Was bedeutet ein Quantenzustand

Schöner Artikel nach einem Vortrag von Jean Bricmont:
http://www.ijqf.org/wps/wp-content/uploads/2014/11/Bricmont-Bell-paper.pdf

Price-Gleichung (für A.B.)

Eniges zur Price-Gleichung

Ich fand sehr intuitiv eine kurze Erklärung hier http://www.tedpavlic.com/post_price_equation.php
So kann man es auch einem Publikum zusammenfassen.

Länger und gut lesbar fand ich dann http://www.ehudlamm.com/price_eqn.pdf

Zum Altruismus als Ausprägung muss ich noch suchen.

Interferenz von Wellen

Hier ein schönes Video. Mir gefällt vor allem der Beginn am See. Passt zu unserer Wellenwanne
http://www.youtube.com/watch?v=ICrCcOj4lKg

Die  Simulation dazu:
http://www.falstad.com/ripple/

Regenbogen

Schönes Video von meinem Lieblingskanal minutephysics über das Lichtspektrum, auch mit Interferenz im Regenbogen

https://www.youtube.com/watch?v=9udYi7exojk

Simulationen zum Franck-Hertz-Versuch

http://www.mabo-physik.de/franck_hertz_versuch.html
http://phys.educ.ksu.edu/vqm/free/FranckHertz.html
http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/atomphysik/experimente/franckhertzd.htm

Aufgaben für die Klausurübung am Dienstag

Wellen allgemein
Erkläre den Unterschied zwischen einer Längswelle (Longitudinalwelle) und Querwelle (Transversalwelle) und nenne je ein Beispiel

Wellenlängen und Frequenzen
Radiowellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit c=3*10^8 m/s aus.

1. Beim Radio unterscheidet man Ultrakurzwelle, Kurzwelle, Mittelwelle und Langwelle.
   Welche der vier Typen hat die höchste Frequenz, welche die niedrigste?
2. Viele Kurzwellensender senden mit Wellenlängen von etwa 49m. Hoch ist ihre Frequenz?
3. Mein Lieblings-UKW-Sender sendet mit f=106,3 MHz. Wie lang sind die Wellen?

Schallwellen breiten sich mit c=340 m/s aus.

1. Blasinstrumente sind wie Röhren, in denen eine Schallwelle hin und her läuft. Sie sind so lang wie eine halbe Wellenlänge. Wie lang ist ein Tenorsaxophon, dessen tiefster Ton f=120Hz hat.
2.  Eine Querflöte ist etwa 60cm lang. Diese Länge entspricht der halben Wellenlänge ihres Grundtons. Welche Frequenz hat er?

Elektromagnetische Schwingungen allgemein
Zeichne das Schaubild eines elektromagnetischen Schwingkreises. Beschreibe, was schwingt, und wie die Kapazität des Kondensators und die Induktivität der Spule die Eigenschaften der Schwingung beeinflussen.

Schwingkreis
Die Spulen in unseren Experimenten haben L=8*10^-3H und die Kondensatoren C=10^-5 F.

1. Welche Frequenz hat ein Schwingkreis mit diesen Bauteilen?
2. Wenn ihr zwei Kondensatoren parallel schaltet, wie verändert sich dabei die Gesamtkapazität und damit die Frequenz: Wird sie größer oder kleiner? Berechne ihren Wert.
3. Schiebe einen Eisenkern in die Spule. Wie verändert sich die Induktivität der Spule und damit die Frequenz des Schwingkreises?

Interferenz - Überlagerung von Wellen
Schall: eine schöne Aufgabe mit Lösung auf Leifiphysik 


 
 

Licht als Welle und Teilchen - zweites Blatt

Reflexionsgitter an einer DVD

1. Wieder die gute alte Beziehung
   sin(alpha_n) = n lambda/d = n 633 / 740
   Es gibt nur ein Maximum, weil für n=2 schon mehr als 1 rauskommt und das kein Sinus eines Winkel sein kann.
   Physikalisch ausgedrückt: Der Abstand ist weniger als zwei Wellenlängen. Es kann also kein Maximum 2. Ordnung geben.
2. Auch nur n=0, n=1, n=-1. Ein Haupt- und links und rechts je ein Nebenmaximum
   Winkel berechnen wie bei 1.
3. Für UV mit 350nm gibt es zwei Maxima links und rechts, denn 2*350=700<740.
4. Auf einer CD haben alle sichtbaren Wellenlängen links udn rechts je zwei Nebenmaxima, bei der DVD nur eins. Deshalb sieht man mehr und feineren Regenbogenschimmer auf der CD.
5. Platte dreht sich insgesamt 20*33 1/3 = 667-mal
   Auf 10cm quert die Rille 667-mal
   Abstand ist d = 0,1m/667 = 0,15mm
   Maxima wieder bei
   sin(alpha_1) = 633nm / 0,15mm

Fotopapier

Energie eines Photons ist

W = h f = h c/lambda

Wenn man in eV umrechnet, berücktichtige 1eV = 1,6*10^-19 J

Bragg-Reflexion

1. Energie: W = h f = h c/lambda
   Spannung:   W = e U  bzw.   U = W/e   mit e=1,6*10^-19C
2. Der Gangunterschied zwischen zwei benachbarten Ebenen besteht aus den beiden kleinen Kathetenstückchen der Dreiecke ist also
   ds = 2 d sin(phi)
   Glanzwinkel bei der ersten konstruktiven Interferenz
   ds = lambda, also wenn
   sin(phi) = lambda /(2d)

