nowiki><div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li class="active">
[[Datei:Bild.png|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Bildbeschreibung
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div></nowiki>
</code>

== Literatur ==
Hier werden alle verwendeten Literaturen notiert.<ref>Homepage der Arbeitsgruppe Physik und ihre Didaktik: https://www.pi5.uni-stuttgart.de/de/forschung/physik-und-ihre-didaktik/index.html</ref>
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

Vorlage:Hardware

2025-10-16T09:35:39Z

Admin: 47 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

__KEIN_INHALTSVERZEICHNIS__

<div class="row">
<div class="large-7 columns">
Kurzbeschreibung des Gegenstandes in maximal fünf Sätzen (z.B. andere mögliche Bezeichnungen, Erfinder, Ursprung,...)

=== Aufbau und Funktionsweise ===

'''Aufbau'''

Text

'''Funktionsweise'''

Text

=== Zubehör ===
Gehören zu dieser Hardware zusätzliche Gegenstände? Wo befinden sich diese in der Sammlung. Füge auch dazu Bilder ein.Falls es kein Zubehör gibt kann dieser Abschnitt einfach gelöscht werden.
</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:HW Elektrostatik Influenzmaschine Beschreibung.jpeg|600px|right|thumb|Bilder sollten immer eine sinnvolle Beschreibung haben. Hier z.B. : Influenzmaschine von 3B Scientific.]]
</div>
</div>
<div class="row">
<div class="large-7 columns">
=== Experimente ===
Hier werden, wenn vorhanden, Links zu den Experimenten eingefügt, die mit der beschriebenen Hardware umgesetzt werden können.<br>
Andernfalls bleibt die Überschirft ohne Eintrag stehen.

</div>
<div class="large-5 columns">
<h3 class="subheader"><span style="display:inline;"></span> Wichtige Daten</h3>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%"|
| Sammlungsposition
| Schrankname: Regalfach (Beispiel: Elektronik: 4c)
|-
| Hersteller
| ??
|-
| Sonstiges
| ??
|}
</div>
</div>

=== Betriebsanweisungen ===
Hier wird, falls vorhanden, die zugehörige Betriebsanweisung verlinkt. Andernfalls bleibt die Überschirft ohne Eintrag stehen.

Beispiel:
* [[BA:Influenzmaschine|Influenzmaschine]]

=== Bedienungsanleitung des Herstellers ===
Zuguterletzt wird hier die Betriebsanleitung des Herstellers verlinkt.<br>

Beispiel:
* [https://www.3bscientific.de/product-manual/1002967_DE.pdf Bedienungsanleitung 3B Scientific Physics]

=== Fotos ===
Am Ende des Dokuments kommt eine Galerie aller Bilder, die zu dieser Hardware unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind. Hier sehen Sie als Beispiel die Bilder der Influenzmaschine. Um Ihre eigenen Bilder hier einzubinden müssen einfach nur die Bezeichungen der Bilder ausgetauscht werden.<br>

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:HW Elektrostatik Influenzmaschine vorne.jpeg|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
vorne
</div>
</li>
<li>
[[Datei:HW Elektrostatik Influenzmaschine hinten.jpeg|slide 2]]
<div class="orbit-caption">
hinten
</div>
</li>
<li>
[[Datei:HW Elektrostatik Influenzmaschine Blitz.jpeg|slide 3]]
<div class="orbit-caption">
Blitz
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

== Literatur ==
Hier werden alle verwendeten Literaturen notiert.<ref>Homepage der Arbeitsgruppe Physik und ihre Didaktik: https://www.pi5.uni-stuttgart.de/de/forschung/physik-und-ihre-didaktik/index.html</ref>
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

HW:Spektrometer Andor Shamrock 500i

2025-10-16T09:35:39Z

Admin: 29 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

__KEIN_INHALTSVERZEICHNIS__

<div class="row">
<div class="large-7 columns">

Mit diesem Spektrometer können mit drei verschiedenen Gittern in einem Spektralbereich von 200 bis 1415 nm Auflösungen von bis zu 0,03 nm erreicht werden. Mithilfe einer angebauten CCD-Kamera kann das Ergebnis mithilfe einer Software an einem Computer betrachtet werden.

=== Aufbau und Funktionsweise ===

Bei dem hier verwendeten Spektrometer handelt es sich um ein Gitterspektrometer. Das zu untersuchende Licht muss gerade und kollimiert in die Eintrittsöffnung treffen. Im Spektrometer wird das Licht dann über zwei gekrümmte Spiegel kollimiert und auf das Gitter reflektiert. Das Gitter ist so optimal ausgeleuchtet. Das vom Gitter reflektierte Licht wird dann mit weiteren Spiegeln und einer Linse auf den Chip eines Kamera-Chips fokussiert. Um das gemessenen Signal verstärken zu können wird ein Photomultiplier (Sekundärelektronenvervielfacher) eingesetzt. Dabei löst die einfallende Strahlung an der Photokathode Elektronen aus. Diese werden dann über eine anliegende Spannung beschleunigt und treffen auf mehrere Dynoden. Die letzte Dynode ist dann die Anode. An jeder einzelnen Dynode treffen die Elektronen auf und werden durch eine erneute angelegte Spannung weiter beschleunigt. Bei diesem Prozess werden weitere Elektronen aus dem Dynoden-Material herausgelöst. Der ürsprüngliche Strom wird also verstärkt.

