Lichtgeschwindigkeit messen

ibo schrieb:
> Licht legt einen bestimmten weg
> zurück -> Trifft auf eine Fotodiode -> erzeugt ein Piek.

Und wie weit soll dieser Weg sein?

ibo schrieb:
> PS: bitte nur ernstgemeinte antworten :D

Dann must du aber in Vorleistung gehen und eine ernsthafte Frage 
stellen!

Aufgabe vorweg:
Rechne doch mal die Zeit aus, die Photonen  brauchen um einen Weg von zB 
einem Meter zurückzulegen. Dann schau die die elektrischen Merkmale zB 
einer Photodiode an.

Und gleich vorneweg.. wenn das ganze für ein Schulprojekt o.ä. gebraucht 
wird, würde ich dir die Drehspiegelmethode empfehlen..

http://de.wikipedia.org/wiki/Drehspiegelmethode

Macht bestimmt was her!

Gruss

Wieso nimmst Du nicht einfach eine Tafel Schokolade und schmeisst sie in 
die Mikrowelle?
(Damit läßt sich auch die Lichtgeschwindigkeit messen.)

Habe ich im Physik Leistungskurs gemacht - funktioniert problemlos. Die 
Schaltung für die LED Pulse hat allerdings damals mein Physiklehrer 
aufgebaut. Wichtig ist, dass der LED Puls sehr kurz ist (ns Bereich).

Unser Versuchsaufbau bestand damals aus der Sende LED, ca. 4-5 m 
Strecke, einem Reflektor ("Katzenauge") und dem 
Empfänger-Phototransistor + Oszi.

Die Schaltung war damals noch diskret ohne uC aufgebaut. Heutzutage 
lassen sich die Peaks gut mit einem kleinen Controller erzeugen.

http://www.didaktik.physik.uni-due.de/veranstaltungen/soe/versuchsberichte/WS1112/Lichtgeschwindigkeitsmessung/MikroelektronischeBestimmungDerLichtgeschw.pdf

Harald Wilhelms schrieb:
> Am besten 299.792,458km. Dann braucht man nicht so viel rechnen.
> Aber vorher nicht vergessen, diese Strecke luftleer zu pumpen. :-)

Na dann wäre der Aufbau doch viel zu einfach ;)

Harald Wilhelms schrieb:
> Am besten 299.792,458km. Dann braucht man nicht so viel rechnen.
> Aber vorher nicht vergessen, diese Strecke luftleer zu pumpen. :-)

Ist sie das nicht zum größten Teil automatisch? ;-)

Ich würde mal beim CERN nachfragen. Die haben sicher auch eine 
Bastelanleitung. Aber ob die Bauteile bei Reichelt und Conrad verügbar 
sind, würde ich stark bezweifeln. Ist halt alles relativ. Wenn dann auch 
noch Neutrinos ins spiel kommen, ist das Taschengelb bald aufgebracht.

Schnapsidee schrieb:
> Ich würde mal beim CERN nachfragen. Die haben sicher auch eine
> Bastelanleitung. Aber ob die Bauteile bei Reichelt und Conrad verügbar
> sind, würde ich stark bezweifeln. Ist halt alles relativ. Wenn dann auch
> noch Neutrinos ins spiel kommen, ist das Taschengelb bald aufgebracht.

Bei der Geschwindigkeitmessung von Neutrinos würde ich mich jetzt 
nicht so sehr auf's CERN verlassen ;-)

Im übrigen braucht man die Lichgeschwindigkeit gar nicht messen. Die ist 
seit langem bekannt. Auch wenn manche behaupten es ginge noch schneller 
als Licht. Mag sein, das ist dann aber kein "Licht" das aus einer 
Glühbirne stammt. Und wenn Du mit Deiner Meßanordnung herausbekommst, 
daß die Lichgeschwindigkeit ja eigentlich höher ist, könnte mancher 
Nörgler noch vermuten, daß was am Meßaufbau nicht stimmt (Kontakte an 
Deinen Glasfasern).