Unschärfe eines Lichtstrahls

1. Minima links und rechts bei alpha mit   sin(alpha) = lambda / b
   Winkel dazwischen ist 2*alpha
2. Breite auf dem Schirm ist
   x = l * 2 tan(alpha)
3. Allgemeine Breite und minimale Breite
   
   x = 2 l tan(sin^-1(lambda/b))
   
   in Kleinwinkelnäherung ist sin(alpha)=tan(alpha), also
   x = 2 l lambda/b
   
   Man sieht: Je kleiner b, desto breiter der Fleck auf dem Beugungsbild. Kennen wirt ja schon.
   Suche also das Minimum bezüglich von
   x + b = 2 l lambda/b + b  
   Ableiten und gleich null setzen:
   - 2 l lambda / b² + 1 = 0
   1 = 2 l lambda / b²
   b² = 2 l lambda
   
   Minimale Fleckbreite, wenn  b = sqrt(l*lambda)
   
   Anmerkung: Mit so einer ähnlichen Rechnung hat Ernst Abbé die physikalische Grenze der Auflösung eines Lichtmikroskops bestimmt. Da geht es um ein kleines kreisförmiges Löchlein, was die Rechnung etwas komplizierter macht, aber im Prinzip genauso läuft. Je kleiner das Loch, desto breiter das Beugungsmuster, das man im reellen Zwischenbild sieht.
   
   Erst um 2000 hat Stefan Hell eine Methode entwickelt, diese Grenze auszutricksen, indem er von gezielt angeregten Molekülen emittiertes Licht beobachtet. Dafür gabs dieses Jahr den Chemie-Nobelpreis (wieder mal für einen Physiker, wie zuletzt 2011 bei den Quasikristallen - in den nächsten Wochen werden wir noch einiges an Chemie physikalisch erklären)

Lösungsansätze

Erst mal eine Entschuldigung. Ich habe gestern in den freien Stunden mit Frau B. am Rechnersystem gearbeitet und war erst um 10 Uhr abends fertig. Darum ist bisher noch nichts zur Physik im Netz.

Antworten zum ersten Blatt "Licht - Welle und Teilchen"

Seifenhaut

1. Wellenlänge ist im Innern kürzer, um den Faktor 1/1,33 kleiner, also nur 3/4 des Werts in Luft (Vakuum)
2. Phasenverschiebung
   vorne reflektiert:     dphi = pi   (d.h. 180° oder halbe Wellenlänge)
   zweimal durch Wasser und hinten reflektiert:
   Wie viele Wellenlängen passen in 2d? So oft mal 2 pi ist die Phasenverschiebung, also
   dphi  = 2 pi 2d /(lambda/n) = 4 pi d  (4/3) lambda
   Die gesamte Phasenverschiebung ist die Differenz dieser beiden Werte
    dphi_ges = pi  (4 d (4/3) / lambda - 1)
3. Einsetzen. (Wobei in meiner Formel ein Vorzeichenfehler ist, es muss ein + statt - sein)
   Wenn dphi etwa pi, 3pi, 5pi, ... ist, ist die Gesamtintensität klein, also die Interferenz fast destruktiv.
   Wenn dphi etwa 0, 2pi, 4pi, ... ist, ist die Gesamtintensität groß, also die Interferenz fast vollstängig konstruktiv.
   Es kommen Werte zwischen 0 und 4 I raus.
4. Jetzt ist die Phasenverschiebung beim Strahl durch die Haut fast 0, weil 50nm viel weniger ist als die Wellenlänge. D.h. dphi = pi (fast) und die Intensität ist 0. Eine sehr dünne Seifenhaut spiegelt nicht mehr.

Doppelspalt

1. Einsetzen
   sin(alpha_n) = n lambda/d  für n=1,2,...,10
2. Rechtwinkliges Dreieck
   tan(alpha_n) = x_n / l
   wobei l=5m und x_n der Abstand des n-ten Maximums vom mittleren Hauptmaximum ist
3. Wieder einsetzen
   sin(beta_b) = m lambda/b für m=1,2
4. Manchmal fallen die Minimawinkel der Einzelspalten mit den Maximawinkel des Doppelspalts zusammen. Dann kann dort kein Maximum sein und das Beugungsmuster hat eine Lücke.
   Das ist der Fall, wenn
   m lambda/b  = n lambda/d  bzw.
   m d = n b
   Das tritt hier auf für m=1 und n=5  und für m=2 und n=10. Diese Nebenmaxima des Beugungsbilds fallen aus.

Austrittsenergien

1. Es sind alles lineare Zusammenhänge mit
   W(f) = h f - W_A
   also Geraden mit Steigung h und y-Achsenabschnitt W_A
   
   Sinnvollerweise muss man von eV in J umrechnen, 1eV = 1,6*10^-19 J
   Die Frequenzen kann man von 0 Hz bis f = c/lambda  (also 10^15 Hz für lambda=300nm) wählen
2. Dort, wo W(f)=0, schneiden die Geraden die x-Achse. Also diese Grenzfrequenzen sind
   h f - W_A = 0  und damit
   f = W_A / h

Energien

1. Photonen haben die Energien
   W = h f = h c / lambda
   Das heißt, pro Sekunde werden dann
   10^-3 / W,   10^-6 / W,  10^-9 / W  usw. Photonen ausgesandt
2. Unabhängig von der Wellenlänge ist der pro Sekunde übertragene Impuls
   p =  10^-3/c   , 10^-6/c, usw. Einheit ist J/s * s/m also J/n also N