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Interferenz am Doppelspalt
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Interferenz am Doppelspalt

Frage

Kann man Interferenzphänomene mit allen Lichtquellen erzeugen? Könnte man also ein Interferenzmuster am Doppelspalt beoabachten, wenn man statt eines Lasers eine Glühbirne als Lichtquelle in einem abgedunkelten Raum verwendet?

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Antwort

Ja, man kann Interferenzphänomene mit jeglichen Lichtquellen erzeugen. Jedoch sind die meisten Interferenzphänomene so nicht stabil und lassen sich folglich nicht beobachten. Um ein stabiles Interferenzmuster zu erhalten muss das Licht, welches die Interferenz erzeugt kohärent sein. Das Licht einer Glühbirne ist nicht ausreichend kohärent.

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Frage

Was ist Kohärenz?

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Antwort

Kohärenz ist eine Eigenschaft von Wellen, also auch von Licht. Zwei Wellen sind dann Kohärent, wenn die Phasenverschiebung der beiden Wellen zeitlich konstant ist. Das heißt die Verschiebung der Wellen zueinander verändert sich mit der Zeit nicht. Für Licht bedeutet dies, dass das Licht auch monochromatisch sein sollte.

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Frage

Welche Lichtquellen senden Licht aus, dass ausreichend Kohärent für die Erzeugung von stabilen Interferenzmustern ist?

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Antwort

Laser senden Licht aus, dessen Kohärenz auch für mehrere Kilometer große Interferometer ausreicht. (Siehe z.B. LIGO experiment)
Andere Lichtquellen senden inkohärentes Licht aus.

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Frage

Welche Versuche resultieren in einem Interferenzmuster?

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Antwort

Beugung am Doppelspalt

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Frage

Was führt zu einem hellen Bereich im Interferenzmuster nach Passieren des Doppelspalts?

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Antwort

Überlagerung von Wellenbergen

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Frage

Was ist bei der Wahl von Spaltbreite und Laser beim Doppelspalt zu beachten?

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Antwort

Die Spaltbreite und die Wellenlänge des Lasers sollten für ein möglichst deutliches Interferenzmuster möglichst in der gleichen Größenordnung liegen.

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Frage

Was bildet sich direkt hinter den Öffnungen des Doppelspaltes?

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Antwort

je Spalt eine kreisförmige Elementarwelle

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Frage

Welche Bedingung muss für die Entstehung konstruktiver Interferenz zweier Wellen erfüllt sein?

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Antwort

Zwei Wellen interferieren konstruktiv miteinander, wenn Sie zueinander eine Wellenlängenverschiebung aufweisen, die ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist. Äquivalent dazu ist die Aussage, dass die Wellen keine Phasenverschiebung (oder die Phasenverschiebung ein geradezahliges Vielfaches der Kreiszahl Pi ist. ) zueinander aufweisen dürfen.

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Frage

Beim Doppelspalt beobachtet man Gemeinsamkeiten des Interferenzmusters mit dem Einzelspalt. Welche Gemeinsamkeiten sind dies?

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Antwort

Im Vergleich zum Einzelspalt kommen beim Doppelspalt keine Maxima an Stellen vor, wo sich beim Einzelspalt nicht auch auftreffendes Licht beobachten lies. Dies hat den Grund, dass die Intensitätsverteilung des Lichts beim Einzelspalt die Einhüllende der Intensitätsverteilung beim Doppelspalt bildet. Daraus lässt sich folgern, dass eine Erhöhung der Spaltanzahl mehr Maxima innerhalb dieser Einhüllenden erzeugt. (Siehe Beugungsgitter)

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Frage

Für die Erscheinung des Interferenzmusters beim Doppelspalt sind mehrere Größen wichtig. Erkläre wie die Vergrößerung beziehungsweise Verkleinerung der folgenden Größen das Interferenzmuster eines Doppelspaltes verändern würden: 

  • Spaltbreite
  • Spaltabstand
  • Wellenlänge des Lichts
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Antwort

Vergrößert man die Spaltbreite verschmälert sich die Einhüllende der Interferenzmusters. Verkleinert man die Spaltbreite verbreitert sich die Einhüllende der Interferenzmusters. 


