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Facharbeit Physik Messung der Lichtgeschwindigkeit nach Foucault. Maximilian Gampfer im Juni 2009. Präsentation Facharbeit Physik Drehspiegelversuch nach Foucault. Un des problèmes les plus beaux de la Physique, est de savoir si le mouvement de la lumière est successif, - PowerPoint PPT Presentation
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Facharbeit Physik
Messung der Lichtgeschwindigkeit
nach Foucault
Maximilian Gampfer
im Juni 2009
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.
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
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
Vermutungen über die (Un-) Endlichkeit von c
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
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.
Empedokles
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.
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.
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach FoucaultVersuche
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
Ergebnis: Lichtgeschwindigkeit sehr hoch
Laternenversuch (Galileo Galilei)
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
Ergebnis: 315.000 km/s (tatsächl. Wert 299.792,458 km/s )
Zahnradmethode nach Fizeau
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
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 Endspiegelzurückkehrenden Strahlen auf dem
Drehspiegel sammelt
Versuchsaufbau nach Foucault (etwas modernisiert)
(Hier wird der zurückkehrende Lichtstrahl aufgefangen.)
Bild aus Metzler Physik
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
Vom Laser aus wird ein Lichtstrahl in Richtung des Drehspiegels gesendet.
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
Ein rotierender Spiegel wirft den Lichtstrahl zurück und lenkt ihn um den doppelten Drehwinkel ab.
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
Der rotierende Spiegel wirft den Lichtstrahl zurück zu einem feststehenden Spiegel.
Der feststehende Spiegel wirft den Lichtstrahl zurück zumrotierenden 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.
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
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.
Vom Drehspiegel zurückkehrender Strahl
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
Folie
Quergestellter Strahlteiler
Laser
Eine Linse mit großerBrennweite bündelt die vomUmkehrspiegel zurück-kehrenden Lichtstrahlen aufden Drehspiegel.
Endspiegel außerhalb des Bildes
Drehspiegel außerhalb des Bildes
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
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
Hier wird der Abstand Δx ermittelt.
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.
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.
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
Bestimmung der Frequenz
Mit Hilfe der Fotodiode und des Oszilloskops lässt sich die Frequenz zu folgendem Wert ermitteln:
sst
n 16,2325
10*43,0
13
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
Das Dreieck LDA ist rechtwinklig und es gilt LA = Δx.
22tan
2*2tan* ffx
f
x
2
tt 2*
für kleine Winkel gilt:
andererseits gilt:
also gilt:
D
A
L
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
t
DSc
*2
c
DSt
*2
c
DS*2**2
DSc
*2**2
fx
DSc 2***4
x
fDSc
****8
da und deshalb
also auch
folgt und deshalb
oder
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
Der Aufbau ist so gewählt, dassb= 2*f ist und deshalb DS = 3*f.
(Zur Erinnerung: f ist die Brennweite der Linse)
x
fc
2
**24 Also erhalten wir als Endergebnis:
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
Mit unseren Werten.....
= 655 1/s f = 4,75 m
s = 3,97 mm = 0,00397 m
Präsentation Facharbeit PhysikDrehspiegelversuch nach Foucault
....ergibt sich folgender Wert
s
km
s
m
m
m
sc 280672280672024
00397,0
)75,4(*
1655*24
2