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Interferenz von Schallwellen
Grundwissen
- Konstruktive Interferenz bedeutet eine Verstärkung, destruktive Interferenz bedeutet eine Auslöschung.
- Der Gangunterschied \(\Delta s\) zwischen den zwei Quellen und dem Empfänger bestimmt, ob konstruktive oder destruktive Interferenz auftritt.
- Es kann an mehreren Orten konstruktive bzw. destruktive Interferenz auftreten.
Grundwissen
- Konstruktive Interferenz bedeutet eine Verstärkung, destruktive Interferenz bedeutet eine Auslöschung.
- Der Gangunterschied \(\Delta s\) zwischen den zwei Quellen und dem Empfänger bestimmt, ob konstruktive oder destruktive Interferenz auftritt.
- Es kann an mehreren Orten konstruktive bzw. destruktive Interferenz auftreten.
Gangunterschied bei zwei Quellen
Grundwissen
- Allgemein gilt für den Gangunterschied \(\Delta s = \left| {\overline {{S_2}E} - \overline {{S_1}E} } \right|\)
- Im Falle eines rechtwinkligen Aufbaus hilft der Satz des Pythagoras
- Bei weit entferntem Empfänger kann die Kleinwinkelnäherung genutzt werden und \(\Delta s = d \cdot \frac{a}{e}\)
Grundwissen
- Allgemein gilt für den Gangunterschied \(\Delta s = \left| {\overline {{S_2}E} - \overline {{S_1}E} } \right|\)
- Im Falle eines rechtwinkligen Aufbaus hilft der Satz des Pythagoras
- Bei weit entferntem Empfänger kann die Kleinwinkelnäherung genutzt werden und \(\Delta s = d \cdot \frac{a}{e}\)
Beugung und Interferenz von Elektronen an Kristallgittern
Grundwissen
- De BROGLIEs theoretische Überlegungen zur Wellennatur von Materie konnten 1927 von den amerikanischen Physikern Clinton Joseph DAVISSON und Lester Halbert GERMER sowie unabhängig davon vom englischen Physiker George Paget THOMSON durch die Elektronenbeugung an Kristallen bestätigt werden.
Grundwissen
- De BROGLIEs theoretische Überlegungen zur Wellennatur von Materie konnten 1927 von den amerikanischen Physikern Clinton Joseph DAVISSON und Lester Halbert GERMER sowie unabhängig davon vom englischen Physiker George Paget THOMSON durch die Elektronenbeugung an Kristallen bestätigt werden.
Beugung und Interferenz von Elektronen außerhalb von Materie
Grundwissen
- Die Wellennatur von Materie konnte zwischen 1955 und 1957 von MÖLLENSTEDT und seinen Schülern DÜKER und JÖNSSON auch beim Durchgang von Elektronen durch ein elektrisches Biprisma und sogar durch einen materiellen Doppelspalt bestätigt werden.
Grundwissen
- Die Wellennatur von Materie konnte zwischen 1955 und 1957 von MÖLLENSTEDT und seinen Schülern DÜKER und JÖNSSON auch beim Durchgang von Elektronen durch ein elektrisches Biprisma und sogar durch einen materiellen Doppelspalt bestätigt werden.
Silizium-Solarzellen
Grundwissen
- Klassische Silizium-Solarzellen bestehen aus einer n-dotierten und einer p-dotierten Schicht. Am Übergang bildet sich eine sog. Raumladungszone.
- Einfallendes Licht löst in dieser Raumladungszone Elektronen von Atomen (innerer Fotoeffekt).
- Der Wirkungsgrad von Solarzellen liegt aktuell bei 13% - 48%.
Grundwissen
- Klassische Silizium-Solarzellen bestehen aus einer n-dotierten und einer p-dotierten Schicht. Am Übergang bildet sich eine sog. Raumladungszone.
- Einfallendes Licht löst in dieser Raumladungszone Elektronen von Atomen (innerer Fotoeffekt).
- Der Wirkungsgrad von Solarzellen liegt aktuell bei 13% - 48%.