[[Datei:HW_Optik_Spektrometer_Funktionsweise.PNG|400px|center|thumb|Skizze zur Funktionsweise des Spektrometers. Muss noch durch ein eigenes Foto ersetzt werden.]]

</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:HW_Optik_Spektrometer_Aufbau_Beschriftung.PNG|600px|right|thumb|Beschriftetes Spektrometer Shamrock 500i B1. Autorin: Katharina Stütz]]
</div>
<div class="large-5 columns">
<h3 class="subheader"><span style="display:inline;"></span> Wichtige Daten</h3>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%"|
| Sammlungsposition
| Linke Ecke im Schülerlabor
|-
| Hersteller
| Andor
|-
| Brennweite (Focal Length)
| 500 mm
|-
| Blendenöffnung
| F/6,5 = 76,9 mm ("F" = Focal Length)
|-
| Auflösung
| bis zu 0,03 nm
|-
| CCD-Kamera
| iVac 324B (DR-324B-FI)
|}
</div>
</div>

'''Bei unserem Spektrometer stehen drei verschiedene Gitter zur Auswahl:'''

{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%"|
|+ Eigenschaften der drei verschiedenen Gitter
|-
! Gitterkonstante (l/mm)
! Andor Teilnummer
! Bester Spektralbereich (nm)
! Möglicher Spektralbereich (nm)
! Auflösung (nm)
! Bandpass (nm)
! Blaze (nm) (optimale Wellenlänge)
|-
| 1200
| SR5-GRT-1200-0500
| 200 - 865
| 200 - 1415
| 0,06
| 40
| 500
|-
| 1800
| SR5-GRT-1800-FH
| 200 - 575
| 200 - 945
| 0,04
| 26
| 380 nm (Holographisch)
|-
| 2400
| SR5-GRT-2400-0300
| 200 - 435
| 200 - 705
| 0,03
| 19
| 300
|-
|}

'''Tipps und Tricks'''

* Bei der Installation der Software [[SW:Andor_Solis_(S)|Solis]] auf einem neuen Computer müssen zusätzlich alle nötigen Treiber installiert werden.
* Vor der ersten Messung muss sichergestellt werden, dass die Kamera auf -60°C heruntergekühlt wird. Dies wird unten links im Eck der Software angezeigt.

=== Zubehör ===

* Power Supply
* Power Cable
* 2 Frontplatten mit einstellbaren Einzelspalten
* 2 Frontplatten mit einer 1" großen Öffnung für den Anschluss von Glasfaserleitungen
* USB 2.0 Kabel von Typ A auf Typ B
* CCD-Kamera iVac 324 FI

=== Experimente ===



=== Bedienungsanleitung des Herstellers ===

* [https://andor.oxinst.com/assets/uploads/products/andor/documents/andor-shamrock-500-specifications.pdf Spezifikationen von Andor Shamrock 500i]
* [https://andor.oxinst.com/downloads/uploads/Andor_Shamrock-500-750_Manual.pdf Bedienungsanleitung Andor Shamrock 500i]
* [https://andor.oxinst.com/downloads/uploads/Shamrock_500i_and_750_Quick_Start_Guide.pdf Andor Shamrock 500i Quick-Start Guide]
* [https://andor.oxinst.jp/assets/uploads/documents/Andor/andor-ivac-specifications.pdf Spezifikationen zur CCD-Kamera iVac 324 FI]

=== Fotos ===

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:HW_Optik_Spektrometer_Aufbau_Beschriftung.PNG|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Foto des Spektrometers.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:HW_Optik_Spektrometer_Funktionsweise.PNG|slide 2]]
<div class="orbit-caption">
Skizze zur Funktionsweise des Spektrometers.
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

== Literatur ==

<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

HW:UV-Lampen

2025-10-16T09:35:37Z

Admin: 16 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

__KEIN_INHALTSVERZEICHNIS__

<div class="row">
<div class="large-7 columns">
Bei diesem Gerät handelt es sich um eine Lampe, welches ein Strahlungsgemisch ausstrahlt, welches dem der natürlichen Sonneneinstrahlung ähnelt. Die Lampe besitzt dementsprechend einen nennenswerten UV-Anteil, weshalb die Lampe als UV-Lampe bezeichnet wird.

=== Aufbau und Funktionsweise ===

'''Aufbau'''

Text

'''Funktionsweise'''

Text

=== Zubehör ===
Gehören zu dieser Hardware zusätzliche Gegenstände? Wo befinden sich diese in der Sammlung. Füge auch dazu Bilder ein.Falls es kein Zubehör gibt kann dieser Abschnitt einfach gelöscht werden.
</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:HW UV-Lampe ULTRA-VITALUX-OSRAM.jpg|600px|right|thumb|Originalverpackung der UV-Lampe "ULTRA-VITALUX" der Firma OSRAM, wie sie in der Sammlung zu finden ist. Fotografin: Kim Kappl.]]
</div>
</div>
<div class="row">
<div class="large-7 columns">
=== Experimente ===
Hier werden, wenn vorhanden, Links zu den Experimenten eingefügt, die mit der beschriebenen Hardware umgesetzt werden können.<br>
Andernfalls bleibt die Überschirft ohne Eintrag stehen.

