PHYSIK A2 WS 2013/14WS 2014/15WS 2019/20
1
Prof. Dr. Manfred Bayer
PHYSIK A2 WS 2013/14WS 2014/15WS 2019/20
2
Dozent: Manfred Bayer
Dienstzimmer: CP1-01-180, Tel. 755-3532
e-mail: [email protected]
Übungen: Erik Kirstein
e-mail: [email protected]
Sprechstunden: Immer!!!
Gelesen wird immer!
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Laserspektroskopie an kondensierter Materie
mit Schwerpunkt auf quantenphysikalischen Fragen
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Informationen zur Vorlesung
Vorlesung Physik A2 (WS 2018/20) / B2 (SS 2020)
für Studierende der Chemie + Chemische Biologie
für Studierende des Informatik, Wissenschaftsjournalismus,
Mathematik und Statistik
Ort: Hörsaalgebäude II, Hörsaal 1
Zeit: Donnerstag: 815 bis 945 Uhr (2 Stunden)
Freiwilliges Angebot:
Mathematische Ergänzung zu Physik A2/B2
Ort: Mathematik M E 2
Zeit: Freitag, 16.15 Uhr (1 Stunde)
Beginn: 18. Oktober 2019
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Die in der Vorlesung verwendeten Folien sowie die Übungsblätter
(ohne Lösungen) sind im Internet unter folgender Adresse zu finden:
Die Files liegen im *.pdf-Format vor.
http://www.e2.physik.tu-dortmund.de
dann: teaching -> ws 2019/20
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Jede Woche ein Übungszettel mit Aufgaben zu aktuellen Themen der
Vorlesung PHYSIK A2
Übungsgruppen:
1-stdg. Übungen in Form von Frontalübungen:
Chemie und Chemische Biologie
Mo, 12:15 – 13.00 Uhr, C HS 3
Do, 14:15 – 15.00 Uhr, HGII / HS4
Fr, 11.15 – 12.00 Uhr, HGII / HS7
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Weitere Übungsgruppen:
2-stdg. Übungen:
Wissenschaftsjournalismus, Mathematik, Statistik et al.
Zeit: Mo, 8.15-9.45 Uhr
Ort: SRG 1 1.004
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Die Übungen können schriftlich ausgearbeitet zur Korrektur abgege-
ben werden!!
Sie können Ihre Übungszettel GEMEINSAM abgeben, d.h. es können sich
ungefähr drei Studierende zum Lösen der Aufgaben zusammenfinden. Es hat
sich durch langjährige Erfahrung herausgestellt, dass das Besprechen (nicht
das sinnlose Abschreiben!) der Aufgaben mit Ihren Kommilitonen sehr stark
beim Verständnis der Aufgaben hilft. Also: Bilden Sie kleine Arbeitsgruppen!
Selbstverständlich korrigieren wir aber auch Einzelabgaben.
Abgabetermin: Donnerstags, bis 12.00 Uhr!
Abgabeort: Briefkästen vor Eingang zu Hörsaalgebäude II
Der Besuch der Übungen ist freiwillig, aber unbedingt ratsam!
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Am Ende jedes Semesters wird eine Klausur geschrieben!
Zudem werden wir eine Liste von Ansprechpartnern veröffentlichen,
die neben der Korrektur Ihrer Übungsblätter für fachliche Fragen zur
Verfügung stehen:
siehe Vorlesungs-Homepage!
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Empfohlene Literatur: PHYSIK A2/B2
• Tipler Physik Spektrum-Verlag• Halliday Physik Wiley VCH
sowie jedes andere einführende Buch.
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Inhalt der Vorlesung A2
1. Einführung
Methode der Physik
Physikalische Größen
Übersicht über die vorgesehenen Themenbereiche
2. Teilchen
A. Einzelteilchen
Beschreibung von Teilchenbewegung
Kinematik: Quantitative Erfassung
Dynamik: Ursachen der Bewegung
Energie, Arbeit + Leistung
Erhaltungssätze: Impuls+Energieerhaltung
Drehbewegung
Schwingungen, harmonischer Oszillator
B. Teilchensysteme
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Mathematik Theorie
Technologiez.B. Elektronik
Optik usw.
