Physik 2018 bis 2020

Montag, 16. März 2020

Übungen fürs Abi 16.3. abends

Hier, was in der Schulcloud geschrieben habe:

Fangen wir an mit dem Haupttermin 2010. Und dabei mit der Aufgabe I. Das ist zunächst ein zwischen zwei Federn schwingender Wagen. Dann eine Welle und zuletzt beschleunigte Elektronen mit Wellen.
Kleine Anmerkungen a) Denkt an Periondendauer und Frequenz. Sinusförmige Schwingung Die Masse könnt ihr über die Frequenz und über D bestimmen. Denkt dran, dass zwei Federn am Wagen ziehen. Wenn man ihn nach links auslenkt, sinkt links die Kraft und rechts steigt sie. Das hatten wir auch mal in einer Klausur. kinetische Energie heißt Bewegungsenergie b) Denkt an f, c und lambda. Denkt an die Reflexion, den Unterschied zwischen einem festen und einem losen Ende c) das ist eine typische Interferenzaufgabe mit zwei Quellen. Passt eigentlich zu der einen Zeigerübung, die wir letzte Stunde hatten. d) De Broglie hatten wir ja sehr intensiv vor kurzem. Meint ihr, ihr schafft das bis morgen Abend? Ich würde erst einmal Mittwoch 18 Uhr als Termin ansetzen. Sagt aber bescheid, wenn ihr schon vorher fertig seid. Ich bin auf jeden Fall morgen früh online, aber auch den ganzen Tag über. Ich habe dienstags sonst nur Neuntklässler in Physik, und die will ich morgen erst einmal in Ruhe lassen, damit die ihre Hauptfächer erledigen können.

Dienstag, 25. Februar 2020

Zeigermodell

Ein harmonisch schwingendes Objekt kann durch einen gleichmäßig rotierenden Zeiger dargestellt werden.
Auf einer Kette von Schwingern breitet sich eine Welle aus. Jeder Schwinger hinkt seinem Vorgänger etwas hinterher, nämlich um den Teil d/lambda einer vollen Periode (d: Abstand zweier Schwinger, lambda: Wellenlänge)
Im Fall einer Quanten-Welle (die der Schrödinger-Gleichung folgt) ist die Amplitude an jedem Punkt mathematisch gesehen ein Vektor in einer zweidimensionalen Ebene, der um den Ursprung rotiert. (für die vertieften Matheleute: eine komplexe Zahl).
Im Fall einer elektromagnetischen Welle kann man sich vorstellen, dass eine Komponente des rotierenden Zeigers das elektrische Feld an jedem Punkt beschreibt.

Hier eine interaktive Animation: https://www.geogebra.org/m/mnphun6e

Wenn die Wellen aus vielen Punkten miteinander interferieren, muss man die Zeiger vektoriell addieren. Man fügt sie zu einer Kette zusammen, und der resultierende Zeiger verläuft dann vom "Fuß" des ersten zur Spitze des letzten. Typischerweise ergeben sich dabei Spiralen oder S-förmige Ketten. Man nennt sie Cornu-Spiralen. (Hat nix mit Hörnern zu tun; der Mann hieß so, der das zuerst aufgezeichnet hat)

Auch hier ein interaktive Seite: https://www.geogebra.org/m/jjuhxv4g

Jetzt könnt ihr es mit Papier und Bleistift versuchen. Für die Abstände braucht ihr entweder ein Lineal oder ein bisschen Pythagoras. Hier das Arbeitsblatt: zeiger_arbeitsblatt.pdf und hier nochmal eine interaktive Seite, um weiter auszuprobieren: https://www.geogebra.org/m/vata8w4j

Hier ist eine animierte Version des Doppelspalts. Beide Zeiger und die Summe beider Zeiger drehen sich. Außerdem wird eine Spur gezeigt, deren Farbe die Intensität der Überlagerung zeigt. https://www.geogebra.org/m/aKGCCPju