Steffen schrieb:
> und dem Empfänger-Phototransistor + Oszi.

Genau, weil Phototransistoren ja für ihre Eignung für hohe Frequenzen 
bekannt sind :-)
Welche Bandbreite hatte das Oszi? Obwohl für den Fototransistor war es 
bestimmt auch bei 20MHz schnell genug.

Daniel V. schrieb:
> Jungs, seid doch nicht so pesimistisch:
>
> http://www.leifiphysik.de/web_ph09/versuche/09lich...

Damit wird nicht die Lichtgeschwindigkeit gemessen, es wird bestenfalls 
festgestellt das sich Photonen mit Geschwindigkeiten > 0 bewegen.

Hallo ibo,

> PS: bitte nur ernstgemeinte antworten :D
keine Ahnung, wie ernst Deine Frage gemeint ist.

> ich möchte einen Versuch aufbauen mit dem ich die Lichtgeschwindigkeit
> messen kann. Lichtimpulse erzeugen -> Licht legt einen bestimmten weg
> zurück -> Trifft auf eine Fotodiode -> erzeugt ein Piek.
> Impuls erzeugung und Piek an der fotodiode oszilloskopieren -> delta t
> bestimmen s/t=c..

Die üblichen "Laserzollstöcke" benutzen amplitudenmodulliertes Licht 
einer Laserdiode und richten dieses gegen einen Reflektor.
Ein Vergleich der Phasen zwischen der Intensität des gerade gesendeten 
und dem gerade empfangenen Licht führt (bei bekannter 
Lichtgeschwindigkeit und unter Berücksichtigung evtl. Aliasingfehler) 
zur Entfernung des Objektes.

Wenn Du die Weglänge vorgibst, kannst Du natürlich so auch die 
Lichtgeschwindigkeit messen. Das Ganze eignet sich m. E. auch für einen 
Schulversuch.


Gruß,
  Michael

Steffen schrieb:
> Die Schaltung war damals noch diskret ohne uC aufgebaut. Heutzutage
> lassen sich die Peaks gut mit einem kleinen Controller erzeugen.
>
> http://www.didaktik.physik.uni-due.de/veranstaltun...

mit einem 20Mhz Quarz bewegt sich das licht schon 15m bei einem Takt - 
wie will man da etwas sinnvolles messen?

Also trivial ist die Sache nicht aber auch nicht unmöglich, denn man hat 
die Lichtgeschwindigkeit ja schließlich schon gemessen. Wenn du aber von 
Elektronik überhaupt keine Ahnung hast wird es sehr schwer.
Ein kleiner Lösungsansatz will ich gerne geben.
Du nimmst einen Laser (-pointer) und betreibst diesen mit 20MHz. Das 
pulsierende ausgesendete Licht hat dann eine Wellenlänge von ca. 15m. 
Mit einer Fotodiode empfängst du dieses Licht (Fotodioden machen die 
20MHz bei richtiger Beschaltung problemlos mit) Die 20MHz die du auf den 
Laser gibst, wird zusätzlich auf den ersten Kanal eines Oszillsocop 
gegeben. Das Empfangssignal der Fotodiode gibst du auf den zweiten Kanal 
des Oszilloscope. Wenn nun Laser und Fododiode z.B. 5m auseinander sind, 
wirst du eine ganz bestimmte Phasenverschiebung messen. (Ein Großteil 
der Phasenverschiebung kommt von der Schaltung aber das stört hier 
nicht.) Diese Phasenverschiebung merkt man sich. Wenn man jetzt den 
Abstand auf 10m erhöht erhält man eine andere Phasenverschiebung. Die 
Differenz der beiden Phasenverschiebungen hat ihre Ursache in der 
Lichtgeschwindigkeit die damit auch bestimmt werden kann.
Dieses Prinzip wendet man übrigens bei den optischen Abstandsmessern an.

