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 iPad, der alle Teilversuche begleitet. Die Versuche 2, 3 und 4 können in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Versuch 5 eignet sich gut als Abschlussversuch.

Einführungsvortrag

Wichtige Versuchs- und Sicherheitshinweise

• 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.
• Optische Bauteile nicht anfassen, Handschuhe verwenden. Laser nicht abknicken.
• Unterlegscheiben verwenden, um Postholder nicht zu verkratzen.

Grundaufbau Michelson-Interferometer

Material für einen Aufbau

• Breadboardbox
• Breadboard
• Mechanische Stage (Bestenfalls 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.png

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. 10-20 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 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

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:

• 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.
• Falls das Zählen der vielen Hell-Dunkel-Hell-Übergängen zu Schwierigkeiten führt, können die 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 PT100 Handmessgerät.JPG

PT100 an Handmessgerät angeschlossen.

• Schraube mit 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 Bananenstecker an beiden Enden
• 2 Abgreifklemmen

Aufbauanleitung

Versuchsaufbau zur Wärmeausdehnung.

Vor dem Schülerlabor:

1. Umwickelt die Maschinenschraube, an der der Spiegel festgeklebt ist, mit ca. 1 m Kanthaldraht. An einer Stelle möglichst an der Mitte der Schraube muss der Draht so auseinandergezogen werden, dass Platz ist, die Schraube mit dem PT100 zu berühren ohne dabei auch den Draht zu berühren.

Im Schülerlabor:

1. Ersetzt einen der beiden Spiegel des Michelson-Interferometers durch den an der Schraube festgeklebten Spiegel.
2. Bringt an je einem Ende des Drahts ein Kabel mit Krokodilklemme an und steckt die andere Seite des Kabels mit dem Bananenstecker in das Gleichspannungsnetzgerät.
3. Schließt einen PT100 mit den Abgreifklemmen und zwei Kabeln an ein Handmessgerät an.

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 dem Erhitzen wird die Anzahl N der Hell-Dunkel-Hell-Übergänge im Zentrum des Interferenzmusters gezählt.
3. Nun wird das Netzgerät ausgeschalten und sofort der Widerstande des PT100 bei Berührung der erhitzten Schraube bestimmt, um die Temperatur zu ermitteln.

Versuch 3: Brechungsindex von Glas

Material für die Erweiterung eines Aufbaus

Datei:PL Michelson-Interferometer Materialien Brechungsindex von Glas.JPG

Grundaufbau eines Michelson-Interferometers.

• Objektivträger (1mm Dicke)
• Drehbare Stage

Aufbauanleitung

Vor dem Schülerlabor:

1. Der Objektivträger wird mit dem ??? auf der drehbaren Stage angebracht.

Im Schülerlabor:

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.

Versuch 4: Brechungsindex von Luft

Aufbauanleitung

Vor dem Schülerlabor:

Im Schülerlabor:

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

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