Geschwindigkeitsaddition
Grundwissen
- Ist \(u\) die Geschwindigkeit eines Körpers im System S und \(v\) die Geschwindigkeit des Systems S' in Bezug auf S und \(u'\) die Geschwindigkeit des Körpers im System S', dann gilt der Zusammenhang \(u = \frac{{u' + v}}{{1 + \frac{{u' \cdot v}}{{{c^2}}}}}\).
Grundwissen
- Ist \(u\) die Geschwindigkeit eines Körpers im System S und \(v\) die Geschwindigkeit des Systems S' in Bezug auf S und \(u'\) die Geschwindigkeit des Körpers im System S', dann gilt der Zusammenhang \(u = \frac{{u' + v}}{{1 + \frac{{u' \cdot v}}{{{c^2}}}}}\).
Wesenszug 1: Statistische Vorhersagbarkeit
Grundwissen
- Die Bahn eines einzelnen Photons beim Doppelspaltexperiment kann grundsätzlich nicht genau vorhergesagt werden.
- Quantenphysikalische Ereignisse sind nicht deterministisch, unterliegen aber statistischen Gesetzmäßigkeiten.
- Ein einfaches Beispiel hierzu ist das Verhalten von Photonen an einem Strahlteiler.
Grundwissen
- Die Bahn eines einzelnen Photons beim Doppelspaltexperiment kann grundsätzlich nicht genau vorhergesagt werden.
- Quantenphysikalische Ereignisse sind nicht deterministisch, unterliegen aber statistischen Gesetzmäßigkeiten.
- Ein einfaches Beispiel hierzu ist das Verhalten von Photonen an einem Strahlteiler.
Wesenszug 2: Fähigkeit zur Interferenz
Grundwissen
- Quantenobjekte können mit sich selbst interferieren
- Für die Ausbildung eines Interferenzmusters in einem Experiment müssen mehrere klassisch denkbare Wege existieren.
- In der Quantenphysik wird keiner der klassischen Wege tatsächlich realisiert.
- Quantenobjekten kann meist kein exakter Ort zugeschrieben werden, sondern statistische Aufenthaltswahrscheinlichkeiten.
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- Quantenobjekte können mit sich selbst interferieren
- Für die Ausbildung eines Interferenzmusters in einem Experiment müssen mehrere klassisch denkbare Wege existieren.
- In der Quantenphysik wird keiner der klassischen Wege tatsächlich realisiert.
- Quantenobjekten kann meist kein exakter Ort zugeschrieben werden, sondern statistische Aufenthaltswahrscheinlichkeiten.
Wesenszug 3: Eindeutige Messergebnisse
Grundwissen
- Quantenmechanische Messungen haben aktiven Charakter: Messungen zwingen ein System einen der möglichen Messwerte anzunehmen.
- Messergebnisse sind stets eindeutig, auch wenn das Quantenobjekt vor der Messung in einem Zustand war, der unbestimmt bezüglich der gemessenen Größe ist.
- Man unterscheidet in der Quantenmechanik, ob ein Objekt eine Eigenschaft besitzt oder man diese Eigenschaft misst.
Grundwissen
- Quantenmechanische Messungen haben aktiven Charakter: Messungen zwingen ein System einen der möglichen Messwerte anzunehmen.
- Messergebnisse sind stets eindeutig, auch wenn das Quantenobjekt vor der Messung in einem Zustand war, der unbestimmt bezüglich der gemessenen Größe ist.
- Man unterscheidet in der Quantenmechanik, ob ein Objekt eine Eigenschaft besitzt oder man diese Eigenschaft misst.
Wesenszug 4: Komplementarität
Grundwissen
- Bei einer Ortsmessung auf Höhe der Spalte bildet sich beim Doppelspaltexperiment kein Interferenzmuster auf dem Schirm aus.
- Interferenzmuster und Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren Möglichkeiten schließen sich aus (Komplementarität).
Grundwissen
- Bei einer Ortsmessung auf Höhe der Spalte bildet sich beim Doppelspaltexperiment kein Interferenzmuster auf dem Schirm aus.