Experiment
Messung
Physikalisches
SystemMeßergebnis
Gezielte Fragestellung „Natur“ Antwort
(mathematische Abbildung)
1.1 Methode der Physik
Das physikalische Modell
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Die Mathematik ist unverzichtbares Hilfsmittel
zur quantitativen Behandlung
naturwissenschaftlicher und technischer Probleme.
-> Übungsblatt 1
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Beispiel für Meßgenauigkeiten:
Loschmidt‘sche Zahl L
"Avogadro-Konstante" NA
Millikan (1910) L = (6.064 ± 0.006) ·1023
Loschmidt (1865) L = (0.76 ± ? ) ·1023
Kappler (1931) L = (6.059 ± 0.061) ·1023
ICSU (1973) L = (6.022045 ± 0.000031) ·1023
PTB (1981) L = (6.0221360 ± 0.0000069) ·1023
ICSU (1985) L = (6.0221358 ± 0.0000041) ·1023
Anzahl der Atome pro
Mol einer Substanz
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1.2 Physikalische Größen
Jede physikalische Größe muss durch eine eindeutige
und präzise Messvorschrift definiert werden.
Physikalische Größe = Maßzahl · Maßeinheit
Beispiel: Elektrischer Strom
I = 6.78 ·Ampere = 6.78 A
Das gebräuchlichste Maßsystem ist das SI-System:
„Standard International Units“
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Physikalische Größen hängen oft auf wohldefinierte Weise von anderen
Größen ab. Die Verknüpfung wird durch eine Formel angegeben.
oder in symbolischer Schreibweise2t
sa
Die von der Wahl des speziellen Maßsystems unabhängige Relation
„Weg durch Zeit2“ bestimmt die Dimension der Beschleunigung,
beispielsweise im SI-System zu m/s2.
2Zeit
WeggungBeschleuni Beispiel:
Es lässt sich ein Satz an Basisgrößen definieren,
auf den andere Größen zurückgeführt werden können.
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Basisgrößen und zugehörige Einheiten:
Länge Meter, m
Zeit Sekunde, s
Masse Kilogramm, kg
Temperatur Kelvin, K
Stromstärke Ampère, A
Lichtstärke Candela, Cd
Stoffmenge Mol, mol
Einheiten für zusammengesetzte Größen:
Kraft = Masse ·Beschleunigung [kg m/s2]
= Newton [N]
Dichte = Masse / Volumen [kg/m3]
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1 m ist die Strecke, die das Licht im Vakuum
zurücklegt in (im Prinzip exakt!)Meter
Kilogramm
Sekunde
Ampère
Sekunde2997924581
1 kg ist die Masse des internationalen Kilogrammtyps
(Fehler: m/m 10-9)
1 s ist das 9192631770 fache der Periodendauer
beim Übergang zwischen den Hyperfeinstrukturniveaus
des Grundzustandes von 133Cs (Fehler: t/t 10-14)
1 A ist die Stärke eines konstanten Stromes, der durch
zwei gerade, parallele und unendlich lange Leiter im
Abstand von 1 m fließt und dabei pro Meter Leiterlänge
die Kraft F = 210-7 N erzeugt
(Fehler: I/I 10-6) SI-
Einheiten
Definition der wichtigsten Basiseinheiten
neue SI-Definition!
neue SI-Definition!
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Da die Werte physikalischer Größen
einen extrem großen Wertebereich
überstreichen, führt man Bezeich-
nungen für bestimmte Zehnerpotenzen
ein.
Begriff: Unterschied um eine Größenordnung
= "Faktor 10 Unterschied"
femto, f 10-15
pico, p 10-12
nano, n 10-9
micro, µ 10-6
milli, m 10-3
centi, c 10-2
deci, d 10-1
deca, da 10
hecto, h 102
kilo, k 103
mega, M 106
giga, G 109
tera, T 1012
peta, P 1015
s106
m10
17
26
t
l
1 m
s1
m1
t
l
s10
m10
24
18
t
l
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Genauigkeit von Messungen und Messfehler
Alle Messungen sind mit Fehlern behaftet!