Vergrößert man die Wellenlänge verbreitert sich die Einhüllende und die Interferenzmaxima liegen weiter auseinander. Verkleinert man die Wellenlänge verschmälert sich die Einhüllende und die Interferenzmaxima liegen näher beieinander.


Vergrößert man den Spaltabstand liegen die Maxima und Minima näher beieinander. Verkleinert man den Spaltabstand liegen die Maxima/Minima weiter auseinander.

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Frage

Was macht ein Beugungsgitter im Vergleich zum Doppelspalt aus?

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Antwort

Der Begriff 'Gitter' ist allgemeiner als Doppelspalt und bezeichnet mehrere Spalte die nebeneinander mit gleichem Abstand und gleicher Bereite angeordnet sind. Mit einem Beugungsgitter (auch bekannt als Mehrfachspalt oder Optisches Gitter) kann man ebenso wie mit dem Einzel-/ und Doppelspalt Interferenzmuster erzeugen.

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Frage

Im Kontext von Interferenz an Beugungsgittern findet man oft den Begriff Gitterkonstante. Was bedeutet dieser Begriff?

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Antwort

Die Gitterkonstante ist Vergleichbar mit dem Spaltabstand beim Doppelspalt. Ebenso wie der Spaltabstand ist die Gitterkonstante als Distanz von Spaltmitte zu Spaltmitte zweier benachbarter Spalte definiert. Für ein Gitter ist dieser Spaltabstand bei allen Spalten des Gitters zu ihren Nachbarspalten gleich groß.

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Frage

Im Falle von Materiewellen (z.B. Interferenzexperimente mit Elektronen) oder Interferenzexperimenten mit Röntgenstrahlung hat man oft mit sehr kleinen Wellelängen zu tun (1 Ångström und kleiner). Daher können gewöhnliche optische Gitter mit Gitterkonstanten im Mirkometerbereich keine gut sichtbaren Interferenzmuster mehr erzeugen. Wie kann man dennoch ein sichtbares Interferenzmuster erzeugen?

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Antwort

Da die Atome in Kristallen Abstände im Bereich von einigen Ångström haben eigenen sich Kristallgitter als Beugungsgitter für solche kleinen Wellenlängen.

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Frage

In welcher Relation sollten Spaltabstand und Wellenlänge zueinander stehen um ein gut sichtbares Intereferenzmuster zu erzeugen?

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Antwort

Der Spaltabstand sollte in der selben Größenordnung liegen wie die Wellenlänge

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Frage

Was beschreibt die Interferenz? 

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Antwort

Die Interferenz beschreibt die Änderung der Amplitude bei der Überlagerung von zwei oder mehreren Wellen. Dies geschieht nach dem Superpositionsprinzip.

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Frage

Bei welchen Arten von Wellen können Interferenzerscheinungen auftreten? 

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Antwort

Interferenz tritt bei allen Arten von Wellen auf, also zum Beispiel bei Schallwellen, Materiewellen, Lichtwellen und so weiter. 

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Frage

Es wird eine Strahlung untersucht, bei der Interferenz auftritt. Auf welche Eigenschaft der Strahlung kann aufgrund des Auftretens von Interferenz geschlossen werden? 

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Antwort

Die untersuchte Strahlung ist wellenartig. Das Auftreten von Interferenz gilt in der Physik als Nachweis für die Wellennatur der jeweiligen untersuchten Strahlung. Interferenz ist also eine wellentypische Erscheinung.

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Frage

Wofür kann die Interferenz genutzt werden? 

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Antwort

Genutzt werden kann die Interferenz zur Bestimmung der Lichtwellenlänge. Interferenz wird auch bei Interferometern angewendet, die beispielsweise zu genauen Längenmessungen eingesetzt werden können.


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Frage

Was wird in der Physik unter dem Superpositionsprinzip verstanden?

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Antwort

Unter dem Superpositionsprinzip wird in der Physik eine Überlagerung gleicher physikalischer Größen, die sich dabei nicht gegenseitig behindern, verstanden. 

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Frage

Was beschreibt das Superpositionsprinzip speziell in der Wellenlehre? 

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Antwort

Speziell in der Wellenlehre beschreibt das Superpositionsprinzip die ungestörte Überlagerung, auch Interferenz genannt, mehrerer Wellen des gleichen Typs.

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Frage

Welche zwei Fälle gibt es innerhalb der Interferenz? 