Mittwoch, 12. Februar 2020

Orbitale

Wellenfunktionen der Elektronen um einen Kern
http://www.orbitals.com/orb/orbtable.htm

Röntgenstrahlung

Hier ist einiges zur Wiederholung und einige Aufgaben

Lies die Seite über die Erzeugung von Röntgen-Strahlung
https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/grundwissen/erzeugung-von-roentgen-strahlung

Lies die Seite über Bremsstrahlung
https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/grundwissen/bremsstrahlung

Lies die Seite über die charakteristische Strahlung
Lies die Seite über Bremsstrahlung https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/grundwissen/bremsstrahlung

Hier ist erklärt, wie Henry Moseley das Gesetz über die Frequenz der K-, L- und M-Linien gefunden hat
https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/versuche/gewinnung-des-moseley-gesetzes

Lies die Seite über unseren Röntgen-Versuch durch und bearbeite die Aufgaben zu den Linien im charakteristischen Spektrum:
https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/versuche/roentgen-emissionsspektrum

Dienstag, 4. Februar 2020

Franck-Hertz-Versuch

in einer Simulation von der Uni Wien
https://www.univie.ac.at/anfpra/neu1/applets/Franck-Hertz/index.htm

und ein Programm, das man herunterladen und ausführen muss
http://www.mabo-physik.de/franck_hertz_versuch.html

Dienstag, 21. Januar 2020

Knallerversuch

http://viererphysik.blogspot.com/2015/01/elitzur-vaidman.html

Mittwoch, 15. Januar 2020

Mach-Zehnder-Interferometer im Simulationsprogramm

Ladet und startet das Simulationsprogramm:
http://milq.tu-bs.de/data/_uploaded/image/simulationen/Interferometer.exe

Versuch 1
Schalte die Quelle ein mit der Option "einzelne Photonen".
Beobachte, wie die Photonen einzeln auftreffen, und sich die Auftreffpunkte zu einem Interferenzmuster zusammenfügt. Mit der Taste "Tempo!" kannst du viele Photonen auf einmal schicken.

Versuch 2
Schalte die Polfilter 1 und 2 zu. Stelle beide parallel horizontal (90°). Wiederhole Versuch 1.

Versuch 3
Drehe einen der Polfilter vertikal (0°). Wiederhole den Versuch und beobachte den Unterschied zu den Versuchen 1 und 2.

Versuch 4
Schalte nun Polfilter 3 zu und stelle ihn schräg auf 45°. Damit geht die Information über den Weg verloren. Beobachte und vergleiche mit den Versuchen 1 bis 3.

Wenn in den Quantenobjekten die Information über den Weg steckt, interferieren sie nicht mit sich selbst.
Wenn keine Information über den Weg möglich ist, beobachtet man Interferenz.

Hier ein Cartoon, der die Eigenschaften der Elementarteilchen in unserer Größe zeigt.
http://i.imgur.com/zzqi756.jpg?1

Mittwoch, 11. Dezember 2019

Schrödingergleichung simulieren

Eintrag vom letzten Kurs: https://viererphysik.blogspot.com/2017/01/simulationen-zur-schrdinger-gleichung.html

Montag, 9. Dezember 2019

Elektron als Welle - Licht als Teilchen

Hier ist einiges schöne zum Compton-Effekt, wo Photonen ihren Impuls auf Elektronen übertragen und dadurch langwelliger werden.

https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-photon/grundwissen/compton-effekt

https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-photon/aufgabe/quiz-zum-comptoneffekt

Und hier findet ihr einiges zur Wellenlänge nach de Broglie.

https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-elektron/grundwissen/de-broglie-wellenlaenge

und Aufgaben

https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-elektron/grundwissen/beugung-und-interferenz-von-quantenobjekten-kristallgittern

Mittwoch, 4. Dezember 2019

Schaut euch die Übersicht auf der Seite von leifiphysik an:
https://www.leifiphysik.de/optik/beugung-und-interferenz
Vor allem Doppelspalt und Gitter. Da ist schön erklärt beim "Grundwissen" und es gibt Aufgaben mit Lösungen

https://www.leifiphysik.de/optik/beugung-und-interferenz/grundwissen/doppelspalt#aufgaben
Alle Aufgaben mit grüner Lampe sind gut für euch.
An den gelben könnt ihr euch versuchen, vielleicht die Lösungen nachvollziehen, auch wenn ihr selber nicht drauf kommt.