- Interferenzmuster und Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren Möglichkeiten schließen sich aus (Komplementarität).
Beugung
Grundwissen
- Beugung ist die Ablenkung einer Welle an einem Hindernis, die nicht durch Brechung, Streuung oder Reflexion verursacht wird.
- Beugung ist bemerkbar, wenn die Dimension einer Öffnung oder eines Hindernisses in der Größenordnung der Wellenlänge liegt oder kleiner als diese ist.
Grundwissen
- Beugung ist die Ablenkung einer Welle an einem Hindernis, die nicht durch Brechung, Streuung oder Reflexion verursacht wird.
- Beugung ist bemerkbar, wenn die Dimension einer Öffnung oder eines Hindernisses in der Größenordnung der Wellenlänge liegt oder kleiner als diese ist.
Licht und Farben
Grundwissen
- Licht hat keine Farbe.
- Wenn Licht aber auf die Netzhaut im Auge trifft, senden die verschiedenen lichtempfindlichen Zapfen elektrische Impulse an das Gehirn. Dort werden diese Impulse verarbeitet und im Gehirn wird ein Farbeindruck erzeugt.
- Licht aus verschiedenen Bereichen des Lichtbündels, das nach der Zerlegung von Sonnenlicht entsteht, erzeugt jeweils einen anderen Farbeindruck. Wir unterscheiden das Licht deshalb nach diesem Farbeindruck und bezeichnen z.B. Licht aus dem linken Bereich des Lichtbündels als "Licht der Spektralfarbe Rot" oder kurz als "rotes Licht".
- Ist Licht verschiedener Spektralfarben gemischt, dann kann dieses Licht Farbeindrücke erzeugen, die mit Licht einer einzelnen Spektralfarbe nicht erzeugt werden können.
Grundwissen
- Licht hat keine Farbe.
- Wenn Licht aber auf die Netzhaut im Auge trifft, senden die verschiedenen lichtempfindlichen Zapfen elektrische Impulse an das Gehirn. Dort werden diese Impulse verarbeitet und im Gehirn wird ein Farbeindruck erzeugt.
- Licht aus verschiedenen Bereichen des Lichtbündels, das nach der Zerlegung von Sonnenlicht entsteht, erzeugt jeweils einen anderen Farbeindruck. Wir unterscheiden das Licht deshalb nach diesem Farbeindruck und bezeichnen z.B. Licht aus dem linken Bereich des Lichtbündels als "Licht der Spektralfarbe Rot" oder kurz als "rotes Licht".
- Ist Licht verschiedener Spektralfarben gemischt, dann kann dieses Licht Farbeindrücke erzeugen, die mit Licht einer einzelnen Spektralfarbe nicht erzeugt werden können.
Das menschliche Auge - Akkommodation und Sehfehler
Grundwissen
- Als Akkommodation bezeichnet man die Änderung der Brennkraft des Auges, um Objekte in unterschiedlichen Entfernungen scharf sehen zu können.
- Bei Kurzsichtigkeit ist die Augenlinse zu stark gekrümmt, entfernte Gegenstände werden kurz vor der Netzhaut scharf abgebildet.
- Bei Weitsichtigkeit ist die Augenlinse nicht stark genug gekrümmt, nahe Gegenstände werden kurz hinter der Netzhaut scharf abgebildet.
Grundwissen
- Als Akkommodation bezeichnet man die Änderung der Brennkraft des Auges, um Objekte in unterschiedlichen Entfernungen scharf sehen zu können.
- Bei Kurzsichtigkeit ist die Augenlinse zu stark gekrümmt, entfernte Gegenstände werden kurz vor der Netzhaut scharf abgebildet.
- Bei Weitsichtigkeit ist die Augenlinse nicht stark genug gekrümmt, nahe Gegenstände werden kurz hinter der Netzhaut scharf abgebildet.
Optik
Lichtreflexion
- Vertauscht ein Spiegel links und rechts?
- Wie groß muss ein Spiegel sein, damit man sich ganz in ihm sehen kann?
- Wo befindet sich das Spiegelbild, wenn hinter dem Spiegel eine Wand ist?