Viel Erfolg

Transi

Wobei, mit einer Fotodiode und einem kleinen Lasermodul könnte man 
direkt etwas erreichen.
2 Spiegel auf einer optischen Bank, so daß der Laserstrahl 9 mal 
reflektiert wird bis er auf die Diode trifft. Einmal mit einem Abstand 
von 10 cm zwischen den Spiegeln messen und einmal mit dem Abstand von 
1m. Da die Verzögerungen durch die Elektronik relativ konstant sind kann 
aus der Differenz (9m = 30 ns) doch schon was ermittelt werden.
Nette Spielerei mit Mechanik und etwas Elektronik.

Streng genommen kann man die Lichtgeschwindigkeit nicht messen. Sie ist 
nämlich definiert.
Was Du mit solch einem Versuchsaufbau misst, ist der Meter.

Aber das ist hier auch nicht das Ziel.

Karl Heinz Buchegger schrieb:
> Ich denke nicht, dass ihr die Lichtgeschwindigkeit gemessen habt.
>
> Beim Tempo der Lichtgeschwindigkeit brauchst du mindestens einen 300MHz
> Taktgeber, damit der auch nur 1 mal Tick macht, während das Licht auf
> einer Strecke von 1 Meter unterwegs ist. Und damit hast du noch gar
> nichts gemessen ausser, das das Licht eine gewisse Zeit braucht und
> nicht instantan am Empfänger ankommt. Für eine richtige "Messung" (die
> den Namen auch verdient) muss der Zeitgeber und der Zähler dann schon
> noch um ein paar Zehnerpotenzen schneller getaktet sein.
>
> Ich denke, was ihr gemessen habt, sind irgendwelche Bauteilwerte, zb die
> Slew-Rate des Empfängers bzw. wie lange es dauert, bis nach Anlegen der
> Spannung das erste mal Photonen aus dem Laser kommen bzw. Überlagerungen
> davon.

Man kann sich dumm anstellen (dann hast Du Recht) oder man kann den 
Aufbau so gestalten, dass alle Laufzeiten eliminiert werden (siehe 
erster Link von Daniel V.). Dann kommt man auf ein vernünftiges 
Ergebnis.

Mi....
Daniel und Michael waren schneller, wenn auch nicht so schnell wie das 
Licht ;-)

gibt nen kleinen 6x6m Spiegel auf dem Mond mit dem wird die Entfernung 
Erde Mond gemessen.
Bau dir nen starken Laser und kauf dir nen Fernrohr dann kannst du sogar 
zählen wie lange das licht braucht;-)
Viel Spass

mahwe schrieb:
> gibt nen kleinen 6x6m Spiegel auf dem Mond mit dem wird die Entfernung
> Erde Mond gemessen.

Zu lange Big Bang Theory gekuckt :D?

Das Problem ist doch, daß die Lichtgeschwindigkeit nur im idealen Vakuum 
definiert und konstant ist, was man (sauteure  Testhardware 
vorausgesetzt) im heimischen Bereich mißt, hat mit 
"Lichtgeschwindigkeit" wenig zu tun.

Man könnte auch ne Fächerscheibe nen Spiegel und nen Laser benutzen. Den 
Laser durch eine Öffnung der Fächerscheibe und auf den Spiegel. Den 
Winkel so einstellen, daß der zurückfallende Laserstrahl von einem Zahn 
abgedeckt wird wenn das Rad sich nicht dreht. Wenn der Laserstrahl bei 
einer ab einer bestimmten Drehzahl durchkommt muß man sich die Drehzahl 
notieren. Je nach anzahl der Zähne und Abstand der Zähne braucht man 
nicht so hohe Drehzahlen wie bei der Drehspiegelmethode. Aus Drehzahl, 
Anzahl der Zähne und Abstand des Spiegels kann man nun die 
Lichgeschwindigkeit schätzen. Oder hab ich irgendwo nen Denkfehler ?

mahwe schrieb:
> gibt nen kleinen 6x6m Spiegel auf dem Mond mit dem wird die Entfernung
> Erde Mond gemessen.
> Bau dir nen starken Laser und kauf dir nen Fernrohr dann kannst du sogar
> zählen wie lange das licht braucht;-)
> Viel Spass

die spiegel sind viel kleiner

http://de.wikipedia.org/wiki/Lunar_Laser_Ranging

und "sehen" tut man leider nichts, es gibt so viele verluste das man 
froh ist wenn ein paar photonen wieder zurückkommen.