1. Systematische Fehler:
• keine Methode der Behandlung
• werden oft nicht erkannt
• sind schwer abzuschätzen
• können durch Verbesserung desExperiments vermieden werden
Fehler der Meßinstrumente,nicht optimale Auslegung desExperiments in Bezug auf dieFragestellung.
Angabe eines Wertes: statsys xxx
2. Statistische Fehler: Schwankungen der Meßwerte
bei Meßreihen, sind unvermeidbar
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Beispiel für statistische Fehler:
Der Wagen rollt 5 mal vom
Startpunkt die schiefe Ebene
herunter. Mit Hilfe von
Lichtschranken wird jedes
mal die Durchlaufzeit für die
Strecke x gemessen.
Lichtschranken
x
Start
Nr. Zeit t [s]
1 1,34
2 1,29
3 1,31
4 1,33
5 1,28
Meßergebnisse:
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26
n Messungen: n321 ,,,, tttt
Wahrscheinlichster Wert:
n
i
tn
tttn
t1
in21
11
Maß für den Meßfehler: 1. Versuch
01111
11
i
1
i
1
i t
n
i
t
n
i
n
i
n
i
tn
tn
ttn
tn
t Nicht geeignet!
Was ist der richtige Wert ?
Für das Beispiel ergibt sich:
ss
tssssssti
31,15
55,655,628,133,131,129,134,1
5
1
i
Das weiß man nicht! Es kann nur der „Mittelwert“ angegeben werden,
der mit einem gewissen Fehler den „wahrscheinlichsten“ Wert angibt.
t
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2. Versuch:
n
i
n
i
ii ttn
tn
t1 1
222
1
1)(
1
1
Ein Meßwert wird angegeben in der Form:
Messwert = Mittelwert ± Standardabweichung
Der „relative Fehler“ isttt
t
Beispiel: 210202,0
t
t
2222225
1
20026.0)03,0()02,0(0)02,0()03,0( ssssstt
i
i
ssst 026,00255,00026,02
1 2
Daraus folgt der „mittlere quadratische Fehler“ (die Streuung der Werte)
s)01,031,1( tBeispiel:
tt mit
n
i
i ttnn 1
22
)1(
1
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28
1.3 Übersicht über die Themengebiete der
Vorlesung A2 und B2
• Mechanik
• (Thermodynamik)
• Elektrodynamik
• Optik
• (Atomphysik und Quantenmechanik)
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Die (klassische) Mechanik
Newton‘sche Axiome/Gleichungen
1) In einem Inertialsystem bewegt sich ein Körper geradlinig gleichförmig,
wenn auf ihn keine Kraft einwirkt.
2) Die Änderung des Impulses eines Körpers ist durch die Kraft, die auf ihn
wirkt, gegeben.
3) Kräfte treten immer paarweise auf: Wirkt Körper A auf Körper B mit
einer bestimmten Kraft, so wirkt Körper B auf Körper A zurück mit
einer Karft vom gleichen Betrag, aber entgegengesetzter Richtung.
pdt
dF
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Die (klassische) Mechanik
Sie ist die Grundlage aller physikalischen und technischen Phänomene!
Kinematik: Beschreibung der Bewegung
Dynamik: Beschreibung ihrer Ursachen
Die Gravitationskraft zwischen den
Massen bestimmt auch die Bewegung
der Planeten und Gestirne
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31
Die klassiche Mechanik ....
...behandelt die "Alltagsprobleme", zum Beispiel ......
Flugkurve
James BondFlugkurve
des fallenden
Flugzeuges
Schnittpunkt:
möglicher Treffpunkt
falls gleichzeitig ???
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lose Rolle s2
1FF
feste Rolle
Um einen Körper anzuheben, muß
man Arbeit leisten (z.B. mit Hilfe
eines Flaschenzuges). Abhängig von
der Zeit, wird us. Leistung er-
bracht.
Der angehobene Körper hat
danach eine erhöhte
potentielle Energie
Wichtige Begriffe:
Bewegung wird durch das
Ausüben einer Kraft hervor-
gerufen!
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33
v
Um z.B. ein Fahrzeug oder
eine Rakete in Bewegung zu
setzten, muß Energie aufge-
wendet werden.
