Facharbeit Physik Messung der Lichtgeschwindigkeit nach Foucault

1. Facharbeit PhysikMessung der Lichtgeschwindigkeit nach Foucault Maximilian Gampfer im Juni 2009

2. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Un des problèmes les plus beaux de la Physique, est de savoir si le mouvement de la lumière est successif, ou s’il se fait dans un instant. [Cassini] Eines der schönsten Probleme der Physik, ist die Frage danach, ob sich das Licht mit einer Verzögerung bewegt, oder ob es in einem Augenblick überall ist.

3. Jahr (etwa) Forscher Lichtgeschwindigkeit 450 v. Chr. Empedokles endlich 350 v. Chr. Aristoteles unendlich 100 Heron von Alexandria unendlich 1000 Avicenna/Alhazen endlich 1350 Sayana endlich 1600 Johannes Kepler unendlich 1620 René Descartes unendlich 1620 Galileo Galilei endlich Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Vermutungen über die (Un-) Endlichkeit von c

4. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Empedokles Empedokles stellte schon 450 v. Chr. die Theorie auf, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich sei. Seiner Meinung nach sei Licht etwas, das sich bewegt, folglich eine Zeit braucht, um eine Strecke zurückzulegen und auf Grund dessen eine feste Geschwindigkeit hat.

5. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Heron von Alexandria Er vermutete, dass das Licht aus dem Auge kommen würde. Das Licht würde dann auf ein Objekt fallen und es wäre sichtbar. Nach seinen Vorstellungen war die Lichtgeschwindigkeit unendlich, denn wenn er seine Augen öffnete, konnte er auch sofort die sehr weit entfernten Sterne sehen.

6. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Johannes Kepler Johannes Kepler dachte, dass die Lichtgeschwindigkeit zumindest im Vakuum unendlich sei, da es im leeren Raum keine Hindernisse gäbe. Aus dieser Theorie heraus kam Kepler zur Annahme, dass die Fortbewegung des Lichtes vom Medium, in welchem es sich ausbreitet, abhinge.

7. Jahr Forscher Methode Lichtge-schwindigkeit Weitere Resultate Etwa 1620 Galileo Galilei Zeitverzögerung der Beobachtung von Laternen, die mit der Hand abgedeckt wurden mindestens mehrere km/s 1676 / 1678 Olaf Römer / Christian Huygens Zeitverzögerung bei astronomischen Beobachtungen 213.000 Nachweis einer endlichen Lichtgeschwindigkeit 1849 Armand Fizeau Zahnradmethode 315.000 1851 Léon Foucault Drehspiegelmethode 298.000 +/- 500 1888 Heinrich Hertz Frequenz- und Wellenlängenmessung von stehenden Radiowellen Nachweis der Natur des Lichts als elektro-magnetische Welle 1926 Albert Michelson Drehspiegelmethode 299.796 +/- 4 1983 (Definition der CGPM) Neudefinition des Meters 299.792,458 (exakt) Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Versuche

8. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Laternenversuch (Galileo Galilei) Ergebnis: Lichtgeschwindigkeit sehr hoch

9. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Zahnradmethode nach Fizeau Ergebnis: 315.000 km/s (tatsächl. Wert 299.792,458 km/s )

10. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Versuchsaufbau nach Foucault (etwas modernisiert) (Hier wird der zurückkehrende Lichtstrahl aufgefangen.) Bild aus Metzler Physik Die Strecken a und b sind beliebig wählbar. Es ist für die Rechnung aber zweckmäßig, b = 2f und a = f zu wählen. Linse, die die vom Endspiegel zurückkehrenden Strahlen auf dem Drehspiegel sammelt

11. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Vom Laser aus wird ein Lichtstrahl in Richtung des Drehspiegels gesendet.

12. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Ein rotierender Spiegel wirft den Lichtstrahl zurück und lenkt ihn um den doppelten Drehwinkel ab.

13. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Der rotierende Spiegel wirft den Lichtstrahl zurück zu einem feststehenden Spiegel. Der feststehende Spiegel wirft den Lichtstrahl zurück zum rotierenden Spiegel. Ein geringer Teil des jetzt vom rotierenden Spiegel reflektierten Lichtes gelangt zurück in Richtung des Lasers auf den halbdurchlässigen Spiegel, der unter dem Winkel 45° zur optischen Achse steht, und von dort auf eine Folie.

14. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Vom Drehspiegel zurückkehrender Strahl Der Strahlenteiler ist nötig, weil der Ablenkwinkel sehr klein ist und so der vom Drehspiegel zurückkehrende Strahl wieder in die Austrittsöffnung des Lasers fällt. Er ist dort nicht erkennbar.

15. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Endspiegel außerhalb des Bildes Eine Linse mit großer Brennweite bündelt die vom Umkehrspiegel zurück-kehrenden Lichtstrahlen auf den Drehspiegel. Laser Folie Drehspiegel außerhalb des Bildes Quergestellter Strahlteiler

16. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Die Umdrehungsfrequenz des Drehspiegels ist ermittelbar durch einen an einen Zähler angeschlossenen Fototransistor. Das Gerät zeigt aber die doppelte Frequenz an, weil die Motorwelle beidseitig mit Spiegeln beklebt ist! Also gilt: ν = 655 Hz

17. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Der Drehspiegel dreht sich in der Zeit, die der Lichtstrahl vom Drehspiegel zum Umkehrspiegel und wieder zurück braucht um einen Winkel und reflektiert deshalb den von ihm reflektierten Strahl um den doppelten Winkel. Auf dem seitlich aufgestellten Schirm verändert sich deshalb die Position des Lichtpunktes um die Strecke Δx. Hier wird der Abstand Δx ermittelt.

18. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault

19. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Um die Lichtgeschwindigkeit c zu bestimmen, haben wir bestimmte Strecken gewählt: Der Abstand e zwischen Lichtquelle und halbdurchlässigem Spiegel muss genauso groß sein wie der Abstand zwischen Schirm und halbdurchlässigem Spiegel! f = 4,75m (die Brennweite der Linse) auch als Abstand von Drehspiegel zur Lichtquelle Anmerkung: Das Formelzeichen f stellt hier nicht wie üblich die Frequenz dar sondern die Brennweite der Sammellinse. Für die Frequenz verwenden wir in diesem Fall das Zeichen b = 2 * f als Strecke zwischen Linse und festem Spiegel Gemessen wurde Abstand zwischen den beiden Punkten auf dem Schirm, welche die Ablenkung des Lichts durch den rotierenden Spiegel darstellen zu x = 3,97 mm.

20. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Bestimmung der Frequenz Mit Hilfe der Fotodiode und des Oszilloskops lässt sich die Frequenz zu folgendem Wert ermitteln:

21. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault A Das Dreieck LDA ist rechtwinklig und es gilt LA = Δx. L D für kleine Winkel gilt: also gilt: andererseits gilt:

22. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault da und deshalb folgt und deshalb also auch oder

23. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Der Aufbau ist so gewählt, dass b= 2*f ist und deshalb DS = 3*f. (Zur Erinnerung: f ist die Brennweite der Linse) Also erhalten wir als Endergebnis:

24. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault Mit unseren Werten..... = 655 1/s f = 4,75 m s = 3,97 mm = 0,00397 m

25. Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault ....ergibt sich folgender Wert