ANLEITUNG PhotonLab

Bevor es losgeht! — Wir empfehlen Euch, die Anleitung zu allen Experimenten herunterzuladen, die aktuell im PhotonLab zur Verfügung stehen! Sie ist in deutscher Sprache verfasst. Im Labor findet sich auch eine englische Version. Das pdf findet Ihr hier zum Download.

3D Sehen

Wir bauen unser eigenes 3D Kino — Viele Filme werden heutzutage in 3D gedreht und es gehört zur Standard, dass man an der Kinokasse nicht nur eine Eintrittskarte, sondern gleich auch eine 3D-Brille bekommt. Doch wie kann man 3D-Effekte in Filmen eigentlich herstellen? In einem einfachen Aufbau kann man diesen Effekt im Labor selbst schaffen, indem man die unterschiedlichen Polarisationen von Lichtwellen ausnutzt.

INFRAROT

Unsichtbare Infrarotstrahlung „sichtbar“ machen — Die Atmosphäre der Erde besteht hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff. Treibhausgase wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid und Methan sind nur in Spuren vorhanden, haben aber trotzdem eine große Wirkung! Was passiert nun mit der Temperatur der Atmosphäre, wenn Menschen durch Verbrennung fossiler Brennstoffe große Mengen von CO₂ in die Atmosphäre freisetzen? Das können Schüler:innen mit der Wärmebildkamera erforschen und die Bedeutung vom Strahlungshaushalt der Erde und den Klimawandel verstehen.

Wasser als Leiter

Wir sperren Licht ein! — Wie funktioniert es, dass wir mit Glasfasern Licht um die ganze Welt leiten können? Warum lässt sich das Licht in der Faser einsperren und somit auf eine kurvige Bahn zwingen? Im Schülerlabor können wir diesen Effekt veranschaulichen, indem wir in einem Wasserstrahl Laserlicht einfangen und der Totalreflexion bei der Arbeit zusehen. So kann ohne große Hilfsmittel verstanden werden, dass Licht nicht immer den geraden Weg geht.

Fata Morgana

Wie uns die Sinne täuschen können! — Licht bewegt sich normalerweise nur geradeaus. Aber unter bestimmten Umständen kann Licht eine Kurve fliegen, auch ohne in einer Glasfaser eingesperrt zu sein. In einer speziell präparierten Zuckerlösung kann man es selbst schaffen, dass ein Laserstrahl sich verbiegt, und damit verstehen, warum in der Wüste manchmal Oasen erscheinen, die eigentlich gar nicht da sind.

Geheimbildschirm

Flüssige Kristalle in Bildschirmen — Abgesehen von alten Computerbildschirmen verwenden sehr viele technische Geräte sogenannte LCD (Liquid-Crystal-Display) Monitore. Die Kristalle sind optisch aktiv und verändern deshalb die Polarisation von Licht. Durch einen Polarisationsfilter auf dem Bildschirm entsteht das uns vertraute Bild. Wird jedoch die Folie entfernt, ist die Anzeige komplett weiß.

Laserspeckles

Bin ich fehlsichtig? — Laser können dazu verwendet werden, Fehlsichtigkeit zu beheben. In unserem Labor wird er aber dazu verwendet, um herauszufinden, ob man grundsätzlich kurz- oder weitsichtig ist. Und das ganz ohne den Laser auf die Augen zu richten – sondern einfach durch leichte Kopfbewegungen, während man auf einen Laserpunkt auf einer Leinwand schaut.

Polarimeter

Warum sich Limohersteller für Polarisation interessieren — Die Polarisation von Licht gibt an, in welche Richtung das elektrische Feld der Lichtwelle schwingt. Und solange das Licht nicht durch spezielle Materialien oder Filter fliegt, ändert sich diese Richtung auch nicht mehr. Bewegt sich Licht aber durch eine Zuckerlösung, so kann sich diese Polarisationsrichtung drehen. Dieser Effekt kann verwendet werden, um die Zuckerkonzentration von Limo zu messen. Die Polarisation kannst du auch bei der Doppelbrechung anhand eines Kalkspates oder der Spannungsdoppelbrechung, im Labor erforschen.

Spektralanalyse

Die Farben des Regenbogens — Unser Auge kann hervorragend zwischen verschiedenen Farben unterscheiden. Überlagern sich aber von einem Fleck mehrere Farben, können wir nur eine Mischfarbe sehen. Die Sonne zum Beispiel leuchtet in allen Regenbogenfarben, aber wir sehen das nur als weißes Licht. Mit einem Spektrometer kann man im Labor sichtbar machen, welche Farben wirklich von unterschiedlichen Quellen ausgesendet werden.

Optische Pinzette

Styroporkügelchen mit einem Laser fangen — Um mikroskopische Objekte in der Größenordnung μm präzise anzuordnen, sind normale Pinzetten zu groß. Stattdessen wird die optische Pinzette verwendet: Mithilfe eines Lasers können kleinste Objekte wie Styroporkügelchen gefangen und präzise verschoben werden. Diese Technologie wird zum Beispiel bei der künstlichen Befruchtung oder auch beim Anordnen von einzelnen Atomen eingesetzt.

Doppelspalt

Ein erster Blick auf die Quantenphysik — Scheint man mit einem Laser auf einen Doppelspalt, erhält man hinter den beiden Spalten nicht nur zwei, sondern sehr viele helle Streifen. Dieses Phänomen lässt sich mit der Wellennatur von Licht und Interferenz erklären. Einzelne Quanten, wie Photonen oder Elektronen, verhalten sich genauso: auch hier sorgt Interferenz dafür, dass zB einzelne Photonen nicht nur direkt hinter den beiden Spalten gemessen werden können. Die Photonen scheinen durch beide Spalte gleichzeitig zu gehen, um dann mit sich selbst zu interferieren!

Quantenradierer

Auch Quanteninformation kann radiert werden! —  Ein Interferenzmuster entsteht, wenn wir nicht sagen können, auf welchem Weg das Photon zum Schirm gelangt ist. Wir können versuchen, die Weginformation zu erhalten, indem wir die Wege mit Polarisationsfiltern markieren. Dann verschwindet allerdings die Interferenz! Um sie wieder herzustellen, muss die Information wieder "wegradiert" werden. Damit wird das Markieren der Wege ungeschehen gemacht.

Quantenzufall

Richtige Zufallszahlen selber erzeugen —  Das geht mit unserem Quantenzufallszahlengenerator! Die meisten Zufallszahlen die beim Verschlüsseln verwendet werden, sind berechnete “Pseudozufallszahlen” und damit nicht wirklich zufällig. Mit Hilfe der Quantenphysik und einzelnen Photonen lassen sich aber richtige Zufallszahlen erzeugen und auf ihre Zufälligkeit überprüfen.