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Antwort

Man unterscheidet innerhalb der Interferenz zwei Sonderfälle – Die destruktive Interferenz und die konstruktive Interferenz.

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Frage

Was ist die destruktive Interferenz? 

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Antwort

Die destruktive Interferenz tritt auf, wenn die Wellenberge der einen Welle genau auf die Wellentäler der anderen Welle treffen. Es entsteht dadurch eine Welle mit kleinerer Amplitude. Haben die beiden Wellen die gleiche Amplitude löschen sie sich gegenseitig aus. 

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Frage

Um welchen Faktor müssen interferierende Wellen verschoben sein, damit es zu einer destruktiven Interferenz kommt? 

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Antwort

Zur destruktiven Interferenz kommt es immer dann, wenn die beiden Wellen um λ/2 gegeneinander verschoben sind.

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Frage

Mit welcher Formel lässt sich der Gangunterschied in Abhängigkeit der Wellenlänge bei der destruktiven Interferenz bestimmen? 

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Antwort

Der Gangunterschied und die Wellenlänge hängen bei der destruktiven Interferenz wie folgt zusammen: Δs=(n−1/2)⋅λ         

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Frage

Was ist die konstruktive Interferenz? 

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Antwort

Die konstruktive Interferenz tritt auf, wenn die Wellenberge der einen Welle genau auf die Wellenberge der anderen Welle treffen. Dabei verstärken sich die beiden Wellen und es entsteht eine Welle mit einer größeren Amplitude. An Orten, wo dies der Fall ist, herrscht also eine konstruktive Interferenz. 

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Frage

Wann kommt es immer zur konstruktiven Interferenz? 

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Antwort

Es kommt immer dann zur konstruktiven Interferenz, wenn der Gangunterschied ein Vielfaches der Wellenlänge ist.

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Frage

Wie hängt der Gangunterschied mit der Wellenlänge bei der konstruktiven Interferenz zusammen? 

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Antwort

Für den Gangunterschied gilt in Abhängigkeit der Wellenlänge: Δs=n⋅λ 

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Frage

Was ist eine Folge der konstruktiven und destruktiven Interferenz und wie nennt man diese?

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Antwort

Abwechselnde Maxima und Minima der Intensität, dort wo jedes Wellenfeld für sich eine gleichmäßige Intensität hatte, sind ein Zeichen für das Auftreten von Interferenz zweier Wellenfelder. Dies ist eine Folge der konstruktiven und destruktiven Interferenz, die auch als Interferenzmuster bezeichnet wird.

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Frage

Welche Eigenschaft müssen zwei interferierende Wellen haben, um eine stabile neue Welle entstehen zu lassen? 

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Antwort

Damit die bei der Interferenz entstehende neue Welle stabil ist, müssen die beiden interferierenden Wellen kohärent sein.

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Frage

Wodurch zeichnet sich eine stabile Welle aus?

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Antwort

 Eine stabile Welle zeichnet sich durch eine zeitlich konstante Amplitude, Wellenlänge, Geschwindigkeit und Frequenz aus.

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Frage

Was passiert, wenn zwei interferierende Wellen nicht kohärent sind? 

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Antwort

Sind die Wellen nicht kohärent, so entsteht eine Welle, deren Eigenschaften nicht konstant sind.


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Was ist ein Doppelspalt? 

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Antwort

Zwei Spalte, in denen jeweils Elementarwellen entstehen, werden Doppelspalt genannt.     

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Frage

Welche drei Arten von Hindernissen gibt es für Wellen? 

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Antwort

Es gibt Einfachspalte, Doppelspalte und Mehrfachspalte.     

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Frage

Was wird beim Doppelspaltexperiment gemacht? 

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Antwort

Beim Doppelspaltexperiment schickt man kohärente Wellen, wie zum Beispiel Licht – oder Materiewellen durch zwei schmale, parallele, nahe beieinanderliegende Spalte. 

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Frage

Was passiert beim Doppelspaltexperiment mit den Wellen und was resultiert daraus? 

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Antwort

An den beiden Spalten entstehen laut dem huygensschen Prinzip neue Elementarwellen. Diese Elementarwellen überlagern sich und bilden beim Auftreffen auf einem Beobachtungsschirm ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Streifen. 

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Frage

Unter welcher Bedingung tritt ein Interferenzmuster beim Doppelspaltexperiment auf? 

