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Zielformeln:

①c=λf②dsin⁡φk=kλ③dSchicht=λ4n④λ=rk2kR

Gültigkeit/Annahmen:

  • ① gilt für jede periodische Welle (Schall, Wasser, Licht); einzige Voraussetzung: die Wellenform verschiebt sich mit konstanter Geschwindigkeit c.
  • ② Fraunhofer-Bedingung (Fernfeld): Schirm weit weg (D≫d), austretende Strahlen näherungsweise parallel; Spaltabstand d konstant.
  • ③ senkrechter Einfall; Brechungsindex der Schicht liegt zwischen den Nachbarmedien (nLuft<nSchicht<nGlas), daher haben beide reflektierten Wellen einen π-Sprung.
  • ④ Kleinwinkel-/Dünnschicht-Näherung d≪R (Luftspalt viel dünner als Krümmungsradius); monochromatisches Licht, senkrechter Einfall; dunkle Ringe im reflektierten Licht.

Verwendete Formeln ​

FormelNameFormelnheft
v=λ⋅fWellengeschwindigkeit✅ S. 3 („Wellengeschwindigkeit")
f=1/TFrequenz–Periode✅ S. 2 („f=1/T")
sin⁡φk=k⋅λ/dInterferenzmaxima beim Mehrfachspalt✅ S. 4 („Interferenzmaxima beim Mehrfachspalt") — umgestellte Form der Zielformel ②
λn=λ0/nWellenlänge im Medium✅ S. 4 („Wellenlänge im Medium")
konstruktiv Δs=kλ / destruktiv Δs=(k+12)λInterferenzbedingungen❌ nicht im Formelnheft — selbst anschreiben (Begründung in ② Schritt 3)
Reflexion am dichteren Medium: Sprung π; am dünneren: kein SprungPhasensprung❌ nicht im Formelnheft — Wellensatz, selbst formulieren
r2=d(2R−d)Höhensatz / Kreisgeometrie❌ Mathematik, nicht im Formelnheft
c=2,9979⋅108 m/sLichtgeschwindigkeit✅ S. 1 (Konstantentabelle)

Herleitung (Schritt für Schritt) ​

① c=λf — direkt aus den Definitionen ​

  1. Schlüsselbeobachtung: Nach einer Periode T sieht die Welle wieder genauso aus — nur um eine Wellenlänge λ verschoben (genau das sind die Definitionen von T und λ: zeitliche bzw. räumliche Periode).
  2. Allgemeine Geschwindigkeitsformel (gleichförmig): c=WegZeit=λT.
  3. Einsetzen von f=1T (S. 2):c=λ⋅f
  4. Probe (UKW-Sender 88,6 MHz): λ=cf=3⋅108 m/s88,6⋅106 Hz≈3,386 m. (Mit dem genauen S.-1-Wert c=2,9979⋅108: λ≈3,384 m — ebenfalls ≈3,4 m; das Skriptum rundet auf 3,3 m.) Radiowellen im Meterbereich vs. Lichtwellen im nm-Bereich unten.

② Maxima am Gitter/Doppelspalt: dsin⁡φk=kλ ​

  1. Geometrie: Benachbarte Spalte im Abstand d; Schirm weit weg (D≫d) → die beiden Strahlen zum selben Schirmpunkt sind näherungsweise parallel, Winkel φ zur Normalen.
  2. Geometrie des Gangunterschieds: Lot vom oberen Spalt auf den Strahl des unteren Spalts → rechtwinkliges Dreieck mit Hypotenuse d; der Mehrweg des unteren Strahls ist die Gegenkathete von φ:Δs=d⋅sin⁡φ
  3. Gleichphasigkeit (warum ganzzahlige Vielfache von λ): Um eine Wellenlänge verschoben, deckt sich eine Welle exakt mit sich selbst (Phase 2π). Konstruktive Interferenz (Berg auf Berg, maximale Helligkeit) verlangt also einen Gangunterschied von ganzzahligen Wellenlängen:Δs=kλ,k=0,1,2,…
  4. 2 und 3 kombinieren:dsin⁡φk=kλ⟺sin⁡φk=kλdDie rechte Form ist wörtlich Formelnheft S. 4 „Interferenzmaxima beim Mehrfachspalt" — darf direkt zitiert werden.
  5. Kleinwinkel-Erweiterung (Messexperiment im Skriptum): Für D≫s gilt sin⁡φ≈tan⁡φ=sD → λ=d⋅sD. Probe (rote Zeile des Skriptums): d=10−5 m, s=0,195 m, D=3 m → λ=10−5⋅0,1953=6,5⋅10−7 m =650 nm ✓ (rot).