</div>
<div class="large-5 columns">
<h3 class="subheader"><span style="display:inline;"></span> Wichtige Daten</h3>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%"|
| Sammlungsposition
| Optik: 3b
|-
| Hersteller
| OSRAM
|-
| Leistung
| 300 W
|}
</div>
</div>

=== Betriebsanweisungen ===
Hier wird, falls vorhanden, die zugehörige Betriebsanweisung verlinkt. Andernfalls bleibt die Überschirft ohne Eintrag stehen.

=== Bedienungsanleitung des Herstellers ===

*[https://www.osram.de/appsj/pdc/pdf.do?cid=GPS01_1028569&vid=PP_EUROPE_DE_eCat&lid=DE&mpid=ZMP_60829 Datenblatt des Herstellers OSRAM]

=== Fotos ===
Am Ende des Dokuments kommt eine Galerie aller Bilder, die zu dieser Hardware unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind. Hier sehen Sie als Beispiel die Bilder der Influenzmaschine. Um Ihre eigenen Bilder hier einzubinden müssen einfach nur die Bezeichungen der Bilder ausgetauscht werden.<br>

<div class="row">
<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:HW Elektrostatik Influenzmaschine vorne.jpeg|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
vorne
</div>
</li>
<li>
[[Datei:HW Elektrostatik Influenzmaschine hinten.jpeg|slide 2]]
<div class="orbit-caption">
hinten
</div>
</li>
<li>
[[Datei:HW Elektrostatik Influenzmaschine Blitz.jpeg|slide 3]]
<div class="orbit-caption">
Blitz
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

== Literatur ==
Hier werden alle verwendeten Literaturen notiert.<ref>https://didaktik.pi5.physik.uni-stuttgart.de/w/index.php/Willkommen Wiki Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik</ref>
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

EXP:Hallwachs-Effekt

2025-10-16T09:35:36Z

Admin: 54 Versionen importiert

[[Kategorie:In Bearbeitung]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>

Der Hallwachs-Effekt gilt als eines der grundlegenden Experimente der Quantenphysik und wurde im Jahr 1888 erstmals von Wilhelm Hallwachs publiziert <ref>Wilhelm Hallwachs, ''Ueber die Electrisirung von Metallplatten durch Bestrahlung mit electrischem Licht''. In: Annalen der Physik, Bd. 34, 1888, S. 731-734.</ref>. Es handelt sich hierbei um ein qualitatives Experiment, in welchem demonstriert wird, dass bei der Bestrahlung einer metallischen Platte Elektronen aus dieser gelöst werden können. Dies ist allgemeiner bekannt unter dem Begriff "Photoeffekt".

__INHALTSVERZEICHNIS__

= Theoretische Zusammenfassung =

Um Elektronen aus einem Metall oder Halbleiter zu lösen, muss zunächst die sogenannte Ausrittsarbeit <math> E_{\mathrm A} </math> der Elektronen im Festkörper überwunden werden. Dies lässt sich durch die Bestrahlung des Materials mit Licht geeigneter Wellenlänge erreichen.
Das Material Zink besitzt beispielsweise eine Austrittsarbeit von <math> E_{\mathrm{A,Zn}}=4,34\;\mathrm{eV} </math>. Um die Elektronen aus der Zinkplatte zu lösen, muss die Platte also mit Licht der Wellenlänge

<math>
\lambda_{\mathrm{A,Zn}} \leq \frac{h \cdot c}{E_{\mathrm{A,Zn}}}=\frac{h \cdot c}{4,34\;\mathrm{eV}}=285,7\;\mathrm{nm}
</math>

bestrahlt werden. Licht dieser Wellenlängen befindet sich im UV-Bereich und '''nicht''' im Bereich des sichtbaren Lichts. Daher ist es für diesen Versuch essentiell, eine Lampe zu verwenden, welche Licht mit Wellenlängen aus dem unteren UV-Bereich abstrahlt.

= Didaktischer Rahmen =

== Fachdidaktische Zielsetzung ==

Im Rahmen dieses Experiments sollte den SuS näher gebracht werden, dass sich Elektronen aus Festkörpern durch Bestrahlung mit Licht geeigneter Wellenlängen herauslösen lassen. Dabei sollte Wert darauf gelegt werden, den SuS zu vermitteln, dass die Fähigkeit des Herauslösens '''nicht''' wie eigentlich erwartet von der Intensität des bestrahlenden Lichts, sondern von der Wellenlänge abhängt.

== Nötige Vorkenntnisse ==

Da das Experiment am Anfang des Kapitels Quantenphysik durchgeführt wird, werden keine quantenphysikalischen Vorkenntnisse erwartet. Allerdings müssen Begriffe, wie Wellenlänge, Energie und elektrostatische Aufladung bekannt sein. Außerdem sollte den SuS die Funktionsweise eines Elektroskops klar sein.