Nochwas zur Kleinwinkelnäherung, was ich glaube nur einmal erwähnt hatte

Wir hatten zwei Beziehungen, in die der Winkel alpha eingeht, unter dem ein Maximum (oder Minimum) erscheint.

Wenn Wand oder Schirm im Abstand L vom Spalt oder Gitter liegen, ist der Punkt mit Winkel alpha den Abstand x von der Mitte und mit Gegenkathete und Ankathete gilt
tan(alpha) = x/L

Am Spalt oder Gitter ergibt sich ein Gangunterschied zwischen benachbarten Öffnungen, wenn man Licht betrachtet, das im Winkel alpha abgestrahlt wird, und es gilt
sin(alpha) = s/d (bei Maxima ist s = n lambda, bei Minima ist s = (n + 1/2) lambda)

Wenn man jetzt kleine Winkel hat, also weniger als 5°, dann ist ungefähr die Hypothenuse so lang wie die lange Kathete eines rechtwinkligen Dreiecks und es gilt
sin(alpha) = tan(alpha) bis auf etwa 1% genau. Damit kann man gleichsetzen

x/L = s/d

und man hat sehr einfache Rechnungen.
Also z.B. ist bei den ersten (n=1) Maxima s=lambda

x/L = lambda/d

für zweistündig

Die Rechnungen zur Interferenz hatte ich vergessen. Tut mir leid. Hier sind Ergebnisse. Und mir tut auch leid, dass ich es zunächst in meiner Astronomie-Seite gepostet hatte.

Doppelspalt und Laser.
1. Winkel bei 16cm neben der Mitte im Abstand von 1,00m
tan(alpha) = 16/100 = 0,16 -> alpha = 9,09°
Gangunterschied bei diesem Winkel:
s = d * sin(alpha) = 2,00e-5 m * sin(9,09°) = 3,16e-6 m
Das sind wie viele Wellenlängen?
3,16e-6 m / 6,33e-7 m = 5
Gangunterschied ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge -> Maximum
2. Der Gangunterschied wird immer kleiner, Maxima und Minima wandern nach außen. Er kommt
erst das vierte Max, dann das dritte usw. Zuletzt kommt das Minimum mit Gangunterschied einer
halben Wellenlänge.
1/2 *6,33e-7 m = d * sin(9,09°) -> d = 2,00e-6 m also 2 Mikrometer
3. Winkel bei 16cm und Abstand 2,5 m. Ich nenne ihn diesmal beta
tan(beta) = 16/250 = 0,064 -> beta = 3,66°
Gangunterschied bei diesem Winkel
s = d * sin(beta) = 2,00e-5 * sin(3,66°) = 1,28e-6 m
Das sind wie viele Wellenlängen
1,28e-6 m / 6,33e-7 m = 2
Der Gangunterschied geht also zurück von 5 bis 2 Wellenlängen. Der Sensor registriert Minima
bei 4,5, bei 3,5 und bei 2,5 Wellenlängen. Also dreimal.
4. Schirm weit entfernen, die Winkel werden immer kleiner. Wie klein ist der Winkel beim letzten
Minimum mit Gangunterschied einer halben Wellenlänge?
1/2 * 6,33e-7 m = 2,00e-5 m * sin(gamma)
sin(gamma) =6,33e-7 m /(2 * 2,00e-5 m) --> gamma = 0,907°
Gesucht ist der Abstand L, so dass tan(0,907°) = 16,0 cm / L --> L = 10,1 m

