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Wie auf der vorangegangenen Seite erarbeitet wurde, sind Mikrowellen elektromagnetische Wellen. Mit dem folgenden Experiment soll nachgewiesen werden, dass Mikrowellen tatsächlich Welleneigenschaften aufweisen. Die Erzeugung von Interferenzen durch Beugung an einem Doppelspalt ist eines der typischen Experimente, mit dem Welleneigenschaften nachgewiesen werden können. Thomas Young hat diesen berühmten Versuch 1802 genutzt, um die Welleneigenschaften von Licht zu belegen.
Mikrowellen können mit einem Magnetron (wenn sehr exakte Frequenzen erforderlich sind wie z. B. bei Radaranlagen, siehe vorherige Seite), mit einer Gunndiode (wenn die notwendige Leistung gering ist) oder mit einem Klystron (wird bei den meisten Mikrowellensendern in der Schule und auch bei den IBE in diesem Kapitel verwendet) erzeugt werden.
Im verwendeten Mikrowellenempfänger befindet sich eine Empfangsdiode, mit der man den Betrag des elektrischen Feldstärkevektors der Mikrowelle mit Hilfe der Ströme, die das schwingende elektrische Feld in der Diode erzeugt, bestimmen kann. In der Anleitung des Herstellers ist zu lesen, dass die Kennlinie der Empfangsdiode nicht linear verläuft, sondern "das Ausgangssignal in guter Näherung proportional zum Betragsquadrat der Feldstärkekomponente" ist. D. h. am Multimeter wird nicht die Größe der elektrischen Feldstärke, sondern das Quadrat dieser Größe, welches der Intensität der Mikrowelle entspricht, angezeigt. Deshalb wird im Folgenden und auf den folgenden Seiten der Messwert auch als Maß für die Intensität der Mikrowelle genommen.
Doppelspaltversuch mit Mikrowellen
Das Betriebsgerät des Mikrowellensenders ist bei diesem IBE bereits eingeschaltet, da es durch die Metallplatte mit dem Doppelspalt verdeckt ist und nicht bedient werden kann. Auch der am Empfänger angeschlossene Verstärker ist bereits eingeschaltet, da auch er zum Teil verdeckt ist und somit nicht ohne weiteres bedient werden kann. Die Verstärkung kann bei diesem IBE nicht verändert werden.
Der Winkel des Empfängers kann durch horizontales Schieben der Cursorhand im unteren Bereich des IBE-Fensters verändert werden. Der Bereich, in dem man mit dem Verschieben beginnen kann, wird nach Einblenden der Beschriftungen durch Anklicken des orangen Plus-Buttons sichtbar.
Zum Ablesen kann die Winkelscheibe am Gelenk der optischen Bank durch Anklicken vergrößert werden. In der Vergrößerung kann der Winkel auch durch die Pfeiltasten schrittweise variiert werden. Durch einen Klick auf den Doppelspalt kann zwischen zwei Abständen der Spalte gewählt werden.
Grundlage zur Erklärung des beobachteten Interferenzbilds bilden das Prinzip von Huygens sowie die Bedingungen für konstruktive bzw. destruktive Interferenz bei der Überlagerung von Wellen.
- Geben Sie an, was man unter dem Prinzip von Huygens versteht und wenden Sie dieses konkret auf den Doppelspalt an.
- Erklären Sie mit Hilfe des Prinzips von Huygens Ihre Beobachtungen beim Verschieben des Empfängers. Beschreiben Sie dabei insbesondere, wann es zu konstruktiver und wann zu destruktiver Interferenz kommt.
Belegen Sie begründet mit dem IBE, dass Mikrowellen Welleneigenschaften zeigen.
Durch Anklicken des Doppelspalts kann der Spaltabstand vergrößert werden.
Geben Sie eine begründete Vermutung an, wie sich das Interferenzbild verändern wird und überprüfen Sie Ihre Vermutung mit dem IBE.
Doppelspalt
Multimeter
↔
Sender
Empfänger
Unten finden Sie ein Applet, das Ihnen hilft, Ihre Beobachtungen auszuwerten. Ähnliche Bilder könnten Sie von der Wellenwanne aus dem Unterricht kennen.
Geben Sie an, welche Elemente sich beim IBE und der Animation entsprechen. Stellen Sie dabei auch heraus, welche Unterschiede vorhanden sind und begründen Sie, ob diese Unterschiede bei der Auswertung berücksichtigt werden müssen.
Arbeiten Sie auch heraus, welche Größen beim IBE wie verändert werden können und welche beim Applet wie verändert werden können.
Tipps
Der Abstand der beiden mittleren Spalte (bzw. der Spaltmitten), die beim Start des IBE geöffnet sind, beträgt ungefähr 6,4 cm.
Schätzen mit Hilfe des IBE und des Applets oben die Wellenlänge der Mikrowellen ab.
Beschreiben Sie Ihr Vorgehen. Beachten Sie, dass die Beziehung $sin(\alpha)=\frac{ \Delta s }{ b }$ nicht verwendet werden kann.
Achtung:
1. Das Geodreieck kann nur zum Messen von Winkeln genutzt werden. Die Längenskala stimmt nicht mit dem Längenmaßstab des Applets überein.
2. Beachten Sie, dass Sie die Eingabefelder "Abstand" und "Wellenlänge" nur nutzen können, wenn das Geodreieck diese nicht verdeckt.
Die Anzahl der beobachtbaren Maxima und Minima ist zu berücksichtigen.
Die Lage des 1. Maximums kann beim Applet mit dem Geodreieck ausgemessen werden.
Tipp 2
Tipp 1
Im Screenshot rechts befindet sich der rosa Punkt relativ nah an den beiden Erregerzentren.
Zeichnen Sie den Gangunterschied $\Delta s$ von den beiden Erregerzentren zu dem Punkt ein. (Das Zeichnen ist leider nur mögich, wenn das Lineal nicht eingeblendet ist.)
Begründen Sie, warum an dieser Stelle die Beziehung $sin(\alpha)=\frac{ \Delta s }{ b }$ nicht verwendet werden kann. ($b$: Abstand Erregerzentren, $\alpha$: Beugungswinkel)