== Mögliche Schülerschwierigkeiten ==

Wird das Experiment als Demonstrationsexperiment durchgeführt, sollte darauf geachtet werden, dass die Zeiger des Elektroskops auch von weiter hinten sichtbar sind. Im Notfall ließe sich das Elektroskop mithilfe einer Dokumentenkamera filmen und per Beamer an die Wand projizieren.

</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP Quantenphysik Hallwachs-Effekt mit-Ausschlag.jpg|Beschreibung|1499px|thumb|center|Versuchsaufbau zum Hallwachs-Effekt. Fotografin: Kim Kappl.]]
</div>
<div class="large-5 columns>
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%;"|
|+ Allgemein
|-
! style="width: 50%"|Klassenstufe
| Klasse 12
|-
! style="width: 50%"|Kategorie
| Quantenphysik
|-
! style="width: 50%"|Einordnung in den Bildungsplan von BW
| Quantenphysik und Materie 3.6.6 (1)
|-
|}
{| class="wikitable" style="margin: auto; width: 100%"|
|+ Klassifikation
|-
! style="width: 50%"|Quantitativ/Qualitativ
| Qualitativ
|-
! style="width: 50%"|Demo-/Schülerexperiment
| Beides möglich
|-
! style="width: 50%"|Unterrichtsphase
| Erarbeitungsphase
|-
! style="width: 50%"|Einzelversuch/Versuchsreihe
| Versuchsreihe (positive und negative Beladung der Zinkplatte)
|-
|}
</div>
</div>

= Versuchsanleitung =

== Benötigtes Material ==

<div class="row">
<div class="large-7 columns">

* [[HW:UV-Lampen|UV-Lampe mit Lampenfassung]]
* Kreuzmuffe
* Stativstange, 50 cm
* 2 Stativfüße
* Stativklemme
* Zinkplatte
* Elektroskop
* Bananenkabel, 2 mm
* Krokodilklemme, 4 mm
* Plastikstab
* Hasenfell
* Plexiglasstab
* Polyerstertuch
* [[HW:Glimmlampen|Glimmlampe]]

</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:EXP Quantenphysik Hallwachs-Effekt Versuchsmaterialien.jpg|600px|thumb|right||Übersicht aller für den Versuch notwendigen Materialien. Fotografin: Kim Kappl.]]
</div>
</div>

== Versuchsaufbau ==

<div class="row">
<div class="large-7 columns">

; Schritt 1 : Die Stativstange wird an einem der beiden Stativfüße befestigt und die Kreuzmuffe wird am oberen Ende der Stange befestigt. Die UV-Lampe wird in ihre Fassung geschraubt und mithilfe der Kreuzmuffe am Stativ befestigt. Für eine detailliertere Darstellung des Aufbaus der UV-Lampe vergleiche die nebenstehende Abbildung rechts oben.
; Schritt 2: Nun wird Stativklemme in einen weiteren Stativfuß geschraubt und die Zinkplatte in die Stativklemme eingeklemmt, wie in der Abbildung rechts unten zu sehen. Gegebenenfalls muss die von der UV-Lampe bestrahlte Seite der Zinkplatte vor Versuchsbeginn mithilfe eines Schleifpapiers abgeschliffen werden, um die Oxidationsschicht zu entfernen. Man positioniere die Zinkplatte so, dass sie von der UV-Lampe gut bestrahlt wird.
; Schritt 3: Zuletzt werden mithilfe der Krokodilklemme und dem Bananenkabel die Zinkplatte und das Elektroskop elektrisch miteinander verbunden.

</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:EXP Quantenphysik Hallwachs-Effekt Lampe-Halterung.jpg|600px|thumb|right||Detailliertere Fotografie der Halterung der UV-Lampe. Fotografin: Kim Kappl.]]
[[Datei:EXP Quantenphysik Hallwachs-Effekt Zinnplatte-Halterung.jpg|600px|thumb|right||Detailliertere Fotografie der Halterung der Zinkplatte. Fotografin: Kim Kappl.]]
</div>
</div>

== Versuchsdurchführung ==

<div class="row">
<div class="large-7 columns">

Zu Beginn wird die UV-Lampe in Betrieb genommen und von der Zinkplatte weggedreht. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass den Schüler*innen nicht in die Augen geleuchtet wird, da die Lampe äußerst hell ist.

Im ersten Teil des Versuchs wird die Zinkplatte mit negativen Ladungsträgern beladen. Diese lassen sich durch Reibung des Plastikstabes an Hasenfell erzeugen, wodurch eine Ladungstrennung entsteht. Am Plastikstab befinden sich dann negative Ladungsträger und am Hasenfell positive. Das Abstreifen der negativen Ladungsträger des Plastikstabs an der Zinkplatte lässt diese elektrisch negativ aufladen. Dies äußert dadurch, dass das Elektroskop ausschlägt. Danach wird die UV-Lampe in Richtung der Zinkplatte gedreht, sodass diese bestrahlt wird.

