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Messung der Lichtgeschwindigkeit nach Focault

Allgemein

Der Versuch zeigt die Messung der Lichtgeschwindigkeit nach der Drehspiegelmethode. Ein Laserstrahl wird auf den in einiger Entfernung aufgestellten Drehspiegel ausgerichtet, an diesem reflektiert und über eine langbrennweitige Linse auf einen feststehenden Spiegel fokussiert. An diesem Endspiegel wird der Lichtstrahl in sich reflektiert und gelangt über die Linse wieder zum Drehspiegel zurück. Dieser hat sich in der verstrichenen Zeit um einen kleinen Winkel weitergedreht, sodass der zurückkommende Lichtstrahl, der über einen Strahlteiler auf einen durchsichtigen Maßstab gelenkt wird, nun einen kleinen Versatz zeigt, gegenüber dem Bild des stillstehenden Spiegels. Die Drehzahl des Spiegels kann variiert werden, wird über eine Photodiode gemessen und am Scope angezeigt. Aus der Drehfrequenz des Spiegels, der durlaufenen Strecke des Lichtes und dem Versatz des reflektierten Bildes auf dem Maßstab, lässt sich die Lichtgeschwindigkeit berechnen.
 
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Bilder

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Versuchsaufbau Teil1

 

 

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Versuchsaufbau Teil 2

 

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Skizze

 

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Gleichzeitige Anzeige des Maßstabs und der Drehfrequenzmessung

 

Video

Durchführung

Material:

He-Ne-Laser(Sammlungsraum Schrank 55 Regal d)
Strahlteiler(Sammlungsraum Schrank 1 Regal e)
Glasmaßstab(Sammlungsraum Schrank 1 Regal e)
Großer Oberflächenspiegel(Sammlungsraum Schrank 13 Regal c)
Linse f=5m(Sammlungsraum Schrank 13 Regal c)
Drehspiegel(Sammlungsraum Schrank 13 Regal c)
Stelltrafo 220V(Sammlungsraum Schrank 18 Regal c)
Halbleiterdetektor(Sammlungsraum Schrank 53 Regal e)in der Rutherford-Streukammer montiert
BNC-Verbinder(Sammlungsraum Schrank 24)
BNC-Kabel(Hörsaal Vorbereitungsraum)
Rigol-Oszilloskop(Sammlungsraum Schrank 44 Boden)
2 Sativfüße klein V-förmig(Hörsaal Vorbereitungsraum Schrank 25 Boden)
1 Sativfuß groß V-förmig(Hörsaal Vorbereitungsraum Schrank 25 Boden)
Zeiss-Schiene 0,5m(Hörsaal Vorbereitungsraum)
2 Reiter(Hörsaal Vorbereitungsraum Schrank 28)
Stativmaterial(Hörsaal Vorbereitungsraum Schrank 25)
Bleiziegel(Hörsaal Vorbereitungsraum)

 

Aufbau:

Laser-Drehspiegel-Linse-Endspiegel nach der Skizze aufbauen. Den Laser auf der Zeiss-Schiene montieren und ausrichten. Im Abstand von 12,1 m den Drehspiegel im V-förmigen Stativfuß befestigen und ausrichten. Den Fuß mit einem Bleiziegel beschweren. Die Linse im Abstand ihrer Brennweite f = 5 m vom Drehspiegel entfernt platzieren. Den Endspiegel im Abstand von 7,1 m von der Linse entfernt, aufstellen. Diese vier Komponenten so ausrichten, dass Laser und Endspiegel nebeneinander auf einem Tisch zu stehen kommen. Den Laser einschalten. Drehspiegel und Laser auf die gleiche Höhe ausrichten und so einstellen, dass der Laserstrahl sowohl die Linsenmitte als auch den Endspiegel mittig überstreicht, wenn der Drehspiegel mit dem (angehängten) Stellschlüssel gedreht wird. Werden die angegebenen Abstände eingehalten, sollte auf dem Endspiegel das Bild scharf fokusiert liegen. Nun durch Verstellen der Stellschrauben und oder Drehen des Endspiegels dafür sorgen, dass das reflektierte Bild vom Endspiegel mit dem ankommenden Bild des Drehspiegels auf der Linse zur Deckung kommt. Dazu ein Blatt Papier vor der Linse bewegen und den Endspiegel justieren. Jetzt sollte auch das reflektierte Bild auf dem Drehspiegel zu liegen kommen. Vor dem Laser nun den Strahlteiler und senkrecht dazu im gleichen Abstand den Maßstab einsetzen. Den Strahlteiler so einstellen, dass der Strahl des ankommenden Bildes zum Maßstab hin gelenkt wird. Bei stehendem Drehspiegel ist der Lichtpunkt sehr hell und überstrahlt. Ein kleines Stück Papier hinter dem Glasmaßstab schafft hier Abhilfe. Zur Messung wird es dann entfernt, da die Intensität bei rotierendem Spiegel stark abnimmt. Die Photodiode(Halbleiterdetektor) über den BNC-Verbinder und das HF-Kabel mit dem Scope verbinden. Den Detektor mittels Stativmaterial so aufbauen, dass er vom Lichtstrahl des Drehspiegels überstrichen wird. Darauf achten, dass der Drehspiegel zwei Spieglseiten hat und dadurch die Anzeige am Scope den doppelten Wert annimmt. Der Abstand zwischen zwei Peaks auf dem Scope entspricht damit einer halben Umdrehung des Spiegelskopfes. Die direkte Frequenzanzeige zeigt den doppelten Wert!! Der Glasmaßstab hat eine grobe 2 mm Teilung. Bei maximaler Drehzahl endet der Versatz des Lichtpunktes auf dem dritten Skalenteil, also bei 6 mm !!



Durchführung:

Den Raum verdunkeln. Den direkten Strahl bei stehendem Drehspiegel auf dem Nullpunkt zeigen, danach das Papier am Maßstab entfernen und den Drehspiegel in Rotation versetzen. Mit zunehmender Drehzahl steigt der Versatz des reflektierten Lichtpunktes bis die max. Drehfrequenz von ca. 450 Hertz erreicht ist.
 


Hinweise:

Der Raum muß abgedunkelt werden.

Der Drehspiegel hat zwei Spiegelseiten!!  Doppelte Frequenzanzeige!! 

Der Glasmaßstab hat eine grobe 2 mm Teilung!! 

Viel Geduld beim justieren! 

Aufbauzeit ca. 2h !



Sicherheitshinweise:

Nicht in den direkten Laserstrahl blicken!
 

Dokumente

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#tags

G 31.1 Lichtgeschwindigkeit, Focault, Drehspiegel, Messung, Wow-Effekt
 

 

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