(Antriebsmotor)
Das Fahrzeug hat dann
kinetische Energie
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34Generator
mechanische
Energie
elektrische
Energie
Umkehrung
durch den
Elektromotor
Energieformen können ineinander umgewandelt werden.
Vielfach liegt Energie zunächst in mechanischer Form vor.
(Wärme, Wasser, Wind)
von grundlegender Bedeutung in Technik
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35
Schwingungen spielen in der Naturwissenschaft und Technik eine
fundamentale Rolle
D
FT
FF
m
x
Beispiel:
Federpendel
2 23 2
x
harmonischer Oszillator
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36
Versuch: Schwingung einer
Stimmgabel
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37
Einsturz der Tacoma Bridge („Galloping Gertie“) am 7. November 1940
Durch Wind wurde die Brücke zu resonanten Schwingungen mit extrem
großen Amplituden angeregt bis zur Zerstörung
Die Resonanz
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38
Die Thermodynamik
Kupferband
ZylinderWerden zwei Körper
mit einer gewissen
Kraft gegeneinander
gerieben, werden sie
warm.
Mechanische Energie
wird in Wärme
umgewandelt.
Beispiel: Bremsen
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Die Thermodynamik
Hauptsätze der Thermodynamik
1. Hauptsatz:
2. Hauptsatz:
Es ist unmöglich, eine zyklisch Maschine zu konstruieren, die
keinen anderen Effekt bewirkt, als Wärme aus einem Reservoir zu
entnehmen und eine äquivalente Menge an Arbeit zu verrichten.
Maximaler Wirkungsgrad
einer Maschine:
3. Hauptsatz
Satz von der Unerreichbarkeit des absoluten Temperaturnullpunkts
AQdU
1
21T
T
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40
Gewicht
Charakterisierung eines Systems:
Temperatur
Thermodynamik: Phänomenologische Thermodynamik
Statistische Mechanik
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41
T1 = const.
T2 = const.
0Q
0Q
1Q
2Q
VV1 V4 V2 V3
p
Periodische, thermodynamische
Prozesse wie z.B. der Carnot-
Prozeß haben eine große tech-
nische Bedeutung
Wärmekraftmaschinen
Beispiel:
Verbrennungsmotor
Phänomenologische Thermodynamik
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42
Zum Verständnis aller
thermodynamischen
Vorgänge braucht man
ein Modell des Gases.
Modell:
Das Gas besteht aus elastischen
Kugeln, die sich ständig bewegen
und gegeneinander sowie gegen
die Begrenzungswände stoßen
Mikroskopisches Verständnis
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Der Druck entsteht durch den Aufprall der Gasmoleküle
auf die Wandflächen.
x
Kolben
Fläche A
F
Gasmoleküle
Zylinder
Studium der Gase
und technische
Anwendung kann
z.B. mit Kolben
und Zylinder erfolgen.
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Im 18. Jahrhundert wurden erste Versuche mit
Reibungselektrizität gemacht, indem man z.B.
Schwefel- und Glaskugeln gerieben hat.
Die Elektrodynamik
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45
Versuche mit Froschschenkeln
Experimente mit Blitzen
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46
t
EjB
t
BE
B
E
000
0
0
Die Maxwell‘schen Gleichungen
(1864)
James Clerk Maxwell
(1831 - 1879)
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Ladungen erzeugen im umgebenden Raum ein elektrisches Feld (Kraftfeld)
elektrische Feldlinien
gleiche Ladungen
++
ungleiche Ladungen
+_
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48
In einem Leiter sind elektrische
Ladungen frei beweglich. Legt
man an solch einen Leiter eine
Spannung, geraten die Ladungen
in Bewegung, es fließt ein Strom.
Häufig benutzt man ein idealisiertes
Ersatzschaltbild für den Stromkreis:
I
U
Leiter
U–
bewegte Ladung q
+
Leiter
Der Leiter erhitzt sich in der Regel.
elektrische Energie Wärme
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Von einem elektrisch ungeladenen
Eisen kann eine Kraftwirkung auf
anderes Eisen ausgehen.
