PL:Michelson-Interferometer

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.

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:

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:

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.
Zur Inhaltlichen Orientierung kann hier nachgelesen werden: Medium:Einstieg_Inhalt.pdf
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

Grundaufbau eines Michelson-Interferometers.

1. 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.
2. 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.
3. 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.)
4. Einen Postholder zwischen Laser und Strahlteiler auf das Board schrauben und Linse darin so montieren, dass ein Interferenzmuster auf dem Schirm sichtbar ist.
5. 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

NanoFlex 5mm Travel Translation Stage.

• NanoFlex 5mm Travel Translation Stage

Aufbauanleitung

1. Falls für den Grundaufbau schon die NanoFlex 5 mm Travel Translation Stage verwendet wurde, muss nichts umgebaut werden.
2. 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

1. 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.
2. 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

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

Versuchsaufbau zur Wärmeausdehnung.

1. Einer der beiden Spiegel des Michelson-Interferometers wird durch den an der Schraube festgeklebten Spiegel ersetzt.
2. 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.
3. Der PT100 wird mit den Abgreifklemmen und zwei Kabeln an ein Handmessgerät angeschlossen.

Versuchsdurchführung

1. Zunächst wird die der Widerstand des PT100 bei Berührung mit der nicht erhitzten Schraube gemessen, um so die Ausgangstemperatur der Schraube zu bestimmen.
2. 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.
3. 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

Versuchsaufbau zur Bestimmung des Brechungsindex von Luft.

• Glaskolben mit Halterung
• Vakuumpumpe
• Vakuumschläuche
• Vakuumverbindungselemente

Aufbauanleitung

Im Schülerlabor mit Vakuumeinrichtung:

1. Der Glaskolben wird in der Halterung auf einem Post in einem Interferometerarm befestigt, sodass der Laserstrahl durch den Glaskolben verläuft.
2. Der Glaskolben wird an den am Kreuzstück verbundenen Wellschlauch angeschlossen.

Einzelaufbau ohne Vakuumeinrichtung:

1. Der Glaskolben wird in der Halterung auf einem Post in einem Interferometerarm befestigt, sodass der Laserstrahl durch den Glaskolben verläuft.
2. Der Glaskolben wird mit einem Wellschlauch und den Verbindungselementen direkt an die Vakuumpumpe angeschlossen.

Versuchsdurchführung

Im Schülerlabor mit Vakuumeinrichtung:

1. Das Belüftungsventil der Vakuumpumpe muss vollständig geschlossen sein.
2. Das Ventil zwischen Vakuumpumpe und restlichem System muss geöffnet sein. Die Ventile an den jeweiligen Versuchstischen müssen ebenfalls geöffnet sein.
3. Die Vakuumpumpe wird eingeschalten und der der schwarze Hebel umgelegt.
4. Wenn ein Druck von < 0,01 mbar erreicht ist, wird das Ventil am Versuchstisch geschlossen und die Vakuumpumpe kann ausgeschalten werden.
5. 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:

1. Das Belüftungsventil der Vakuumpumpe muss vollständig geschlossen sein. Die Vakuumpumpe wird eingeschalten und der der schwarze Hebel umgelegt.
2. Wenn ein Druck von < 0,01 mbar erreicht ist, wird die Vakuumpumpe ausgeschalten.
3. 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

Auf drehbarer Stage montierte Glasplatte.

1. Die drehbare Stage wird so in einen Interferometerarm eingebaut, dass der Laserstrahl durch den Objektivträger verläuft.
2. 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

1. Der Objektivträger muss zunächst senkrecht zum Strahlengang eingestellt werden.
2. 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:

1. Die Spiegel müssen mithilfe des Maßbands möglichst exakt gleich weit vom Strahlteiler entfernt angebracht werden.

Versuchsdurchführung

Weißlichtinterferenz.

1. Die verschiebbare Stage wird so verschoben bis das Zentrum des Interferenzmusters die maximale Größe erreicht.
2. Zwischendurch muss mit den Stellschrauben an den Spiegeln immer wieder das Zentrum des Interferenzmuster ins Zentrum der Abbildung auf dem Schirm gebracht werden.
3. 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.