Im Anschluss wird die UV-Lampe erneut von der Zinnplatte weggedreht und die Platte wird mit positiven Ladungsträgern beladen. Hierfür werden der Plexiglasstab und das Polyestertuch eingesetzt, da durch Reibung der Materialien aneinander eine Ladungstrennung entsteht, wodurch am Plexiglasstab ein Überschuss an positiven Ladungsträgern herrscht. Durch Abstreifen der positiven Ladungsträger des Plexiglasstabs an der Zinkplatte wird diese positiv aufgeladen und das Elektroskop schlägt erneut aus. Im Anschluss wird die UV-Lampe erneut auf die Zinkplatte gerichtet.

In der nebenstehenden Abbildung sind die zur elektrostatischen Aufladung notwendigen Materialien zu sehen.

</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:EXP Quantenphysik Hallwachs-Effekt Elektrostatische Aufladung.jpg|600px|thumb|right||Hinten: Elektroskop. Vorne links: Polyestertuch mit Plexiglasstab zum Aufladen des Elektroskops mit positiven Ladungsträgern. Vorne rechts: Hasenfell mit Plastikstab zum Aufladen des Elektroskops mit negativen Ladungsträgern. Fotografin: Kim Kappl.]]
</div>
</div>

== Auswertung ==

Wird das Elektroskop und damit auch die Zinkplatte mit negativen Ladungsträgern aufgeladen und die Zinkplatte mit der UV-Lampe bestrahlt, so entlädt sich das Elektroskop. Werden Elektroskop und Zinkplatte hingegen mit positiven Ladungsträgern aufgeladen und mit der UV-Lampe bestrahlt, so entlädt sich das Elektroskop nicht.

Grund dafür liegt darin, dass das energiereiche Licht der UV-Lampe die Elektronen, welche sich überschüssig auf der Zinkplatte befinden, löst und sich damit das Elektroskop entlädt. Die positiven Ladungsträger hingegen werden von dem Licht nicht beeinflust.

== Fehlerabschätzung ==

Unabhändig davon, ob die Zinkplatte positiv oder negativ geladen ist und mit UV-Licht bestrahlt wird oder nicht, entlädt sich das Elektroskop selbstverständlich dennoch mit der Zeit, da die Ladungsträger mit den Ionen in der Luft reagieren. Daher sollte das Experiment wenn möglich im Winter bei trockener Heizungsluft durchgeführt werden, um diesen Effekt zu minimieren.

== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==

* Bei der Wahl der Materialien zur elektrostatischen Aufladung der Zinkplatte sollte vor der Durchführung des Experiments überprüft werden, welche Materialien sich wie aufladen. Die Überprüfung der Art der Ladung (positiv oder negativ) kann mithilfe einer Glimmlampe durchgeführt werden. Die Funktionsweise einer Glimmlampe wird im Artikel [[HW:Glimmlampen|HW:Glimmlampen]] detailliert erklärt.
* Unter Umständen muss das Stativ der Zinkplatte auf einen Isolator gestellt werden, damit eine Erdung der Zinkplatte ausgeschlossen werden kann.

== Sicherheitshinweise ==

* Die UV-Lampe wird sehr heiß, wenn sie länger in Betrieb ist. Vorsicht vor Verbrennungsgefahr!
* [https://www.osram.de/appsj/pdc/pdf.do?cid=GPS01_1028569&vid=PP_EUROPE_DE_eCat&lid=DE&mpid=ZMP_60829 Datenblatt der UV-Lampe des Herstellers OSRAM]

= Fotos =

<br>

<div class="row">
<div class="large-5 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:EXP Quantenphysik Hallwachs-Effekt mit-Ausschlag.jpg|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Versucshsaufbau zum Hallwachs-Effekt.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Quantenphysik Hallwachs-Effekt Versuchsmaterialien.jpg|slide 2]]
<div class="orbit-caption">
Alle für den Versuch notwendigen Versuchsmaterialien.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Quantenphysik Hallwachs-Effekt Lampe-Halterung.jpg|slide 3]]
<div class="orbit-caption">
Detailliertere Darstellung der Halterung der UV-Lampe.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Quantenphysik Hallwachs-Effekt Zinnplatte-Halterung.jpg|slide 4]]
<div class="orbit-caption">
Detailliertere Darstellung der Halterung der Zinkplatte.
</div>
</li>
<li>
[[Datei:EXP Quantenphysik Hallwachs-Effekt Elektrostatische Aufladung.jpg|slide 5]]
<div class="orbit-caption">
Für den Versuch notwendige Materialien zur elektrostatischen Aufladung.
</div>
</li>
</ul>
</div>
</div>

= Literatur =
<references />

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
|}

Vorlage:Experiment

2025-10-16T09:35:34Z

Admin: 37 Versionen importiert

BP:Wassertropfen fotografieren

2025-10-16T09:35:33Z

Admin: 22 Versionen importiert

[[Kategorie:in Bearbeitung]]

<div class="row">
<div class="large-7 columns>
In diesem Projekt soll ein Aufbau realisiert werden, bei dem in fallender Wassertropfen mit einer Lichtschranke detektiert wird. Die einzelnen Komponenten wie Lichtschranke und Auslöser sollen dabei von Hand aufgebaut werden.