③ λ/4-Antireflexschicht: d=λ4n ​

  1. Aufbau: Auf Glas (nGlas≈1,5) eine Schicht mit dazwischenliegendem Brechungsindex (MgF₂, n≈1,38). Senkrechter Einfall; Teilreflexion an der Schichtoberseite und an der Grenze Schicht–Glas.
  2. Die beiden Phasensprünge heben sich auf: Wellensatz — Reflexion am dichteren Medium springt um π („festes Ende"), am dünneren nicht. Hier gilt nLuft<n<nGlas: beide Grenzflächen reflektieren zum dichteren Medium → beide Wellen springen um π → die Sprünge tragen netto nichts zur Phasendifferenz bei; nur der Gangunterschied zählt.
  3. Optischer Gangunterschied: Die untere Welle läuft in der Schicht hinunter und wieder hinauf — geometrisch 2d mehr. In der Schicht ist die Wellenlänge auf λn=λ/n verkürzt (S. 4 „Wellenlänge im Medium") — auf gleicher Strecke passen mehr Wellenlängen, effektiver optischer Weg = geometrischer Weg × n:Δsopt=2nd
  4. Auslöschungsbedingung (Entspiegelung = destruktive Interferenz der Reflexe): Gangunterschied = halbzahlige Wellenlängen (Berg auf Tal). Dünnste Lösung (k=0):2nd=λ2⟹d=λ4n— die „Viertelwellenlängen-Schicht" (ein Viertel der Wellenlänge in der Schicht: d=λn/4).
  5. Probe (Auslegung auf Grün): λ=550 nm, n=1,38 → d=5504⋅1,38 nm≈99,6 nm≈100 nm ✓ (Skriptum: ≈100 nm).
  6. Wohin geht die Energie? Das „ausgelöschte" Reflexionslicht verschwindet nicht, sondern geht in die Transmission — genau der Zweck der Vergütung. Die Bedingung gilt streng nur für ein λ → Restreflex purpur/violett.

④ Newton'sche Ringe: λ=rk2kR ​

  1. Aufbau: Schwach gewölbte Sammellinse (Krümmungsradius R) auf planer Glasplatte; dazwischen ein nach außen dicker werdender Luftspalt (Dicke d(r)). Monochromatisches Licht, senkrechter Einfall, Beobachtung in Reflexion.
  2. Geometrie der Spaltdicke (Kleinwinkelnäherung, explizit): Die Linsenunterseite ist eine Kugelfläche mit Radius R. Beim Abstand r von der Achse gilt nach dem Höhensatz (rechtwinkliges Dreieck im Kreis: Quadrat der Höhe = Produkt der Hypotenusenabschnitte):r2=d(2R−d)Wegen d≪R (μm gegen m) wird der d2-Term vernachlässigt:r2≈2Rd⟹d≈r22R
  3. Phasenlage: Der π-Sprung tritt nur an der unteren Grenzfläche auf (Luft → Glas, zum dichteren Medium); oben (Glas → Luft) kein Sprung. Ein π-Sprung = zusätzliche halbe Wellenlänge → die Bedingung kippt: Bei ganzzahligem geometrischem Gangunterschied 2d herrscht Auslöschung (dunkle Ringe); das Zentrum d=0 ist dunkel.
  4. Bedingung für dunkle Ringe in Reflexion:2d=kλ,k=0,1,2,…
  5. 2 und 4 kombinieren (Radius rk des k-ten dunklen Rings):2⋅rk22R=kλ⟹λ=rk2kR
  6. Probe: R=10 m, gemessen r4=5,1 mm beim k=4-ten dunklen Ring → λ=(5,1⋅10−3)24⋅10=2,60⋅10−540=6,5⋅10−7 m =650 nm ✓ — gleiche Wellenlänge wie die Gittermessung in ② (Skriptum: zwei unabhängige Methoden bestätigen einander). Blau hat kürzeres λ → kleinere Ringradien bei gleichem k → dichtere Ringe ✓.

Variablentabelle ​

SymbolBedeutungSI-Einheit
cWellengeschwindigkeit (Vakuumlichtgeschwindigkeit 2,9979⋅108, S. 1)m/s
λ(Vakuum-)Wellenlängem
λnWellenlänge im Medium =λ/nm
fFrequenzHz = 1/s
TPeriodendauer =1/fs
d (②)Gitterkonstante = Abstand benachbarter Spaltem
φkBeugungswinkel des k-ten Maximumsrad (°)
kOrdnung =0,1,2,…— (dimensionslos)
Δs(optischer) Gangunterschiedm
s, DAbstand der Maxima am Schirm, Abstand Gitter–Schirmm
d (③④)Schichtdicke / Luftspaltdickem
nBrechungsindex (Schicht ≈1,38, Glas ≈1,5)— (dimensionslos)
RKrümmungsradius der Linsem
rkRadius des k-ten dunklen Ringsm

Verknüpfungen ​