Fresnel’scher Doppelspiegelversuch
Aufgabenstellung
Beim sogenannten Fresnelschen Doppelspiegelversuch wird ein Laserstrahl durch zwei gegeneinander verkippte Spiegel in zwei separate Lichtbündel aufgespalten (siehe Zeichnung). Durch eine Sammellinse werden diese beiden Lichtbündel so abgelenkt, dass sie sich auf einem Beobachtungsschirm überlagern.
Bewerten Sie die Richtigkeit der nachfolgenden Aussagen über diesen Versuch.
| Aussage | Richtig | Falsch |
|---|---|---|
| Dieser Versuch lässt sich nur im Teilchenmodell des Lichts verstehen. | ||
| Der Überlagerungsbereich ist gleichmäßig ausgeleuchtet. Er erscheint heller als die Bereiche, die nur von einem Teilstrahl getroffen werden. | ||
| Der Überlagerungsbereich zeigt ein periodisches Muster aus hellen und dunklen Streifen. | ||
| Der Versuch würde das gleiche Ergebnis liefern, wenn auf den Doppelspiegel verzichtet würde und die beiden Lichtbündel von zwei separaten Lasern erzeugt würden. | ||
| Damit ein Interferenzmuster beobachtet werden kann, muss der Gangunterschied der an einem Punkt ankommenden Teilwellen zeitlich konstant sein. | ||
| Interferenzminima treten an Stellen auf, wo der Gangunterschied der ankommenden Teilwellen \frac{\lambda}{2} beträgt (oder ein ungeradzahliges Vielfaches hiervon). | ||
| Die beiden Lichtbündel kreuzen sich in ihrem Verlauf mehrfach (siehe obige Skizze). Dabei entsteht jedesmal ein Interferenzmuster, das in den Lichtwellen „gespeichert“ ist. Die Beobachtung der Interferenzmuster ist daher auch möglich, wenn der Schirm außerhalb des Überlagerungsbereichs aufgestellt wird. | ||
| Das beobachtete Interferenzmuster entsteht, da der Gangunterschied der ankommenden Lichtwellen an jeder Stelle des Schirms unterschiedlich ist. |
Lösung
- Dieser Versuch lässt sich nur im Teilchenmodell des Lichts verstehen.
- Falsch: Dieses Experiment weist die Interferenz nach, die ein charakteristisches Wellenphänomen ist.
- Der Überlagerungsbereich ist gleichmäßig ausgeleuchtet. Er erscheint heller als die Bereiche, die nur von einem Teilstrahl getroffen werden.
- Falsch: Im Überlagerungsbereich kommt es aufgrund von Interferenz zur Ausbildung von Maxima und Minima.
- Der Überlagerungsbereich zeigt ein periodisches Muster aus hellen und dunklen Streifen.
- Richtig: Diese Maxima und Minima entstehen durch Interferenz der Wellen aus den beiden Lichtbündeln.
- Der Versuch würde das gleiche Ergebnis liefern, wenn auf den Doppelspiegel verzichtet würde und die beiden Lichtbündel von zwei separaten Lasern erzeugt würden.
- Falsch: Zwei separate Lichtquellen sind nicht kohärent zueinander, d.h. ihre gegenseitige Phasenbeziehung ist nicht konstant. Auf diese Weise könnte kein Interferenzmuster entstehen und der Überlagerungsbereich würde lediglich heller erscheinen als die Bereiche, die nur von einem Teilstrahl getroffen werden.
- Damit ein Interferenzmuster beobachtet werden kann, muss der Gangunterschied der an einem Punkt ankommenden Teilwellen zeitlich konstant sein.
- Richtig: Andernfalls würden sich die Maxima und Minima permanent und sehr schnell verschieben, was zu einem gleichmäßig ausgeleuchteten Überlagerungsbereich führen würde. Aus diesem Grund lässt sich dieser Versuch auch nicht mit zwei separaten Lichtquellen realisieren (siehe vorherige Aussage).
- Interferenzminima treten an Stellen auf, wo der Gangunterschied der ankommenden Teilwellen \frac{\lambda}{2} beträgt (oder ein ungeradzahliges Vielfaches hiervon).
- Richtig: So treffen stets Wellenberge auf Wellentäler, was zur vollständigen Auslöschung (destruktive Interferenz) führt.
- Die beiden Lichtbündel kreuzen sich in ihrem Verlauf mehrfach (siehe obige Skizze). Dabei entsteht jedesmal ein Interferenzmuster, das in den Lichtwellen „gespeichert“ ist. Die Beobachtung der Interferenzmuster ist daher auch möglich, wenn der Schirm außerhalb des Überlagerungsbereichs aufgestellt wird.
- Falsch: Wellen überlagern sich ungestört (Prinzip der Superposition). Interferenzmuster sind nur am Ort der Überlagerung beobachtbar. Die beteiligten Wellen selbst werden nicht verändert.
- Das beobachtete Interferenzmuster entsteht, da der Gangunterschied der ankommenden Lichtwellen an jeder Stelle des Schirms unterschiedlich ist.
- Richtig: Maxima entstehen an Positionen, bei denen der Gangunterschied ein Vielfaches der Wellenlänge beträgt. Minima entstehen an Position, wo der der Gangunterschied ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge beträgt. Durch die Abfolge unterschiedlicher Gangunterschiede in der Ebene des Beobachtungsschirms entsteht das Interferenzmuster.