Physikalisches Praktikum 3. Semester

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1 Torsten Leddig 18.Januar 2005 Mathias Arbeiter Betreuer: Dr.Hoppe Physikalisches Praktikum 3. Semester - Optische Systeme - 1

2 Ziel Kennenlernen grundlegender optischer Baugruppen Aufgaben Einige einfache optische Systeme sind auf der optischen Bank aufzubauen und vorzuführen: Projektor Mikroskop Köhlersches Beleuchtungsprinzip Toeplersches Schlierenverfahren Hellfeld- und Dunkelfeldverfahren 1 Projektor 1.1 Aufbau: 1.2 Durchführung und Funktionsweise Ein Projektor (lat. proicere vorwärtswerfen, hinwerfen ) ist ein optisches Gerät, das ein vergrößertes Bild eines Gegenstandes auf einer Projektionsfläche erzeugt, dabei sollte dieses Bild eine hohe Qualität und gute Ausleuchtung aufweisen. Der prinzipielle Aufbau eines Projektors, ist relativ simpel. Hinter einer Lichtquelle, wird ein Kondensor aufgebaut. Dieser besteht aus 2 plankonvexen Linsen, die einander die konvexe Seite zuwenden (dadurch geht weniger Licht durch Reflexion verloren). Wir haben in unserem Aufbau 2 Linsen der Vergrößerung 120 verwendet. Die Aufgabe des Kondensors besteht darin, möglichst viel Licht von der Lichtquelle einzusammeln. Zu diesem Zweck, wird die erste Linse (Kollektor) möglichst nahe an der Lampe aufgestellt. Die exakte Position wird dadurch bestimmt, dass die erste Linse des Kondensors ein paralleles Strahlenbündel erzeugt. Dies lässt sich annähernd dadurch erreichen, dass die Lampe im Brennpunkt der Linse steht. Die zweite Linse (Kondensor) kann nun in einem beliebigen Abstand zum Kollektor aufgestellt werden. Um den Aufbau kompakt zu halten, haben wir sie realtiv 2

3 dicht hinter der ersten Linse platziert. In industriellen Ausführungen eines Projektors wird zwischen Kollektor und Kondensor häufig ein Wärmefilter zum Schutz des Objektes eingebaut. Dieser Filter wird zw. diesen beiden Linsen aufgebaut, da hier die Leistung pro Fläche am geringsten ist. Somit wird der Filter nicht übermäßig stark strapaziert. Hinter diesem System aus Kollektor und Kondensor, wird im Brennpunkt des Kondensors das Objektiv platziert. Unter einem Objektiv, versteht man ein sammelndes optisches System, das eine reelle optische Abbildung eines Objektes erzeugt. Wir haben als Objektiv eine Sammellinse verwendet. Zwischen Objektiv und Kondensor befindet sich das Objekt, in unserem Versuchsaufbau handelte es sich um ein Dia. Dieses wird nun auf einem Schirm, der sich hinter dem gesamten Aufbau befindet, abgebildet. Um das Bild scharf zu stellen, wird das Objektiv verschoben. Bevor wir einen solchen Projektor jedoch aufbauen konnten, mussten wir erst alle Bauelemente auf die optische Achse ausrichten. Hierzu diente uns ein Justierkreuz, welches am Arbeitsplatz vorhanden war. Nachdem wir dies im ausreichenden Maße getan hatten, war es uns möglich anhand unseres Aufbaus die prinzipielle Funktionsweise eines Projektors nachzuvollziehen. 2 Mikroskop und Köhlersches Beleuchtungsprinzip Ein Mikroskop dient der starken Vergrößerung eines Gegenstandes und erzeugt ein rellen umgekehrtes vergrößertes Bild. 2.1 Aufbau Mit folgendem Aufbau wurde das Funktionsprinzip eines Mikroskops untersucht: 1) = lampe 2) = Kollektor 3) = Leuchtfeldblende 4) = Aperturblende 5) = Kondensor 6) = Objekt 7) = Objektiv 8) = Schirm 3