__INHALTSVERZEICHNIS__

== Benötigtes Material ==

* Arduino Uno SMD Micro Controler
* Fotowiderstand
* Zwei Widerstände für die Schaltung
* Kamera Canon EOS 77D
* Transistor
* Blauer Laser
* Bürette
* Lense Tube
* Diverse Kabel
* Durchsichtige große Wasserschale
* Drei Stative mit Muffen
* Panzerband

== Aufbau ==

== Lichtschranke ==
Um die Lichtschranke zu realisieren werden ein Laser, eine Lense Tube, ein Fotowiderstand und ein weiterer Widerstand mit 100 Ω benötigt. Aus den beiden Widerständen wird, wie in der Abbidung dargestellt, ein Spannungsteiler aufgebaut. Dabei ist darauf zu achten, dass der Fotowiderstand flexibel und beweglich bleibt, da dieser noch oft bewegt werden muss. Die Flexibilität kann beispielsweise durch Krokodilklemmen oder andere Verlängerungen gewährleistet werden. Nun soll der Fotowiderstand an der Lense Tube so befestigt, dass er möglichst mittig in der Öffnung sitzt. Dazu eignet sich beispielsweise ein Streifen Panzerband. Dadurch soll möglichst wenig Streulich auf den Fotowiderstand fallen. Nun müssen Laser und die Konstruktion mit dem Fotowiderstand so aufgebaut werden, dass der Laserstrahl auf den Fotowiderstand trifft. Somit stellt sich ein relativ konstanter Widerstand und somit eine Konstante Spannung am Spannungsteiler ein. Tritt nun ein Tropfen durch den Laserstrahl wird etwas von dem Licht am Tropfen gestreut. Somit gelangt weniger Licht auf den Fotowiderstand und der Widerstand ändert sich und damit auch die Spannung am Spannungsteiler. Die Tropfen können dabei mit einer Bürette erzeugt werden.

== Arduino ==

Um das Signal auszulesen, wird ein Arduino UNO verwendet. Dieser wird mit der Arduino Software programmiert, welche auf der zugehörigen Webseite heruntergeladen werden kann.

== Auslöser ==

Tritt ein Tropfen durch die Lichtschranke, so verändert sich die Spannung am Spannungsteiler der Schaltung. Diese Änderung kann mit dem Arduino ausgelesen werden. Sobald der Aduino eine Änderung in der Spannung misst legt er eine Spannung am Gate der Transistorschaltung an. Die Schaltung ist in der Abbildung zu sehen. Die am Gate angelegte Spannung führt dazu, dass der Transistor durchschaltet und die Kamera kurzschließt, wodurch diese auslöst.

== Kamera ==

== Probleme und ihre Lösung ==

Das erste Problem das sich stellte war der Aduino selbst. Die Messungen die er durchführte schienen willkürlich zu sein. Nach langem Testen und Verbesserungen an Schaltung und Aufbau tauschten wir den Aduino, wodurch sich das Problem behob. Die Messwerte stabilisierten sich.
Ein weiteres Problem bestand darin, dass wir zuerst einen Fotodiode anstatt eines Fotowiderstandes verwendeten. Diese ist jedoch für einen Spannungsteiler nicht gut geeignet weshalb wir sie durch einen Fotowiderstand ersetzten.
Die Auslösedauer der Kamera erwies sich ebenfalls als problematisch. Obwohl der Aduino sehr schnell den Tropfen registrierte und das Signal weitergab löste die Kamera immer zu spät aus. Die Auslösedauer konnte zunächst verbessert werden, indem der Kameramodus von der digitalen Anzeige auf die analoge geändert wurde. Trotzdem musste zudem noch die Fallhöhe und die Höhe der Lichtschranke vergrößert werden.

== Fotos ==

{|
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
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EXP:Fluoreszenz von NV-Zentren mit LEDs untersuchen

2025-10-16T09:35:18Z

Admin: 21 Versionen importiert

[[Kategorie:Quantenphysik]]
In diesem Versuch geht es darum, die Fluoreszenz von [[EXP:Experimente_zur_Quantenphysik_mit_NV-Zentren_im_Diamanten|NV-Zentren]] im Diamanten sichtbar zu machen nud zu untersuchen, mit welchen Wellenlängen die NV-Zentren zum Leuchten angeregt werden können und mit welche nicht. Die daraus entstehenden Folgerungen lassen sich in einem ersten einfachen Termschema zusammenfassen.

__INHALTSVERZEICHNIS__

= Benötigtes Material=
<div class="row">
<div class="large-7 columns>
* NV-Zentren besetzter Diamant
* LEDs mit möglichst "reinen" Farben (z.B. IR, rot, gelb-grün, blau, UV)
* optional ein grüner Laserpointer
* Rotfilter

Bei den LEDs ist darauf zu achten, dass die Farbe möglichst wenig aus einer Farbmischung stammt. Anderenfalls wird der Diamant zu "Unrecht" angeregt, oder der Farfilter kann das eingestrahlte Licht nicht vernünftig herausfiltern, wodurch der Diamant scheinbar immer leuchtet.

= Versuchsaufbau =
Die LEDs können entweder Freihand oder in einer Stativvorrichtung nacheinander an den Diamanten gehalten werden.

