Coloured Line

Thema

Beim GYPT im Jahr 2022/23 war die 4 Aufgabe:

"When a compact disc or DVD is illuminated with light coming from a filament lamp in such a way that only rays with large angles of incidence are selected, a clear green line can be observed. The colour varies upon slightly changing the angle of the disc. Explain and investigate this phenomenon."

Das bedeutet auf Deutsch:

"Wenn eine CD oder DVD mit Licht aus einer Filamentlampe auf eine Weise beleuchtet wird, dass nur Lichtstrahlen mit großem Einfallswinkel auftreffen, kann eine klare grüne Linie erkannt werden. Die Farbe verändert sich, wenn man den Einfallswinkel verändert. Erkläre und untersuche dieses Phänomen"

In unserem Experiment haben wir eine CD benutzt, außerdem haben wir anstatt einer Filamentlampe eine LED verwendet und alle Einfallswinkel betrachtet, dadurch haben wir auch alle Farben betrachtet. Dadurch kamen wir zu dieser Aufgabenstellung:

“Wenn eine CD mit Licht aus einer LED beleuchtet wird, kann eine klare farbige Linie beobachtet werden. Die Farbe dieser Linie verändert sich mit dem Einfallswinkel. Erkläre und untersuche dieses Phänomen.”

In unseren Versuchen untersuchen wir die Parameter des Einfallswinkels des Lichts aus der LED (LED-Winkel) und den Winkel aus dem wir die CD betrachten (Kamerawinkel).

Theorie

Theoretische Grundlagen

Wir Menschen sind nur in der Lage, Dinge zu sehen, wenn Licht auf dieses Medium trifft. Licht ist ein Wellen-Teilchen-Dualismus, das bedeutet, dass es sowohl Eigenschaften von Wellen, als auch von Teilchen aufweist, obwohl diese teilweise gegensätzlich sind. In unserem Versuch sind die Welleneigenschaften von Licht wichtig, deswegen konzentrieren wir uns auf diese und sehen Licht als Welle an. Wellen können gebeugt werden und interferieren, das sind die Eigenschaften, die für die unterschiedlichen Farben sorgen.

Beugung bedeutet, dass Wellen auch um Ecken gehen können, wenn diese Ecken kleiner sind als die Periodendauer. Die Periodendauer ist dabei ein Erkennungsmerkmal von Wellen, das beschreibt, wie gestreckt oder gestaucht die Welle ist. Rotes Licht hat eine große Periodendauer, während violettes Licht eine kleinere hat. Alle anderen Farben liegen dazwischen. An dem Punkt, wo die Welle gebeugt wird, entsteht eine sogenannte Kreiswelle, die sich in alle Richtungen gleichzeitig ausbreitet.

Wellen interferieren miteinander, wenn zwei oder mehr Wellen sich zur selben Zeit am selben Ort befinden. Interferenz bedeutet, dass die Wellen sich addieren und zu einer Welle werden. Konstruktive Interferenz nennt man, wenn die Wellen einander verstärken, destruktive, wenn sie einander auslöschen.

Eine CD ist ein optisches Reflexionsgitter, das bedeutet, dass es ein Gitter ist, an dem die Lichtstrahlen gebeugt und dann reflektiert werden. Außerdem sind immer Rillen nebeneinander, von denen eine nicht reflektiert und die andere reflektiert, der Abstand zwischen zwei reflektierenden Rillen ist die Gitterkonstante g, diese beträgt bei einer CD 1,5 µm. Wenn wir eine DVD oder eine BlueRay genommen hätten, wäre diese Gitterkonstante kleiner und hätte dadurch zu einem anderen Ergebnis geführt.

Erklärung des Phänomens

Zuerst treffen die Lichtstrahlen aus der LED zwei nebeneinanderliegende Rillen der CD, wobei einer der Lichtstrahlen einen etwas längeren Weg zurücklegt, das ist der sogenannte Gangunterschied. An der CD werden die Lichtstrahlen gebeugt und dadurch in jede Richtung reflektiert. Auch auf dem Weg von der CD zur Kamera hat wieder ein Lichtstrahl einen etwas längeren Weg, also haben wir wieder einen Gangunterschied

Da wir unser Experiment nur in einem Viertelkreis durchgeführt haben, wussten wir, dass einer der Lichtstrahlen sowohl auf dem Weg von der LED zur CD, als auch von der CD zur Kamera einen längeren Weg zurücklegt (Abb. )

Hypothese

Wir wissen, dass wenn wir die LED senkrecht auf die CD richten, dass ein Interferenzbild entsteht, auf dem ganz klar die verschiedenen Ordnungen zu erkennen sind, dass wurde bereits in vielen Experimenten nachgewiesen (Abb. )

Unsere Hypothese ist, dass wenn wir die LED verschieben, sich auch das Interferenzbild mit verschiebt (Abb. ).

Aufbau

Mit diesem Aufbau wurden Eure Messungen durchgeführt. Dieser Abschnitt lebt von guten(!) Fotos bzw. Skizzen.

Anfängliche Aufbauten, die später verworfen wurden, können erwähnt werden aber müssen ausgiebig betrachtet werden.

Daten

Hier kommen keine Rohdaten sondern möglichst gut ausgewertete Daten rein - Graphen, Ausgleichskurven, etc. mit Fehlerbetrachtung!

Fazit

Eine kurze Zusammenfassung eurer Erkenntnisse.

Erfolge

Habt Ihr an Wettbewerben teilgenommen? Wie weit seid Ihr gekommen?

Quellen

Eure wichtigsten verwendeten Quellen mit Verweisen im Text!