lichtgeschwindigkeit experiment kinder

Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Ausbreitungsmedien

Die Lichtgeschwindigkeit ist eine wichtige Naturkonstante. Vor einigen hundert Jahren versuchte Galileo Galilei (1564 - 1642) diese zu bestimmen, indem über Blendenlaternen an zwei Kilometer entfernten Orten Lichtsignale hin- und hergeschickt und gemessen wurden. [1] Aufgrund der allzu großen Messungenauigkeit dieses Verfahrens schlussfolgerte Galilei schließlich, dass sich Licht unendlich schnell ausbreitet. Erst dem Physiker Fizau (1819 - 1896) gelang es dies mit der präziseren Zahnrad-Methode zu widerlegen. [2] Dieser Eintrag befasst sich mit zwei einfachen Verfahren die Lichtgeschwindigkeit bzw. die Ausbreitungsgeschwindigkeiten in verschiedenen Medien zu bestimmen. Zusätzlich bieten sie die Möglichkeit die Brechungsindizes der Medien zu bestimmen. Im ersten Verfahren werden kurze Lichtimpulse von einem Sender über einen Empfänger registriert und mit einem Oszilloskop dargestellt. In dem anderen Verfahren werden Laserimpulse eines handelsüblichen Laser-Entfernungsmessgeräts ausgesandt und über einen Reflektor wieder aufgefangen. Aus der Phasenverschiebung kann man auf die Lichtlaufzeit schließen.

Der didaktische Schwerpunkt liegt hierbei auf der Bedeutung der Messunsicherheiten, wobei Schüler und Schülerinnen lernen sollen, welche Auswirkungen äußere Einflüsse auf Messverfahren und auf Messergebnisse haben können. Ein grundlegendes Verständnis optischer Strahlengänge ist bei der Durchführung von Vorteil, ebenso wie eine gewisse Vertrautheit mit den elektronischen Geräten.

Inhaltsverzeichnis

• 1 Didaktischer Teil
• 2 Versuchsaufbau
• 3 Versuchsdurchführung
• 4 Messergebnisse
• 5 Auswertung der Messergebnisse
• 6 Diskussion
• 7 Sicherheitshinweise
• 8 Literatur
• 9 Siehe auch

Didaktischer Teil

Heutzutage hat der Physikunterricht nicht nur die Aufgabe den Schüler und Schülerinnen physikalisches Fachwissen beizubringen, sondern es soll ein Verständnis entwickelt werden, wie in der Physik Erkenntnisse gewonnen werden und was die zentralen Elemente physikalischen Denkens und Forschens sind. Durch aktives „Physik erleben und betreiben“ sollen sich die Lernenden mit physikalischer Themen kritisch auseinandersetzen und diese reflektieren. (Wiesener et al., 2011/2015 [1] ) Experimentieren im Physikunterricht fördert speziell den Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung. Das Erkennen und Einschätzen subjektiver und objektiver Messfehlerquellen sollen erlernt werden, um anschließend die Verlässlichkeit und Tragweite der gewonnen Erkenntnisse beurteilen und bewerten zu können. Außerdem sollen im Anschluss Überlegungen getroffen werden, ob und wie Messfehler minimiert werden können. Da Messunsicherheiten immer und überall auftreten, sind sie von großer Bedeutung für die Interpretation eines Versuchsergebnisses. In einigen Bundesländern wird mittlerweile vom Rahmenlehrplan eine Thematisierung von Messunsicherheiten gefordert und somit als notwendiger Bestandteil des Physikunterrichts gesehen, wie zum Beispiel im Berliner Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I. (Hellwig, 2012, S.11 [2] )

In den vorgestellten Versuchen zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit sollen die Schüler und Schülerinnen einfache, bekannte Gesetzmäßigkeiten überprüfen und sich anschließend mit dem Messprozess sowie den gewonnen Ergebnissen kritisch auseinandersetzen. Ein besonders ausschlaggebender Faktor für die Messunsicherheit in diesen Experimenten ist der systematische Fehler, verursacht durch den "Menschen". Obwohl dies eigentlich zu vermeiden gilt, kann auch der Mensch selbst zur Ursache von Messabweichungen werden. (Hellwig, 201, S.61 [2] ). So ist besonders auf den Aufbau und die Justierung der verwendeten Geräte zu achten. Die Genauigkeit der horizontalen und vertikalen Ausrichtung der Geräte hat einen erheblichen Einfluss. Besonders der genaue Abstand der Fresnellinse ist zum Reflektor einzuhalten, damit sich die paralell zur optischen Achse einfallenden Strahlen genau auf dem Reflektor schneiden, dem sogenannten Brennpunkt. (Hecht, 2005 [3] ) Eine weitere einflussreiche Messunsicherheit ist das Ablesen am Oszilloskop aufgrund der Breite des Oszilloskopstrahls. Da die aus den Signalen entstehenden Maxima nicht genau an einem leicht abzulesenden Punkt liegen, ist es nur möglich einen Wert in einem gewissen Bereich abzulesen.