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Antwort

Ein Interferenzmuster tritt nur auf, wenn die Wellenlänge der Wellen kleiner ist als der Abstand der zwei Spalte. 

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Frage

Was sind Minima? 

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Antwort

Minima werden die Stellen an dem Beobachtungsschirm genannt, an denen kein Licht ankommt.

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Frage

Welche Art der Interferenz herrscht bei einem Minima vor? 

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Antwort

Bei einem Minima interferieren die Wellen destruktiv. 

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Welche Art von Interferenz herrscht bei einem Maxima vor? 

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Bei einem Maxima interferieren die Wellen konstruktiv. 

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Was ist ein Maxima? 

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Maxima sind die Stellen am Schirm zwischen den Minima, an denen Licht ankommt.

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Frage

Was gilt für die Minima beim Doppelspaltexperiment? 

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Antwort

Die Wellen interferieren destruktiv, wenn der Gangunterschied Δs zwischen dem oberen und dem unteren Randstrahl gleich einem Vielfachen der Wellenlänge plus einer halben Wellenlänge ist. Es gilt daher für die Minima:

Δs=k⋅λ+0,5⋅λ=[(2k+1) / 2]⋅λ

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Frage

Was gilt für die Maxima beim Doppelspaltexperiment? 

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Antwort

Die Wellen interferieren konstruktiv, wenn der Gangunterschied Δs zwischen dem oberen und dem unteren Randstrahl gleich einem Vielfachen der Wellenlänge ist. Daher gilt für die Maxima:

Δs=k⋅λ

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Frage

Welcher Zusammenhang besteht allgemein zwischen dem Winkel α und den Positionen der Minima und Maxima beim Doppelspalt? 

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Es gilt: sinα=Δs/b

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Frage

Was ist bei Abbildungen des Doppelspaltexperiments im Bezug zur Realität zu beachten? 

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Antwort

Die Abbildungen sind nicht maßstabsgetreu. In der Realität arbeitet man bei den Spaltenabständen im Millimeterbereich und die Schirmabstände sind in der Größenordnung von einigen Metern. Der Schirmabstand ist in etwa um einen Faktor 1000 oder 10000 größer als der Abstand der beiden Spalte voneinander. Zudem ist auch der betrachtete Winkel α in Wirklichkeit sehr klein, also in etwa bei 1 Grad. Auch verlaufen die beiden Wellenstrahlen in der Realität beinahe parallel. 

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Frage

Von wem und wann wurde das Doppelspaltexperiment zum ersten Mal durchgeführt? 

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Antwort

Das Doppelspaltexperiment wurde von Thomas Young im Jahr 1802 das erste Mal durchgeführt. 

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Frage

Was ist der Welle-Teilchen Dualismus? 

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Antwort

Mit Teilchen wie Atomen, Elektronen, Neutronen oder Molekülen funktioniert das Experiment ebenfalls. Es können also auch bei Teilchen Interferenzmuster beobachtet werden. Das lässt darauf schließen, dass auch die klassisch nur als Teilchen angesehenen Objekte Welleneigenschaften haben. Dieses Phänomen wird als Welle-Teilchen Dualismus bezeichnet.

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Frage

Wozu wird das Doppelspaltexperiment in der Quantenphysik oft benutzt? 

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Antwort

In der Quantenphysik nutzt man das Doppelspaltexperiment oftmals dazu, den Welle-Teilchen Dualismus von bestimmten Objekten zu demonstrieren. 

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Frage

In welchem Zusammenhang steht der Winkel α speziell zu den Positionen der Maxima? 

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Antwort

Will man den Winkel bei einem Maxima berechnen, so muss man also folgende Formel anwenden:
sinα=(k⋅λ)/b

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Frage

In welchem Zusammenhang steht der Winkel α  speziell zu den Positionen der Minima? 

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Antwort

Will man den Winkel α bei einem Minima berechnen, so braucht man diese Formel: sinα=[(2k+1)/2b]⋅λ

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Frage

Das Interferenzmuster beim Doppelspaltexperiment besteht aus hellen und dunklen Streifen. Wie hängen diese mit den Maxima und Minima zusammen? 

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Antwort

Die hellen Streifen entstehen durch die Maxima, während die dunklen Streifen bei einem Minima entstehen. 

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