Es wirkt ein Magnetfeld
1F
2F
Anziehung
Je nach Ausrichtung des Magneten
gibt es Anziehung oder Abstoßung
Eisenmagnet
Kompaß-
nadel
F
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50
Strom
I
LeiterFeld B
Ein stromdurchflossener Leiter ist
von einem kreisförmigen Magnet-
feld umgeben.
Ørsted entdeckt 1820 den Zusammen-
hang von Strom und Magnetfeld
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51
Bewegung
Leiterschleife
Magnet
B-Feld
elektrische
Spannung
Wenn man ein Magnetfeld
in einer Leiterschleife
zeitlich verändert, entsteht
eine elektrische Spannung.
„Induktion“
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Technische Anwendung: Der Transformator
A=const.
B
U1
U2
I1
I2
n1
n2
R
PrimärspuleSekundärspule
Eisenjoch
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Im Jahre 1888 machte
Heinrich Hertz erste
Experimente mit
elektromagnetischen Wellen.
Versuchsaufbau von H. Hertz
Funkeninduktor
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3520 km
Erste Funkverbindung zwischen Cornwall (England) und Neufundland
G. Marconi (1901)
Morse Code: = „S“ (success)
Sendeantenne an 4 Masten von 61 m
Empfangsantenne 122 m am Drachen
Marconis Empfangsstation inNeufundland
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55
Strahlungs-richtung
Dipol-
achse
Strahlungscharakteristik
eines Hertz‘schen Dipols
+
_Dipol
beschleunigte Ladungen
erzeugen elektromagnetische
Wellen
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56
Beispiele von
technischen
Antennenanlagen
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57
105104 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1023
Hz][vFrequenz
104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14
m][
700 600 500 400nm
sichtbaresLicht
Mittel-
& Kurz-
welle Lic
htLang-
welle
UKW
und
Fernsehen Rad
ar Mikro-
wellen
Infrarot-
strahlung
Ultra-
violett-
strahlung
Röntgen-
strahlung
Gamma-
strahlung
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Historische Erzeugung von Radiowellen durch Hochspannungsfunken.
Die hohe Spannung baut ein entsprechend
hohes E-Feld auf. Schlägt der Funken über,
bricht innerhalb von ns das Feld zusammen.
Dabei werden die Ladungen stark bescheu-
nigt und strahlen.
Heute wird der primitive Funken durch aktive
Bauelemente (Röhren und Transistoren) er-
setzt.
Weißes Licht enthält EM-Wellen ver-
schiedener Frequenzen = „Farben“
Prisma
GlühdrahtDurch hohe Temperatur
werden die Ladungen in
den Molekülen so stark
zu thermischen Bewegun-
gen (Bescheunigung) an-
geregt, daß sie EM-Wellen
aussenden.
Erzeugung von Licht durch eine Glühbirne
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Das Auge erzeugt mit einer Linse
ein Bild auf der Netzhaut. Die
Brennweite der Linse ist in einem
bestimmten Bereich variabel, um
Nah- und Fernsicht zu ermöglichen.
Bild auf der
Netzhaut
Fernsicht:
r
Nahsicht:
cm25r
Geometrische Optik
Optik: Geometrische Optik
Wellenoptik
Quantenoptik
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60
Reflexion von Licht an glatter Oberfläche
Anwendung:
der Spiegel
Geometrische Optik
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61
Beobachtung der
Lichtbrechung an
einem geraden Stab
im Wasser
Geometrische Optik
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62
Totalreflexion an Grenzflächen (hier: Wasser-Luft)
Totalreflexion
Geometrische Optik
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63
Anwendung:
Das Prinzip der Totalreflexion wird bei Glasfaserkabeln angewendet.
Glasfaser
n1 = 1
n2 > 1
Lichtstrahl
Luft oder
Vakuum
Geometrische Optik
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64fobj fobjfok fok
G
ObjektivOkular
z
Zwischen-
bild
Das Mikroskop
Linsen Geometrische Optik
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65
WellenoptikBeugung
Licht wird durch ein Objekt mit Abmessungen vergleichbar zur Licht-
wellenlänge abgelenkt.
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WellenoptikInterferenz
Bei Überlagerung von kohärenten Licht kann es zur konstruktiven bzw.
destruktiven Interferenz kommen, abhängig von der Relativphase.
Wasserwelle