Und dann das größte Problem, du muss jemand los schicken und den abstand 
zu messen, sonst kannst du ja schlecht rechnen.

Versuche es mit der Schallgeschwindigkeit.

Kann man sich auch auch ansehen (4. Stunde ab 29:15):
http://timms.uni-tuebingen.de/Browser/Browser01.aspx?path=%2fUniversit%C3%A4t+T%C3%BCbingen%2fMathematisch-Naturwissenschaftliche+Fakult%C3%A4t%2fPhysik%2fVorlesung+Experimentalphysik+I+WiSe+2002-2003%2f


Hauptproblem dürfte die direkte Erzeugung der Pulse im ps-Bereich mit 
einer Laserdiode sein - die verwenden nicht umsonst einen 
kontinuierlichen Laser+Pockelszelle.
Allerdings gibt  auch das Script nicht allzuviel über die verwendeten 
Geräte her.

Wenn man den Artikel auf Wikipedia
http://de.wikipedia.org/wiki/Lichtgeschwindigkeit
gelesen und einigermaßen begriffen hat, sollte man, falls ein Vakuum 
nicht zur Verfügung steht, zumindestens eine Glasfaserverbindung 
zwischen Sender und Empfänger vorsehen. Dann hat man zwar auch noch ca. 
30 Prozent Abweichung. Damit kann man aber wohl leben.

CERN schrieb:
> Wenn man den Artikel auf Wikipedia
> http://de.wikipedia.org/wiki/Lichtgeschwindigkeit
> gelesen und einigermaßen begriffen hat, sollte man, falls ein Vakuum
> nicht zur Verfügung steht, zumindestens eine Glasfaserverbindung
> zwischen Sender und Empfänger vorsehen. Dann hat man zwar auch noch ca.
> 30 Prozent Abweichung. Damit kann man aber wohl leben.

warum sollte man mit dieser abweichung leben, wenn es mit luft nur 0,28% 
sind?

[...]
in bodennaher Luft ist die Lichtgeschwindigkeit etwa 0,28 ‰ geringer als 
im Vakuum (also ca. 299 710 km/s), in Wasser beträgt sie etwa 225 000 
km/s (−25 %) und in Gläsern mit hoher optischer Dichte 160 000 km/s (−47 
%).
[...]

Man kann auch einen modengelockten Pulslaser nehmen und den 
geometrischen Weg vorgeben. Bei 3m Umlaufstrecke ergeben sich 100MHz.

Den Mond als Strecke zu benutzen ist tricky. Erstens ist die Entfernung 
nicht konstant, weder als Entfernung zu einem Punkt auf der 
Erdoberflaeche, noch zum Erzmittelpunkt. Dann braucht man einen 
leistungsstarken Pulslaser, zB einen Kupferdampf, der bringt eine 
Pulsleistung von 10kW bei ns Pulsen. Gesendet wird ueber ein Teleskop, 
empfangen auch. 2m Spiegel duerften das mindeste sein. Und auch dann 
trifft nur jeder x-te Schuss.

CERN schrieb:
> Dann hat man zwar auch noch ca.
> 30 Prozent Abweichung. Damit kann man aber wohl leben.

ibo (Gast) schrieb im ersten Beitrag:
>Hallo,
>
>ich möchte einen Versuch aufbauen mit dem ich die Lichtgeschwindigkeit
messen kann.

Da können wir die Geschwindigkeut auch gleich in 
Sanduhrdrehungen/Vormittag angeben.

Karl Heinz Buchegger schrieb:
> Ich denke nicht, dass ihr die Lichtgeschwindigkeit gemessen habt.