Bei dem Millikan-Versuch treten zum Beispiel ebenso für das Messergebnis entscheidende Messunsicherheiten auf (Beitrag von S. Meisel, 2.02.2017). Um die Öltröpfchen in den Schwebezustand zu kriegen, benötigt der Experimentator viel Fingerspitzengefühl. Ebenso die empfindlichen Gerätschaften tragen dazu bei, dass dies schwer zu erreichen ist. Gelingt es ein Tröpfchen für einen Moment schweben zu lassen, muss der Experimentator schnell und genau ablesen, an welcher Stelle dieser Zustand eingetroffen ist. So treten bei diesem Vorgang (u.a.) durch den „Menschen verursachte“ systematische Fehler, wie das die Ableseungenauigkeit, auf.

Diese Art von Messfehlern sind nicht komplett vermeidbar, aber können durch präzises Arbeiten und ständige Nachkontrolle oder durch Messwiederholungen und „Üben“ sowie durch Verwendung eines mathematischen Korrekturfaktors verringert werden (Hellwig, 2012, S.62 [2] ).

Damit sich Schülerinnen und Schüler kritisch mit den Unsicherheiten auseinandersetzen können, muss die Lehrperson sie vorab Schritt für Schritt bewusst an diese Problematiken heranführen. Es ist wichtig, dass am Ende eines durchgeführten Messprozesses die Lernenden verstehen, dass keine Messung 100% exakt sein kein.

Am Ende der Messungen sollten die Schüler und Schülerinnen in der Lage sein quantitativ Experimente durchzuführen und auszuwerten. Sie sollen weiterhin ein Verständnis dafür entwickeln, wie mit Hilfe von experimenteller Forschung neues Wissen erlangt werden kann. (Hellwig, 2012, S.5 [2] )

Versuchsaufbau

Benötigte Materialien, um beide Versuche durchführen zu können:

• Gerätesatz Lichtgeschwindigkeit U8476460 bestehend aus einer Grundeinheit mit enthaltenem Sender (LED mit ca. 30 KHz Pulsfrequenz; 50/ 60 Hz), Empfänger und eingebauter Netzversorgung, Fresnellinse (f = 375 mm) auf Stiel, Triple-Prismen-Reflektor (Mikroprismenspiegel mit einem Durchmesser von ca. 100 mm) auf Stiel sowie 3 gleichlange BNC-Kabel (siehe Betriebsanleitung [3] )
• Laser – Entfernungsmessgerät (Firma Bosch DLE 30 Laser plus, siehe Betriebsanleitung [4] )
• Oszilloskop (Firma UNI-T UTD2052CEL)
• Stativfüße, - stangen, -klemmen, - platte
• Optische Bank (3 m)
• mit Leitungswasser gefüllte Plexiglaswanne (28,8 cm x 15 cm x 13,9 cm; Wanddicke 0,4 cm)
• Acrylglasstab (53,3 cm x 3,4 cm x 3,9 cm)

Die Grundeinheit, die Fresnellinse und der Reflektor werden zur Stabilisierung auf eine optische Bank montiert. Dabei beträgt der Mindestabstand zwischen Grundeinheit und Reflektor 150 cm bei mittiger Linsenstellung. Mit Hilfe des Längeninstruments ist die Entfernung zwischen Grundgerät (Ausgangspunkt ist der Strahlteiler, welcher auf dem Gehäuse der Grundeinheit abgebildet ist) und Reflektor bestimmbar. Die minimale Entfernung von Grundeinheit und Linse (Abstand a) ist etwa f (Brennweite der Linse). Die Entfernung Linse und Reflektor (Abstand b) wäre im Fall a=f unendlich. Über die Formel b= (af)/(a-f) ist die korrekte Position der Linse zu berechnen. Um möglichst optimale Ergebnisse zu erhalten, ist es ratsam auf die Genauigkeit der horizontalen und vertikalen Ausrichtung der Geräte zu achten. Das Oszilloskop wird mit der Grundeinheit über BNC-Kabel, gleicher Länge und Impendanz, wie folgt verbunden:

• Ausgang „A“ der Grundeinheit mit Kanal „CH1/X“ vom Oszilloskop (Lichtlaufzeit zwischen Sender, Reflektor und Empfänger)
• Ausgang „B“ der Grundeinheit mit Kanal „CH2/Y“ vom Oszilloskop (Referenzsignal)
• Ausgang „C“ der Grundeinheit mit Kanal „EXTTrig“ vom Oszilloskop (Strahltriggerung)

Folgende Einstellungen müssen am Oszilloskop vorgenommen werden um die gewünschte Darstellung zu erhalten.