= Durchführung =
Nacheinander wird der Diamant mit den verschiedenen LEDs beleuchtet. Durch den Rotfilter wird visuell beurteilt, ob eine rote Fluoreszenz am Diamanten erkennbar ist, oder nicht. Dabei ist zu beachten, dass das Licht der LED tatsächlich den Diamanten trifft. Die meisten LEDs strahlen überwiegend nach "vorne" ab. Die Funktion der IR-LED kann mit einer Handykamera untersucht werden.
</div>
<div class="large-5 columns>
[[Datei:EXP_NV_LED_Sortiment.jpeg|thumb|right|400px|LEDs aus verchiedenen Spektralbereichen mit einem LED-Tester angesteuert.]]
</div>
</div>

= Auswertung =
<div class="row">
<div class="large-7 columns>
Die Auswertung des Versuchs erfolgt qualtitativ. Eine Tabelle, in der die Fluoreszenz bei verschiedenen LEDs eingetragen wird, reicht an dieser Stelle bereits. Dabei ist auch die Frage zu stellen, warum sich die rote LED nicht für den Veruch eignet. Die Antwort hierfür liegt im Messaufbau, da mit dem Rotfilter nicht unterschieden werden kann, ob der Diamant tatsächlich fluoresziert oder einfach nur die LED selbst beobachtet wird.

{| class="wikitable" style="float:left; margin-right: 50px"; |
|-
|
|IR
|Rot
|Gelb-Grün
|Grüner Laser
|Blau
|UV
|-
|Floureszenz
Diamant
|nein
|unbekannt
|ja
|ja
|ja
|ja
|}

<br>
Im zweiten Schritt kann ein passendes Termschema gezeichnet werden. Die Frage die sich dabei stellt ist: Welche Energieniveaus müssen existieren, damit das was beobachtet wird, erklärbar ist? Dabei müssen Energieerhaltung, strahlungsfreie Übergänge und dazugehörige Niveaus diskutiert werden. Im Minimum müssen 3 Energieniveaus eingezeichnet werden, da die Wellenlängenänderung anderenfalls nicht erklärbar ist.
</div>
</div>

EXP:ODMR an NV-Zentren

2025-10-16T09:35:17Z

Admin: 9 Versionen importiert

[[Kategorie:Quantenphysik]]

Bei diesem Versuch geht es darum, mithilfe von ODMR den Zeemann-Effekt von [[EXP:Experimente_zur_Quantenphysik_mit_NV-Zentren_im_Diamanten|NV-Zentren]] im Diamanten zu zeigen. Hierzu wird ein fertiger Versuchsaufbau der Firma Advanced Quantum GmbH verwendet. Mit entprechendem Material ist es natürlich auch möglich den Versuch selbst aufzubauen.

__INHALTSVERZEICHNIS__

= Benötigtes Material (fertiger Aufbau)=
<div class="row">
<div class="large-7 columns>
* Versuchsaufbau zum NV-Zentrum von Advanced Quantum GmbH
* Schiene und Halterung
* Magnet
* Laptop

= Benötigtes Material (Einzelteile) =
* NV-Diamanten
* Photodiode
* Rotfilter
* grüner Laser oder LED
* 2 mal Linsen (Fokussierung des einfallenden Lichts auf den Diamanten + Abbildung des Diamanten auf die Photodiode)
* Mikrowellengenerator (Sweep zwischen 2,6 GHz und 3,1 GHz möglich)
* [[HW:Mikrowellenverstärker|Mikrowellenverstärker]]
* Antenne, z.B. Ringantenne um den Diamanten
* Oszilloskop

= Versuchsaufbau =

Der Versuch wird mit dem vorgefertigten Aufbau durchgeführt. Dieser Besteht aus der Box mit der Steuerung, dem Laser, einem Diamant mit NV-Zentrum, einer Sammellinse und einer Photodiode. Der Diamant befindet sich in einer Fassung, in welche die Mikrowellenantenne eingelassen ist. Zur Erzeugung des Magnetfelds wird ein einfacher Neodyniummagnet verwendet, der an den Diamanten angenähert wird. Um zu verhindern, dass sich die Orientierung des Magnetfelds bei der Annhäherung ändert, wird eine Schiene an die Platte des Versuchsaufbaus angeschraubt, auf welcher der Magnet auf einer verschiebbaren Halterung befestigt wird, auf welcher er an den Diamanten angenähert werden kann.

= Durchführung =
== Schritt 1 ==
Die Box mit mit der Steuerung erzeugt bei Betrieb einen Webserver, mit dem man den Laptop mit dem zugehörigen Passwort verbinden kann. Die beiliegenden IP-Adresse wird in der Suchleiste des Internetbrowsers eingegeben, um die Software des Aufbaus aufzurufen.

== Schritt 2 ==
Über den entsprechenden Reiter wird die ODMR-Funktion ausgewählt. Es wird ein Frequenzfenster von 2810-2930 MHz gewählt und der Modus "continuous measurement" gewählt, bei welcher konstant neue Messwerte aufgenommen werden und die angezeigten Messwerte einen Mittelwert über eine gewisse Messzeit darstellen. Um störendes Streulicht von außen zu minimieren, wird eine Black Box um den Versuchsaufbau platziert, die nur zur Seite mit der Schiene offen bleibt. Der Magnet wird zunächst mithilfe der Schiene in einem Abstand von 100 mm platziert.

