Messung der Geschwindigkeit

1. Messung der Geschwindigkeit

2. Inhalt • Definition der Geschwindigkeit • Messung der Schallgeschwindigkeit • Zeitmessung mit Hilfe eines Oszilloskops • Messung der Lichtgeschwindigkeit

3. Geschwindigkeit • Die Geschwindigkeit ist ein Quotient, • Zähler: Weg, • Nenner: Zeit

4. 2 Start Messung der Geschwindigkeit Ziel „Geschwindigkeit = Weg/Zeit“

5. Versuch zur Messung der Schall Geschwindigkeit • Ein elektrischer Impuls startet • Im Lautsprecher einen Schallimpuls • gleichzeitig die Zeitmessung im Oszilloskop • Eine Wand im Abstand s/2reflektiert den Schallimpuls • Der reflektierte Schallimpuls erreicht das Mikrophon und erzeugt das zweite Signal im Oszilloskop: Die zweite Zeitmarke. • Die Differenz zwischen den Zeiten beider Marken ist die Zeit, die der Schall für den Weg s in Luft benötigt • Mehrfache Reflektionen des Schalls zwischen den Wänden der Laufstrecke erzeugen mehrfache, in der Intensität abklingende Signale im Oszilloskop.

6. s/2 Messung der Schallgeschwindigkeit t Schall reflek-tierende Wand Laut-sprecher Impuls- und Schall-geber Mikro-phon Oszillo-skop Zeit Qualitativ angedeutet: Verbreiterung des „Schallpakets“senkrecht zur Ausbreitungsrichtung

7. Die Schallgeschwindigkeit • 344 m/s ist die Schallgeschwindigkeit in Luft bei 20°C Die Schallgeschwindigkeit in Luft steigt mit zunehmender Temperatur

8. Versuch zur Messung der Licht Geschwindigkeit • Licht eines Lasers wird mit Hilfe eines Polarisators vertikal polarisiert und trifft auf eine „Pockelszelle“, einem elektrisch sehr schnell schaltbaren Polarisator, der für vertikal polarisiertes Licht undurchlässig ist • Mit einem elektrischen Impuls wird die Pockelszelle für 5 ns (5·10-9 s) auf Durchlass geschaltet, gleichzeitig startet die Zeitmessung im Oszilloskop • Das 5 ns lange Wellenpaket trifft auf einen halbdurchlässigen Spiegel, der einen Teil des Lichts reflektiert und in einen „Photomultiplier“ lenkt, der bei Ankunft des Lichts ein elektrisches Signal zum Oszilloskop sendet: Die erste Zeitmarke. • Licht, das durch den halbdurchlässigen Spiegel tritt, läuft zu einem Spiegel in 7,5 m Entfernung, dort wird es in Richtung Multiplier reflektiert. Bei Ankunft sendet der Multiplier das zweite Signal zum Oszilloskop: Die zweite Zeitmarke. • Die Differenz zwischen den Zeiten beider Marken ist die Zeit, die das Licht für 15 m Weg in Luft benötigt • Nach 1/1000 Sekunde wird ein neuer Puls gestartet, die Vorgänge in 2. bis 4. wiederholen sich, so dass auf dem Oszilloskop ein feststehendes Bild der Zeitmarken erscheint.

9. 50 ns Polarisationsfilter Pockelszelle 7,50 m Laser Spiegel Halbdurchlässiger Spiegel Photomultiplier Intensität am Photomultiplier Zeit

10. Die Lichtgeschwindigkeit: Eine Naturkonstante • Höchste Geschwindigkeit • Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen • Betrag c =299.792.458 m/s • Verändert sich nicht beim Übergang auf relativ zueinander bewegte Koordinatensysteme: Thema der „Speziellen Relativitätstheorie“ • Geschwindigkeit der Photonen • Massen nehmen bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit um den Faktor 1/ Wurzel(1-v2/c2) zu

11. Die Lichtgeschwindigkeit • Die Lichtgeschwindigkeit ist eine Naturkonstante

12. Die Lichtgeschwindigkeit Die Lichtgeschwindigkeit ( c = 3 ·108 m/s) ist • Eine Naturkonstante • Höchste Geschwindigkeit für die Ausbreitung von Information und Energie • Geschwindigkeit der Photonen • Unabhängig von der Bewegung des Bezugsystems • Kann von Teilchen mit Masse nicht erreicht werden, weil die Masse bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit zunimmt

13. Zusammenfassung • Die Geschwindigkeit ist ein Quotient, • Zähler: Weg, • Nenner: Zeit • Die Schallgeschwindigkeit in Luft bei 20° C beträgt 344 m/s • Die Lichtgeschwindigkeitc = 3 · 108 m/s ist eine Naturkonstante, • Geschwindigkeit der Photonen • höchste Geschwindigkeit für die Ausbreitung von Information und Energie

14. finis s/2 t Schall reflek-tierende Wand Laut-sprecher Mikro-phon Impuls- und Schall-geber Signal am Oszilloskop Zeit Qualitativ angedeutet: Verbreiterung des „Schallpakets“senkrecht zur Ausbreitungsrichtung