• Mode: Zweikanalbetrieb (Einschalten der Kanäle CH1 und CH2) mit kleiner gleich 100 mV/ DIV
• Ablenkung in ns/ DIV, zum Beispiel 5 ns/ DIV(Über „F3“ und „Scale“ kann von der groben Ablenkungseinstellung in die Feineinstellung gewechselt werden.)
• Triggerung extern

Eventuell müssen die Linse und der Reflektor nach erstmaligen Einschalten der Grundeinheit erneut justiert werden, um einen möglichst hohen Anteil an reflektierten Lichts zu empfangen. Dabei sollte das Empfängersignal auf dem Oszilloskop beobachtet werden, um die Ausrichtung weiter zu optimieren. Hilfreich ist hierbei ein Blick aus der Position des Grundgerätes auf den Reflektor, wobei bei einer optimalen Einstellung der fokussierte Lichtstrahl auf dem Reflektor zu sehen ist. Bis zu einer Entfernung von ca. 8 m wird der rot erscheinende Leuchtfleck gut sichtbar abgebildet.

Mit dem beschriebenen Aufbau lässt sich ebenso die Lichtgeschwindigkeit in den Medien Wasser und Acrylglas bestimmen, wobei das Medium auf eine Stativplatte auf der optischen Bank zwischen Linse und möglichst nah an dem Reflektor montiert wird. Die Wasserwanne sowie das Acrylglas werden längs in den Strahlengang gebracht. Die Wasserwanne wird bis unter den Rand mit Leitungswasser gefüllt. In diesem Versuch betrug die Wasserhöhe ca. 10 cm.

Zum Vergleich kann eine vereinfachte Methode zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit in Leitungswasser und Acrylglas unter Verwendung eines Laser-Entfernungsmessgeräts durchgeführt werden. Das Laser-Entfernungsmessgerät wird so genau wie möglich entlang einer dünnen Linie parallel zu einer Wand (o.ä.) ausgerichtet, wobei die Laseröffnung zur Wand zeigt. Das Medium wird direkt vor den Strahlengang gebracht.

Vgl. mit Versuchsbeschreibung leybold [5]

Versuchsdurchführung

Nach Abschluss des Aufbaus sollte zuerst mit dem Laser-Entfernungsmessgerät die Entfernung zwischen Grundeinheit und Reflektor bestimmt sowie die Linse auf den entsprechenden Abstand zwischen Grundeinheit- Linse bzw. Linse-Reflektor gebracht werden. Nach Einschalten der Geräte müssen die entstandenen Signale(„B“ Referenzsignal und „A“ Lichtlaufzeit) im Oszilloskop so positioniert werden, dass zum Ablesen der Verzögerungszeit sich ihre beiden Maxima auf gleiche Höhe befinden. Dies ist möglich über die Räder „Position“, wobei die Vertikale so eingestellt wird, dass beide Signale möglichst genau symmetrisch zu mittleren Horizontallinie des Schirms sind und über die Feinstellung ihre Maxima genau auf derselben Horizontallinie liegen. Beide Signale werden über den Phasenverschieber möglichst genau zur Deckung gebracht sind. Nach geeigneter Position der Signale wird nun der Abstand der Maxima, welcher der Zeitdifferenz entspricht, abgelesen. Es sollten mehrere Messwiederholungen mit unterschiedlichen Abständen b durchgeführt werden, „um Auskunft über die mit ihnen verbundenen Unsicherheiten zu erhalten“ (Hellwig, 2012 S.18 [2] ). Später können die Mittelwerte der jeweiligen Messungen je Medium bestimmt werden. Um präzise Ergebnisse zu erhalten, sollte grundsätzlich vor jeder Messung die Genauigkeit der Justierung überprüft. (siehe Versuchsbeschreibung leybold [6] )

Bei der Methode mit dem Laser-Entfernungsmessgerät muss darauf geachtet werden, dass das Messgerät während der Messung nicht bewegt wird. Nach Drücken des Knopfes auf dem Messgerät zur Längenmessung erscheint nach ca. 0,5 s das Ergebnis.

