Abitur Thüringen Physik 2025 · GK · Eigenschaften von Licht

1 Aufgabe

Eigenschaften von Licht

Thomas Young veröffentlichte 1804 im Journal „The philosophical transactions of the Royal Society of London" ein Experiment, mit dem er die Wellennatur des Lichts zeigen wollte.

1

In Material 1 wird das von Thomas Young durchgeführte Experiment dargestellt.

Material 1: Experiment von Young

Youngs Idee war ein Experiment, „das, wenn die Sonne scheint, mit Leichtigkeit und ohne jede Vorrichtung, die nicht jedermann zur Verfügung steht, wiederholt werden kann". Es ist ein gutes Beispiel dafür, wie mit einfachen Mitteln große wissenschaftliche Fortschritte erzielt werden können. Young schreibt: „Ich machte ein kleines Loch in einen Fensterladen und bedeckte es mit einem dicken Stück Papier, das ich mit einer feinen Nadel durchstach." Dann hielt er eine Spielkarte in den Sonnenstrahl und teilte so das Lichtbündel in zwei Teile. Auf der gegenüberliegenden Wand sah er Interferenzstreifen, die verschwanden, wenn er das Licht auf einer der beiden Seiten der Spielkarte verdeckte.

Erklären Sie die in Material 1 genannten Beobachtungen mithilfe eines Modells. [4 BE]

2

Fachpraktischer Teil

Das Experiment von Young gilt als Vorläufer späterer Doppelspaltexperimente.

Material 2: Hinweise zur Durchführung

Geräte: Laser (rot, Wellenlänge unbekannt), Doppelspalt, optisches Gitter, Schirm, Lineal/Maßstab, optische Bank, Halter/Befestigungsmaterial

Beachten Sie die Sicherheitshinweise im Umgang mit Lasern.

Material 3: Optisches Gitter

Optische Bauteile, bei denen viele lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche in Form von Strichen nebeneinander angeordnet sind, heißen optische Gitter. Vereinfacht gesagt sind es viele Doppelspalte nebeneinander. Wenn ein Gitter 500 Striche (also 500 lichtdurchlässige Bereiche) pro mm besitzt, hat es einen Spaltmittenabstand (auch Gitterkonstante genannt) von $g = \frac{1}{500}\ \mathrm{mm} = 2{,}00\cdot 10^{-6}\ \mathrm{m}$.

Formeln für konstruktive Interferenz am Gitter (analog Doppelspalt)

$$\tan(\alpha) = \frac{a_k}{\ell} \qquad \sin(\alpha) = \frac{k\cdot\lambda}{g}$$ $a_k$: Abstand Maximum 0. und k-ter Ordnung; $\ell$: Abstand Gitter-Schirm; $k$: Ordnung; $\lambda$: Wellenlänge; $g$: Gitterkonstante; $\alpha$: Beugungswinkel

a)

Erzeugen Sie unter Verwendung von Material 2 ein Interferenzbild mit dem Doppelspalt auf dem Schirm. Dokumentieren Sie ihr Vorgehen, indem Sie eine beschriftete Skizze des Versuchsaufbaus mit seinen genauen Maßen anfertigen. [6 BE]

b)

Tauschen Sie den Doppelspalt gegen das zur Verfügung gestellte Gitter aus, dessen prinzipieller Aufbau in Material 3 beschrieben ist. Fertigen Sie eine Skizze des Interferenzbildes in geeignetem Maßstab an. [6 BE]

c)

Bestimmen Sie mithilfe des Gitters die Wellenlänge des Lasers. [7 BE]

Hinweis: Sollte Ihnen der Aufbau des Versuchs oder die Durchführung in 2c nicht gelingen, so können Sie bei der Lehrkraft Material anfordern. Den nicht erbrachten Leistungen entsprechend werden 5 Bewertungseinheiten nicht erteilt.

3

Beschreiben Sie einen Unterschied zwischen dem Aufbau des Experimentes von Young und dem von Ihnen in Aufgabe 2 durchgeführten Interferenzexperiment am Doppelspalt und welche Auswirkung dieser Unterschied auf das jeweils zu beobachtende Interferenzbild hat. [3 BE]

4

Erklären Sie die Bedeutung des Experimentes von Young für die physikalische Beschreibung von Licht, indem Sie auf die Grenzen des Lichtstrahlmodells eingehen. [4 BE]