4 2.2 Köhlersche Beleuchtungsprinzip Das klassische Mikroskop besteht dabei immer aus einem Objektiv und einem Okular, welches das relle Zwischenbild vor dem Auge noch einmal vergrößert. Das Okular wurde bei uns der einfachheithalber weggelassen und das Bild unmittelbar auf einen Schirm projeziert. Das Köhlersche Beleuchtungsprinzip dient dazu, zu vergrößernde Gegenstände optimal zu beleuchten für optimale Vergrößerung und Schärfe. Dabei kann mittels der Leuchtfeldblende und der Aperturblende, die Größe des beleuchtenden Bereich eingestellt werden und die Intensität des zu beleuchteten Bereiches. Der beleuchtete Bereich kann durch die Leuchtfeldblende geregelt werden, während eine Intensitätsvariation mit der Aperturblende erfolgt. 2.3 Durchführung und Funktionsweise Der Kollektor bündelt, wie schon beim Projektor das Licht. Der Kollektor stellt eine Sammellinse dar, auf der eine Leuchtfeldblende folgt, mit der die Größe des ausgeleuchteten Bereiches eingestellt werden kann. Anschließend folgt die Aperturblende. Der Aufbau erfolgt so, dass die Glühwendel bereits scharf auf dem Schirm abgebildet werden kann. Die Aperturblende wird so aufgestellt, dass sie im Brennpunkt der folgenden Linse, dem Kondensor, steht. Dadurch wird sichergestellt, dass das Bild der Blende ins Unendliche projeziert wird und somit eine Veränderung der Aperturblende, keinen Einfluss auf die Größe des beleuchteten Bereiches hat. Hinter dem Kondensor verlaufen die Lichtstrahlen parallel. Variiert man die Aperturblende weiter, erhält man diffuses Licht. Dies wird benutzt, um kleine Strukturen des Objektes scharf abbilden zu käonnen. Die anschließenden Bauelemente dienen der Funktion des Mikroskops. Das Objekt wird zwischen einfache und doppelte Brennweite des Objektivs gestellt. Hinter dem Objektiv entsteht so ein relles ungekehrtes Bild. 2.4 Auswertung Sämtliche Effekte des Köhlerschen Beleuchtungsverfahren konnten nachgewiesen werden. 3 Toeplersches Schierenverfahren - Hell- und Dunkelverfahren Mit dem Toeplerschen Schlierenverfahren kann man Dichteunterschiede von Flüssigekeiten sichtbar machen. Unterschiedliche Dichten führen zu unterschiedlichen Brechzahlen der Materialen. Licht wird demzufolge in Abhängigkeit von der Dichte unterschiedlich gebrochen. 4

5 3.1 Aufbau 1) = lampe 2) = Blende 3) = Kollektor 4) = Küvette 5) = Kondensor 6) = Objekthalter 7) = Schirm 3.2 Durchführung und Funktionsweise Mithilfe der Blende wird ein Lichtstrahl erzeugt, der parallel durch die mit destilliertem Wasser gefüllte Küvette geht. Die Kondensor-Linse wird nun so verschoben, bis die Küvette scharf auf dem Bildschirm abgebildet wird. Da destilliertes Wasser nahezu durchsichtig ist und ein Scharfstellen somit kaum möglich ist, kann z.b. ein durchsichtiges Lineal benutzt werden, welches direkt hinter der Küvette gehalten wird. Es entsteht ein scharfes Bild in Form eines hellen runden Kreises. Hellfeldverfahren: Nun wurde eine Salzlösung (NaCl-Lösung) in das destiellierte Wasser getropft, wodurch es zu einer inhomogenen Dichteverteilung im Wasser kam. Ein Teil der Lichtstrahlen wurde nun vom Schirm weggebrochen, wodurch es zu schwarzen Schlieren auf dem Schirm kam. Dieser Effekt verschwand nach ein paar sekunden, sobald sich die Lösung mit dem Wasser hinreichend vermischt hatte. Dunkelfeldverfahren: Das scharfe Bild (ein runder heller Kreis) wurde nun mit einem Objekthalter auf dem ein schwarzer Punkt eingefärbt ist, verdeckt (so dass möglichst noch eine sehr (!) schwache helle Kontor um den schwarzen Fleck erscheint. Nun wurde ebenfalls NaCl-Lösung in das destillierte Wasser getropft. Ein Teil der Lichtstrahlen wurde somit am dunklen Fleck vorbei gebrochen. Die unregelmäßige Dichtverteilung im Wasser, bewirkt eine Schlierenbildung auf dem Schirm. Nach kurzer Zeit hat sich die Salzlösung vollständig mit dem Wasser vermischt und die Schlieren verschwinden. 3.3 Auswertung Das Schlierenverfahren, sowohl Hell- als auch Dunkelfeldverfahren, konnte erfolgreich durchgeführt werde, so dass Dichteunterschiede sichtbar wurden. 5