Vgl. mit Versuchsbeschreibung leybold [7]

Messergebnisse

In der Tabelle 1 sind die Messergebnisse für die Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien Wasser, Acrylglas und Luft dargestellt.

In der Tabelle 2 sind die Messergebnisse, welche über die Methode mit dem Laser-Entfernungsmessgerät aufgenommen wurden, einzusehen.

Auswertung der Messergebnisse

Es ergeben sich während der Messung verschiedene rechnerisch einzubeziehende Messunsicherheiten. Das Laserentfernungsmessgerät misst Strecken bis auf eine Abweichung von 0,005 m genau. Die Ableseunsicherheit am Oszilloskop wurde auf eine Abweichung von 2 ns geschätzt, welche durch die Breite der Signalmaxima bestimmt wird. Da sich diese Abweichung im selben Zeitbereich befindet wie die gemessenen Zeitdifferenzen, wird dadurch die sich ergebene Unsicherheit der Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. Brechungsindex der Medien Acrylglas und Leitungswasser sehr hoch sein.

In den Tabellen 3 und 4 sind die Berechnungen unter Verwendung der Formel (1) und (2) sowie deren Unsicherheiten dargestellt. Es ist hierbei drauf zu achten, dass die gemessene Strecke d mal zwei multipliziert wird, da der Laserstrahl die Strecke d hin und zurück läuft. Die Unsicherheiten u c Medium sowie u n Medium werden nach den Formeln für die Fehlerfortpflanzung von Unsicherheiten unkorrelierter Größen berechnet (vgl. Müller, 2007, S. 36 Formel (30), (31) [8] ).

In der Tabelle 5 sind die berechneten Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien Wasser und Acrylglas unter Verwendung des Laser-Entfernungsmessgeräts einzusehen. Um mit dem Laser-Entfernungsmessgerät die Ausbreitungsgeschwindigkeit zu bestimmen, wird die in Abbildung 5 dargestellte Formel (3) verwendet, allerdings unter Voraussetzung, dass die Lichtgeschwindigkeit c 0 bekannt ist. Zu beachten ist, das die Strecken wieder mal zwei multipliziert werden müssen. Auch hier werden die Unsicherheiten unter Nutzung der Fehlerfortpflanzung unkorrelierter Größen verwendet (vgl. Müller, 2007, S. 36, Formel (30), (31) [9] ).

In den Tabellen 7 und 8 sind die jeweiligen Mittelwerte der errechneten Ausbreitungsgeschwindigkeit und Brechungsindizes einzusehen.

Passend zum didaktischen Schwerpunktthema Messunsicherheiten, wirken sich in diesem Versuch die Unsicherheiten erheblich auf die Messergebnisse aus. Ein gutes Beispiel um Gesetzmäßigkeiten zu überprüfen und Zusammenhänge klar zu machen, ohne exakte Messergebnisse zu erhalten. Wie in Tabelle 4 (Mittelwertberechnungen in Tabelle 8) zu sehen, liegen die Messergebnisse für das Medium Luft jeweils mit ihren Fehlerintervallen nahe an den Referenzwerten. Bei Betrachtung der Ergebnisse für die Medien Wasser und Acrylglas (vgl. Tabelle 3 und 8) sieht es zwar so aus, dass die Messergebnisse im Vergleich mit dem Referenzwert in einem guten Bereich liegen, aber aufgrund des zu hohen Fehlerintervalls ist darüber keine genaue Aussage zu treffen möglich. Dies liegt an dem hohen Einfluss der Ableseunsicherheit. So hat diese Unsicherheit weniger Einfluss im Medium Licht, aber umso mehr in den anderen beiden. Das liegt an der Berechnung der Unsicherheiten nach der Methode der Fehlerfortpflanzung. Um diesen Fehler in zukünftigen Messungen zu verringern, könnte möglicherweise die Verwendung periodischer statt kurzer Lichtimpulse einen positiven Effekt beitragen. Die sich auf dem Oszilloskop ergebene Sinuskurven könnte bei der Ablesung der Zeitdifferenz vorteilhafter sein. Es können noch weitere Ursachen für die Messunsicherheiten genannt werden. Der Versuchsaufbau ist zwar recht simpel, allerdings sehr empfindlich. Eine nicht genaue Justierung und Einhaltung der exakten Position der Geräte, insbesondere der Medien, führt zu einer Veränderung des Brechungswinkels und des Fokus. Besonders schwierig ist es die exakte, zum Strahlengang parallele Position der Medien beizubehalten. Kleinste Ungenauigkeiten wirken sich auf die Messung aus. Ein weiterer Messfehler könnte aufgrund der kaum bemerkbaren Wellenbewegungen im Wasser entstanden sein, verursacht durch äußere Erschütterungen.