Natriumaufgabe am Gitter
a) Maxima der beiden gelben Lichtanteile
sin(alpha1) = 589,00e-9 m / 2,000e-6 m -> alpha1 = 17,12756°
sin(alpha2) = 589,59e-9 m / 2,000e-6 m -> alpha2 = 17,14525°
b) Abstand zur Mitte
x1 = L * tan(alpha1) = 61,6333 cm
x2 = L * tan(alpha2) = 61,7010 cm

Der Abstand ist also 0,717 mm oder besser 0,7 mm

Hinweis: Wenn man hier die Zwischenergebnisse eher rundet, bekommt man eine mitunter große
Abweichung davon. Am besten ist es, Zwischenergebnisse immer möglichst genau mitzunehmen.

c) Ich könnte den Schirm weiter entfernen, auf das 2/0,7-Fache, also 2,8 mal weiter, das sind etwa
5,60 m. Problem: Dann wird auch die Linie unschärfer. Besser ist es daher, das Gitter zu verfeinern, so dass mehr Linien ausgeleuchtet werden und interferieren. also den Spaltabstand durch 2,8 zu teilen, ein Gitter mit Linienabstand 0,7 Mikrometer.

Montag, 25. November 2019

Optische Pinzette

Nobelpreis von 2018
https://www.youtube.com/watch?v=XjXLJMUrNBo
https://www.youtube.com/watch?v=_mjSjPcAsJM
https://www.youtube.com/watch?v=TZMheeoNdb0
https://www.youtube.com/watch?v=13VXGX2yR3k von etwa 1:30 bis 3:00

Donnerstag, 21. November 2019

Klausur

1a)
Durch die beiden Spalten dringen zwei Wellen, die miteinander interferieren. Zu jeder Stelle auf der Wand gehört ein bestimmter Gangunterschied beider Wellen. An hellen Stellen interferieren sie konstruktiv, an dunklen destruktiv, dazwischen teilweise konstruktiv.
Weil die Spalten eine bestimmte Breite haben, d.h. nicht unendlich dünn sind, nimmt die Intensität jeder einzelnen Welle nach außen hin ab und damit auch das Interferenzmuster. Es gibt eine Einhüllende Helligkeitskurve, die nach außen hin abnimmt.

b)
Kleine Winkel, wir rechnen also mit x/L = n*lambda/d.
Die Positionen der Maxima sind regelmäßig, die Abstände jeweils gleich.
Möglichst genau messen: Viele Maxima gemeinsam messen und dann teilen.
Vom Maximum n=-10 (links) bis n=+10 (rechts) sind es 9,4 cm.
Das heißt das Maximum n=10 ist 4,7cm rechts vom Hauptmaximum n=0.
Damit
d = 10*lambda*2,0m/0,047m
ergibt für lambda=633nm d=0,269mm, und für lambda=480nm d=0,204mm.

c)
rot statt blau: Die hellen Flecke rücken weiter auseinander. Das Muster wird vergrößert.
blau statt rot: Die hellen Flecke rücken näher zusammen. Das Muster wird verkleinert.

d)
Spalten näher zusammen: Die Maxima rücken weiter auseinander.
Spalten auseinander: Die Maxima rücken näher zusammen.
Die Einhüllende bleibt gleich. Sie hängt nur von der Einzelspaltbreite ab.

e)
Die Maxima werden heller und schmäler bzw. schärfer. Es erschinen schwache Zwischenmaxima. Bei k Spalten sind das k-2 Stück.

2a)
Zwischen Sende und Wand überlagern sich einlaufende und reflektierte Welle zu einer stehenden Welle. Die Bäuche sind durch Knoten getrennt, im Abstand lambda/2. Miss mit dem Empfänger die Lage der Minima, ihren Abstand. Berechne daraus lambda. Die Frequenz erhält man als f=c/lambda mit der Lichtgeschwindigkeit c=3,0*10^8 m/s.

b)
Man sieht ein breites Maximum in der Mitte und nach außen hin schwächer werdenen Nebenmaxima, die durch Minima getrennt sind. Die Nebenmaxima sind halb so breit wie das Mittlere.