Zugegeben, besonders genau war das damals nicht (ist ca. 10 Jahre her). 
Aber einen Wert in der Größenordnung 3 x 10^8 m/s haben wir schon 
ermittelt. Die Verzögerungen durch die Elektronik haben wir 
weitestgehend durch zwei Messungen eliminiert. Ich meine mich zu 
erinnern, dass durch einen halbtransparenten Spiegel ein Teil des LED 
Pulses direkt auf den Empfänger (was es war, weiß ich nicht mehr sicher) 
geleitet wurde. Damit bekamen wir zwei Pulse auf dem Oszi.

Natürlich kann von einer wissenschaftlichen Messung mit Anspruch auf 
Genauigkeit keine Rede sein, aber für ein Experiment in der 12. Klasse 
ohne Laborequipment war es recht anschaulich.

Karl Heinz Buchegger schrieb:
> Mit einem Tiny der mit 20Mhz läuft.

vor 10Jahren gab es noch keinen Tiny

Laser mit ca. 1MHz modulieren.
Photoverstärker: 
http://blackboard.serverpool.org/Projekte/Photoverst%C3%A4rker.html
Die hälfte des Laserpunktes an der Kante eines Spiegels (oder 
halbdurchlässiger Spiegel) einmal durch den Raum und wieder zurück.
Dann siehst Du am Scope eine Rampenstufe und kurz danach eine zweite.
Das Delta ist die Laufzeitverzögerung.. Bei einem 10m Raum also 66ns.

Karl Heinz Buchegger schrieb:
> Mit einem Tiny der mit 20Mhz läuft?
> Niemals.
Nein - ich hatte ja geschrieben, dass es von unserem Lehrer diskret 
aufgebaut wurde.

Karl Heinz Buchegger schrieb:
> Dann soll er nicht auf ein Paper verlinken, in dem ein Tiny benutzt
> wird.
Stimmt schon - das war ungünstig.

ibo schrieb:
> Piek

Des werd nix, denn wer Peak als "Piek" schreibt, wird gepiekt

LED mit HF betreiben, die HF in einen Kanal eines Scopes einspeisen.
An den anderen Kanal des Scopes eine Photodiode anschließen.
Photodiode solange von der LED wegbewegen bis die beiden Signale 
phasengleich sind.
Danach die Photodiode so lange von der LED wegziehen bis die Signale 
wieder phasengleich sind.
Aus der LED-Frequenz und der zweiten Strecke Lichtgeschwindigkeit 
ausrechnen.

Fertich.

Dass man die Lichtgeschwindigkeit über die Phasendifferenz eines 
modulierten Lasersignals mit einem Referenzsignal messen kann, wurde ja 
schon häufiger erwähnt. Über die Multiplikation zweier Frequenzen im 
MHz-Bereich kann man das letztendlich gemessene Signal in den 
kHz-Bereich bringen, was ein AVR messen könnte. Idee:

Gemessenes Signal:

\omega_1 ist die Modulationsfrequenz, \Delta\phi die Phasenverschiebung. 
Das Signal wird mit einem Signal der Frequenz \omega_2 multipliziert:

Mit einem Additionstheorem wird daraus:

Der erste Summand kann mit einem Tiefpass gefiltert werden. Dann bleibt 
das Signal

Wenn du dein Referenzsignal mit derselben Frequenz \omega_2 
multiplizierst und filterst, hast du zwei Signale im Frequenzbereich 
\omega_1 - \omega_2, z.B. im kHz-Bereich. Die kann dein AVR messen. Da 
du dich nur für die Phasendifferenz interessierst, brauchst du nicht 
einmal den ADC. Einfach mit einem Schmitt-Trigger Sinus -> Rechteck und 
je an einen externen Interrupt vom AVR.