Themenbereich
Optik
Farben
- Kann man Licht zerlegen …
- … und wieder zusammensetzen?
- Wie entstehen die Farben beim Fernseher …
- … und wie beim Malen mit Farben?
Themenbereich
Optik
Lichtausbreitung
- Wann können wir Gegenstände sehen?
- Warum sprechen wir von Lichtstrahlen?
- Wie entstehen Schatten?
- Wie funktioniert eine Lochkamera?
Themenbereich
Optik
Lichtbrechung
- Verlaufen Lichtstrahlen immer geradlinig?
- Wie funktioniert ein Prisma?
- Warum können wir unter Wasser schlecht sehen?
- Wie entsteht eine Fata Morgana …
- … und wie ein Regenbogen?
Themenbereich
Optik
Optische Linsen
- Was sind Sammellinsen …
- … und was Zerstreuungslinsen?
- Wie erzeugen Linsen eigentlich Bilder?
- Was sind virtuelle …
- … und was reelle Bilder?
Themenbereich
Elektronik
Einführung in die Elektronik
- Was sind eigentlich Halbleiter?
- Welche besonderen Eigenschaften haben Halbleiter?
- Warum werden Halbleiter dotiert?
- Wie funktioniert die Dotierung von Halbleitern technisch?
Themenbereich
Elektronik
Halbleiterdiode
- Woraus bestehen eigentlich Dioden?
- Welche besonderen Eigenschaften haben Dioden?
- Wie funktionieren Leuchtdioden?
- Warum benutzt man statt Glühbirnen heute Leuchtdioden?
Themenbereich
Elektronik
Transistor
- Wie ist ein Transistor aufgebaut?
- Können Transistoren Strom verstärken?
- Warum sind Transistoren heute so wichtig?
- Wo und wie werden Transistoren überall eingesetzt?
Themenbereich
Akustik
Akustische Phänomene
- Wie entsteht Schall?
- Was unterscheidet Töne von Geräuschen?
- Warum klingen die verschiedenen Instrumente alle anders?
- Wie funktionieren Blas- und Saiteninstrumente?
Themenbereich
Akustik
Akustische Wellen
- Was versteht man unter Frequenz, was unter Amplitude?
- Wie beschreibt man Schallwellen mathematisch?
- Was ist der DOPPLER-Effekt?
- Wie sorgt Antischall für Ruhe?
Themenbereich
Akustik
Schallgeschwindigkeit
- Wie bestimmt man die Entfernung zu einem Gewitter?
- Wie misst man die Schallgeschwindigkeit?
- Ist die Schallgeschwindigkeit immer gleich?
- Wie entsteht ein Überschallknall?
Themenbereich
Optik
Beugung und Interferenz
- Kommt Licht um die Ecke?
- Licht + Licht = Dunkelheit?
- Wie misst man die Wellenlänge von Licht?
Themenbereich
Optik
Elektromagnetisches Spektrum
- Was haben Infrarotstrahlung …
- … Mikro- und Radiowellen …
- … und Licht gemeinsam?
Themenbereich
Optik
Polarisation
- Wie polarisiert man Licht?
- Wie funktioniert ein Polarisationsfilter?
- Wo wird polarisiertes Licht genutzt?
Themenbereich
Quantenphysik
Quantenobjekt Elektron
- Elektronen – mehr als Billardkugeln?
- Wie verhalten sich Elektronen an einem Doppelspalt?
- Wie groß ist die de BROGLIE-Wellenlänge?
- Was ist der Welle-Teilchen-Dualismus?
Themenbereich
Quantenphysik
Quantenobjekt Photon
- Wie überträgt Licht seine Energie?
- Was sind eigentlich Photonen?
- Licht – auch nicht mehr als Billardkugeln?
- Können Teilchen aus Strahlung entstehen?
Themenbereich
Optik
Wellenmodell des Lichts
- Welche Entdeckungen machte Heinrich HERTZ?
- Gibt es den DOPPLER-Effekt auch bei Licht?
- Welche Versuche bestätigen das Wellenmodell des Lichts?
Themenbereich