c)
Winkel mit Minima bei sin(alpha_n) = n*lambda/b
Für b=5cm und lambda=15cm: 0°; 19,5°; 41,8°; 90°
Für b=4cm und lambda=10cm: 0°; 23,6°; 53,2°

3
Um ihn herum ist polarisiertes Licht auf zwei Arten.
Brewster-Winkel
Das vom See reflektierte Licht ist parallel zur Oberfläche polarisiert, also horizontal. Besonders stark beim Brewster-Winkel von tan(alpha)=1,4 (c_Luft/c_Wasser)
Rayleigh-Streuung
Das blaue Licht des Himmels ist polarisiert, und zwar in jedem Punkt quer zur Richtung, die von dort zur Sonne geht. Am stärksten an Punkten die im Winkelabstand 90° zur Sonne liegen.
Das weiß Herr R.
Er blickt auf geeigneten Punkte (Seeoberfläche oder Himmel) und dreht den Filter. Ist er besonders dunkel, steht er orthogonal zur Polarisationsrichtung des Lichts, wenn besonders hell, dann parallel. Das markiert sich Herr R.

4a)
Energie der Photonen
W=h f = h c/lambda
633nm (rot) -> W = 3,14*10^-19J = 1,96eV
534nm (gelbgrün) -> W = 3,72*10^-19J = 2,33eV
Das ist größer als die Austrittsenergie von Ba auf W und Cs (rot) sowie außerdem von K (grün).
Nur dort werden Elektronen ausgelöst, tritt ein Fotoeffekt auf.

b)
Es können immer nur einzelne Photonen Energie an ein Elektron abgeben, nicht mehrere zusammen. Auch wenn sehr sehr viele Photonen auftreffen, ist die Energie der einzelnen nicht groß genug, wenn die Wellenlänge zu lang bzw. Frequenz zu klein ist.

c)
Wellenlänge muss kleiner sein als eine bestimmte Grenze
Die ergibt sich aus lambda=h c/W
Das ist bei Aluminium 2,96*10^-7m= 296nm und bei Kadmium 308nm.
In beiden Fällen ist das UV-Licht.

Dienstag, 5. November 2019

Montag, 4. November 2019

Lösungen zu den Aufgaben aus dem Buch - Licht mit Doppelspalt und Gitter

S194/6 Doppelspalt

Kleinwinkelnäherung, 4mm auf einer Entfernung von 3m ist ein SEHR kleiner Winkel.
Es geht um das Maximum mit n=1, also ist dort der Gangunterschied s = lambda
Damit ist die Gleichung
lambda/d = x/L
und umgestellt
lambda = d * x/L = 5e-4 * 4e-3 / 3 m = 6,67 e-7 m = 667 nm
f = c/lambda = 3e8/ 6,67e-7 Hz = 4,5e14 Hz

S194/9 Gitter
Hier kann man eine Kleinwinkelnäherung machen, auch wenn man bei x=26,4 cm im Abstand L=3m allmählich aus dem Bereich rauskommt. Ihr könnt es ja mal mit sin und tan nachrechnen und schauen, ob es große Abweichungen gibt.
n=1 lambda = d * x/L = 4e-5 * 8,7e-2 / 3,0 m = 11,6 e-7 m
n=2 lambda = d * x/(2L) = 4e-5 * 17,8e-2 /(2 * 3,0 m) = 11,9 e-7 m
n=3 lambda = d * x/(3L) = 4e-5 * 26,4e-2 /(3 * 3,0 m) = 11,7 e-7 m

Es handelt sich also um infrarotes Licht mit lambda = 11,7 e-7 m = 1,17 mikrometer

S194/10 Gitter mit weißem Licht, ergibt Farben

a) Der Stoff ist eine Überlagerung zweier Gitter in horizontaler (x-) und vertikaler (y-) Richtung. Die Vertikalen Fäden und Lücken dazwischen bewirken die Struktur in x-Richtung, die horizontalen eine Struktur in y-Richtung.