Norbert schrieb:
> Aufgabe vorweg:
> Rechne doch mal die Zeit aus, die Photonen  brauchen um einen Weg von zB
> einem Meter zurückzulegen. Dann schau die die elektrischen Merkmale zB
> einer Photodiode an.Beitrag melden Bearbeiten Löschen

Man sollte die Diode tunlichst niederohmig abschließen und eine kräftige 
Vorspannung (30..40V) in Sperrrichtung anlegen, um die 
Sperrschichtkapazität zu verkleinern. Du wirst dich wundern, wie schnell 
manche dann werden. Statt die Laufzeit zwischen Sender und Empfänger 
direkt zu messen, ist es günstiger die Laufzeitdifferenz zwischen 
verschiedenen Entfernungen zu verwenden.

Jeder, der ein Rigol Oszilloskop für 350€ hat, kann relativ einfach 
Experimente zur Lichtgeschwindigkeit bzw. zur 
Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektrischen Signalen auf Kabeln machen.

Die liegt bei etwa 60% der Lichtgeschwindigkeit.

Aus der Wikipedia, http://de.wikipedia.org/wiki/Koaxialkabel:
"
Ausbreitungsgeschwindigkeit und Verkürzungsfaktor. Die maximal mögliche 
Ausbreitungsgeschwindigkeit ist durch die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum 
gegeben und beträgt 299.792,458 km/s. Das entspricht rund 30 cm pro 
Nanosekunde (30 cm/ns). In der Erdatmosphäre wird die Geschwindigkeit 
durch die Permittivität der uns umgebenden Luft auf etwa 299.700 km/s 
reduziert. In Kabeln verringert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit 
weiter aufgrund der Permittivität des verwendeten Dielektrikums. Zur 
Berechnung verwendet man den sogenannten Verkürzungsfaktor, das ist der 
Kehrwert der Quadratwurzel der Permittivität {\varepsilon_{\rm r}} des 
Kabeldielektrikums, also \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_{\rm r}}}. Für das 
als Kabeldielektrikum oft verwendete Polyethylen (PE) mit 
\varepsilon_{\rm r} = 2,25 ergibt sich ein Verkürzungsfaktor von knapp 
0,67. Damit beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit rund 200.000 km/s 
und die Verzögerungszeit berechnet sich zu ungefähr 5 ns pro Meter Kabel 
(zum Vergleich: im Vakuum nur etwa 3,33 ns/m). Ebenfalls weit verbreitet 
als Isoliermaterial ist Teflon mit einem \varepsilon_{\rm r}\approx 2, 
was zu einer Verzögerungszeit von etwa 4,7 ns pro Meter führt."

Nimmt man also 2 Kanäle des Oszis und einen einfachen 
Rechtecksignalgenerator ( vielleicht tut es schon der Kalibrierausgang 
des Oszis ) und verlängert das Kabel an einem Kanal um 1m sieht man 
schon eine Zeitdifferenz von 5ns.

Das selbe läst sich auch mit LED und Photodiode durchführen. Es ist 
dabei keineswegs eine Pulslänge im Nanosekundenbereich erforderlich.

Harald Wilhelms schrieb:
> Electronics'nStuff schrieb:
>> ibo schrieb:
>>> Licht legt einen bestimmten weg
>>> zurück -> Trifft auf eine Fotodiode -> erzeugt ein Piek.
>>
>> Und wie weit soll dieser Weg sein?
>
> Am besten 299.792,458km. Dann braucht man nicht so viel rechnen.
> Aber vorher nicht vergessen, diese Strecke luftleer zu pumpen. :-)

Naja, der Meßfehler dürfte größer sein, als der Unterschied der 
Lichtgeschwindigkeiten im Vakuum und in Luft.

chris schrieb:
> und verlängert das Kabel an einem Kanal um 1m sieht man
> schon eine Zeitdifferenz von 5ns.

Dann sieht man daß das Kabel mit seinem Kapazitätsbelag und seiner 
Induktivität ein PTn Gleid ist, das deshalb den Impuls verwäscht und 
verzögert.
Ich würde wie oben schon gesagt bei der Laufzeitmessung mittels 
gepulstem Laser und Fotodiode bei unterschiedlichen Entfernungen 
bleiben, statt mir viele andere erst mal zu erklärende Effekte 
einzuhandeln.