Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Materialen

Kurzbeschreibung

Handelsübliche Laser-Abstandsmesser funktionieren üblicherweise mit einem periodisch modulierten Laserstrahl. Sie bestimmen die Phase zwischen dem ausgesendeten und dem reflektierten modulierten Laserstrahl und erhalten mit der bekannten Modulationsfrequenz die Laufzeit t des Lichts für den Weg zum Reflektor und wieder zurück. Anhand dieser Daten errechnen sie den Abstand unter Zuhilfenahme der bekannten Lichtgeschwindigkeit.
Da die Lichtgeschwindigkeit jedoch Materialabhängig ist funktionieren sie nur im Medium Luft. Will man mit einem handelsüblichen Entfernungsmesser jedoch beispielsweise die Länge eines Aquariums vermessen stößt man schnell an die Grenzen, da die Geräte auf die Lichtgeschwindigkeit in Luft geeicht sind.
In unserem Versuch nutzen wir den Laser-Bewegungssensor des Cassy-Systems da dieser die Laufzeit t direkt ausgeben kann. Zudem kann man neben der Lichtgeschwindigkeit auch den Brechungsindex des zu untersuchenden Materials anzeigen lassen.
Mit diesem Laser strahlen wir auf einen 50 cm entfernten Reflektor. Im Strahlengang befindet sich eine Glasküvette mit 50 mm lichter Weite. Um direkte Reflexionen an der Glaswand der Küvette zu vermeiden wird diese unter einem Winkel von ca. 15 Grad in den Strahlengang gebracht. Zunächst muss nun die Anordnung kalibriert werden. Hierzu wird der Laufzeitnullpunkt in den Einstellungen ΔtA1 definiert → 0 ←
Nun werden die Lichtgeschwindigkeiten und Brechungsindizes der Medien Luft, Wasser und Glycerin bestimmt indem die Küvette mit den entsprechenden Materialien befüllt und die erzielte Laufzeiterhöhung Δt gemessen. Mit der bekannten Lichtgeschwindigkeit in Luft kann man so die Lichtgeschwindigkeit c_M in Materie bestimmen
Die Schrägstellung der Küvette muss mit berücksichtigt werden, Da sich die Laufstrecke des Lichts dadurch um etwa 0,16 cm verlängert.
c_M = 2d/(2d/c+Δt) = 1/(1/c+Δt/2d) ⇒ c_M = 1/(1/0,3+Δt_A1/0,116)
Schließlich wird auch der Brechungsindex n berechnet.
n = c/c_M = c·(1/c+Δt/2d) = 1 + c/2d·Δt ⇒ n = 1 + 0,3/0,116·Δt_A1

Achtung nach jeder Bewegung der Küvette muss der Laufzeitnullpunkt neu definiert werden und vor der Messung den Laser etwa 5 Minuten aufwärmen lassen !

Betriebsanweisungen: Elektrogeräte

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