Weißes Licht ist aus vielen Wellenlängen mit einzelnen Farben zusammengesetzt. Jede Farbe hat ihr Maximum in einem zu ihrer Wellenlänge und den Fadenabständen passenden Winkel. Rotes Licht erscheint deshalb weiter außen, blaues weiter innen unter kleineren Winkeln.

Die Fäden sollten eng genug beienander liegen, also weniger als 1/4 mm Abstand haben, damit ein deutliches Muster sichtbar wird. Besser noch: weniger als 1/10 mm.

b) horizontal gedehnt --> d in x-Richtung wird größer --> Winkel der Maxima in x-Richtung werden kleiner --> die Nebenmaxima sind weniger weit rechts bzw. links vom Hauptmaxumum

außerdem wird sich der Stoff in vertikaler Richtung etwas zusammenziehen --> diese Maxima wandern weiter nach außen, also nach oben und unten weg vom Hauptmaximum

Donnerstag, 31. Oktober 2019

Für die Klausur - Aufgaben aus dem Buch

EM Wellen
Polarisation S169/5
Radiowellen S171/13
Mikrowellen S171/14
Doppelspalt mit Mikrowellen S171/17

Licht
Doppelspalt S194/6
Gitter S194/9, 10
Photonen S201/1, 3, 5
Photonen und Austrittsenergie S222/9; S223/10
Doppelspalt S222/5; S223/12
Gitter S222/3

Für die Klausur - jetzt MIT dem Buch

Erst einmal die Seiten im Buch mit Erklärungen, Herleitungen, Experimenten

Elektromagnetische Wellen, S150, 151
Ausbreitung, S152-155 (ohne die großen Kästen)
Reflexion, Interferenz, Polarisation S156-158
(das mit Radio und Information lassen wir weg, Synchrotronstrahlung auch, wäre zwar interessant)
Spektrum der Strahlung, S166, 167
kurze Übersicht: S173 unten

Licht
(das mit dem Römer und dem Jupiter lassen wir weg)
Fermat-Prinzip S180
Farbe je nach Wellenlänge S182
Doppelspalt bis Gitter S183-185
Einfachspalt S186
Dünne Schichten S187-188
Michelson-Interferometer (aber ohne die Messung mit Luft vs. Vakuum) S189
Polarisation S190-196 (ohne den Kasten über TFT-Bildschirme)

Photonen
Fotopapier S195
Fotoeffekt S196-197

Zu den Zeigern werde ich nichts fragen, aber es ist ein gutes Hintergrundwissen, jedenfalls das mit dem Doppelspalt S204,205

Mittwoch, 30. Oktober 2019

Für die Klausur

Donnerstag, 19. September 2019

Hertz-Dipol

Faraday und Maxwell https://www.youtube.com/watch?v=doPlOadWuAo
Heinrich Hertz https://www.youtube.com/watch?v=fYW6tH8swnM
Marconi und Telefunken https://www.youtube.com/watch?v=NAdKseI3wuA&list=PLNhAgob3TD_vc6xqTHa2p0-3erq_zUNAl&index=4

Animationen zum Hertzschen Dipol
http://www.mikomma.de/fh/eldy/hertz.html
http://www.mikomma.de/fh/eldy/hertz_supl.htm

http://www.didaktikonline.physik.uni-muenchen.de/programme/dipolstr/Dipolstr1.html#
https://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/multimedia/programme_applets/e_lehre/dipolstrahlung/animated_dipol/index.html

https://de.wikibooks.org/wiki/Physik_Oberstufe/_Schwingungen_und_Wellen/_Elektromagnetische_Wellen

Kommunikation der deutschen Kolonialarmee in Südwestafrika im Krieg und Völkermord gegen Herero und Nama. Ab Seite 168: Drahtloser Funkverkehr.
https://sundoc.bibliothek.uni-halle.de/diss-online/04/05H118/t8.pdf

Mittwoch, 18. September 2019

Mehrfachspalt

in der Geogebra-Simulation: https://www.geogebra.org/m/nqaYtpeq