== Schritt 3 ==
Die Messung wird gestartet und zunächst einige Sekunden abgewartet, um sicherzustellen, dass alle NV-Zentren durch optisches Pumpen in den <sup>3</sup>A<sub>2</sub> Zustand gelangen. Im Anschluss wird das Bild des graphen exportiert und gespeichert.

== Schritt 4 ==
Der Magnet wird nacheinander auf Abstände von 50, 40, 30, 25, 20, 15, und 10 mm angenähert und die Messung aus Schritt 4 wiederholt.

</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:EXP Quantenphysik NVAdvancedQuantumAufbau.jpg|500px|thumb|right|Versuchsaufbau zum NV-Zentrum von Advanced Quantum GmbH. Oben links befindet sich die Box zur Steuerung des Aufbaus. Auf der rechten Seite sind von unten nach oben der Laser, die Halterung des Diamanten mit Mikrowellenantenne, die Sammellinse und die Photodiode aufgereiht.]]
[[Datei:EXP Quantenphysik NVAdvancedQuantumSchiene.jpg|500px|thumb|right|An den Versuchsaufbau angeschraubte Schiene zur Annäherung des Magneten.]]
</div>
</div>
= Umsetzung mit einer Spule =
<div class="row">
<div class="large-7 columns>
Nähert man an den Diamanten einen Magneten überlagern sich mehrere Effekte. Zum Einen wird das Magnetfeld stärker. Zum Anderen ändert sich durch die Inhomogenität des Magnetfeldes auch die Projektion auf die NV-Achsen. Der Zeeman-Effekt kann also nicht nur durch die Frequenzdifferenz zweier Dips in der ODMR-Spektroskopie beobachtet werden beziehungsweise ist sehr fehlerhaft und schwieriger zu beobachten.

Eine Alternative zum Magneten stellt ein Elektromagnet dar. Dieser kann an beliebigen Orten neben dem Diamanten aufgestellt werden. Da die Magnetfeldstärke proportional des Stroms durch die Spule ist, muss das Magnetfeld nicht lokal gemessen werden. Eine Relativmessung stellt bereits den linearen Zusammenhang des Zeeman-Effekts dar.

</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:EXP_Quantenphysik_NV_Auswertung_Spule.jpg|500px|thumb|right|Darstellung der Messwerte von Schüler*innen in einem Plot und einem Freihand-Fit. Die Werte wurden mit der Spule aufgenommen und Abstände der Dips im ODMR-Spektrum von Hand ausgelesen.]]
</div>
</div>

= Auswertung =
<div class="row">
<div class="large-7 columns>
Bereits beim größten Abstand lassen sich zwei Minima der Fluoreszenzintensität beobachten, was darauf hinweist, dass die beiden Spinzustände bereits aufgespalten sind. Dies lässt sich selbst dann beobachten, wenn man den Magneten vom Versuchsaufbau entfernt. Die geringe Aufspaltung zu Beginn des Versuchs rührt daher nicht vom verwendeten Magneten. Die Aufspaltung lässt sich nicht nur dadurch erklären, dass bereits dass von elektronischen Geräten und Leitungen verursachte magnetische Hintergrundfeld ausreicht, um die Energieniveaus aufzuspalten. Dies lässt sich durch eine Rotation des Diamanten bei unveränderter Aufspaltung zeigen. Relevanter ist das sogenannte "Zero field splitting" bei welchem unter anderem umliegende Kohlenstoffkerne um das NV-Zentrum zu einer Aufspaltung beitragen. Bei Annäherung des Magneten lässt sich eine zunehmende Entfernung der beiden Minima beobachten, die auf eine zunehmende Aufspaltung der Energieniveaus hindeutet, wie sie für den zeeman-Effekt zu erwarten ist.

</div>
<div class="large-5 columns">
[[Datei:EXP Quantenphysik NVAdvancedQuantumZeeman.gif|500px|thumb|right|ODMR-Messung von NV-Zentren im Diamanten bei abnehmendem Abstand eines Neodymmagneten. Entsprechend des Zeeman-Effekts lässt sich eine zunehmende Aufspaltung der Resonanzfrequenzen beobachten. Ggfs. zum Abspielen anklicken.]]
</div>
</div>

= Mögliche Probleme und ihre Lösungen =
Wird statt der kontinuierlichen Messung eine zeitliche begrenzte Messung verwendet, so kann es passieren, dass während der Messung bei geringeren Mikrowellenfrequenzen noch nicht alle NV-Zentren im Grundzustand präpariert sind. Als Resultat lässt sich bei niedrigen Frequenzen eine abnehmende Fluoreszenz beobachten. Um dies zu verhindern, sollte wie oben beschrieben der kontinuierliche Messmodus verwendet werden.

= Sicherheit =
Der im Versuchsaufbau von Advanced Quantum GmbH verwendete Laser weist eine weitaus größere Leistung als der im ersten Versuch verwendete Laser auf. Es ist also bei diesem Versuch noch wichtiger, sicherzustellen, dass die Schülerinnen und Schüler nicht in den Strahl schauen können.