Die Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit in Medien mit Hilfe eines handelsüblichen Laser-Entfernungsmessgeräts erscheint eine sowohl einfachere umzusetzende sowie auch präzisere Methode zu sein. So sind die Fehlerintervalle der Unsicherheiten passend zu den Ergebnissen und schließen die Referenzwerte mit ein (vgl. Tabelle 7). Die rechnerischen, systematischen Unsicherheiten werden hier nur durch das Laser-Entfernungsmessgerät verursacht. Ableseunsicherheiten, wie bei der anderen Methode, welche die Messergebnisse ungenauer machen lässt, treten hier nicht auf. Interessant ist das Ergebnis der Messung Nr. 16. Offensichtlich gibt es hier keinen Bezug zum Referenzwert und passt auch sonst nicht zu den Ergebnissen in der Tabelle 5. Einflussreiche, allerdings nicht rechnerisch mit einbezogene Aufbaufehler könnten hier die Ursache für sein. Um genaue Ergebnisse zu erhalten, muss der Laserstrahl senkrecht auf das Medium treffen. Da hier nur mit bloßem Auge gearbeitet wurde, empfiehlt es sich stattdessen mit entsprechenden Hilfsmitteln, wie Millimeterpapier oder Winkelmessern, zu arbeiten. Mehrere Messwiederholungen würden das Ergebnis präziser machen. Das gesetzte didaktische Ziel ist erreicht worden. Schülerinnen und Schüler führen die Experimente (ggf.) selbstständig durch und werten diese aus. Sie lernen, dass es keine exakte Messung gibt. Unerwartete Messergebnisse fördern das selbstständige und vor allem kritische Denken und regen zu Lösungen an. Das Verständnis physikalischen Denkens und Forschens wird durch das „aktive Physik-Erleben“ intensiver gefördert und jeder Lernende wird aufgefordert selber ein Forscher zu sein.

Sicherheitshinweise

Da es sich hier um einen Versuch mit elektrischen Geräten handelt, ist im Vorhinein zu prüfen, ob die Geräte sicherheitsgemäß funktionstüchtig sind und alle untereinander korrekt verschaltet sind. Der Experimentator sowie alle weiteren Teilnehmer dürfen nicht direkt in den Laserstrahl gucken - auch nicht mit einem Fernglas oder einer Brille. Den Laserstrahl nicht auf Menschen richten

• ↑ Wiesner, Hartmut; Schecker, Horst; Hopf, Martin: „Physikdidaktik kompakt” Aulis Verlag, 2011/ 2015
• ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 Hellwig, Julia "Dissertation: Messunsicherheiten verstehen - Entwicklung eines normativen Sachstrukturmodells am Beispiel des Unterrichtsfaches Physik" Bochum 2012
• ↑ Hecht, Eugene: "Optik" Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 4. Auflage 2005
• Sennewald, Planetwissen: Galileo Galilei  ; http://www.planet-wissen.de/technik/weltraumforschung/astronomie/pwiegalileogalilei100.html [31.03.2017]
• Geboren am: Hippolyte Fizeau  ; https://geboren.am/person/armand-hippolyte-louis-fizeau [31.03.2017]
• leybold: Versuchsbeschreibung von leybold  ; https://www.leybold-shop.at/vp5-6-3-2.html [31.03.2017]
• Manualzz: Betriebsanleitung Gerätesatz Lichtgeschwindigkeit U8476460 https://manualzz.com/doc/8802897/u8476460-230--1000882- [31.03.2017]
• Conrad: Betriebsanleitung Laser – Entfernungsmessgerät http://www2.produktinfo.conrad.de/datenblaetter/800000-824999/811691-an-01-de-Laser_Entfernungsmesser_DLE_30_plus.pdf [31.03.2017]

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Wie schnell ist das Licht? » Die Geschwindigkeit des Lichts erklärt

Hätten Sie gewusst, dass die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum exakt 299792458 Meter pro Sekunde beträgt? Diese atemberaubende Geschwindigkeit spielt eine zentrale Rolle in der Physik und ist die Grundlage für unser Verständnis von Raum, Zeit und Schwerkraft. Doch wie wird die Lichtgeschwindigkeit gemessen und wie wirkt sie sich in verschiedenen Medien aus? In diesem Artikel werden wir die Antworten auf diese Fragen erkunden und mehr darüber erfahren, wie Licht sich im Universum ausbreitet.

Die Lichtgeschwindigkeit , auch als c bezeichnet, ist eine fundamentale Naturkonstante und eine der wichtigsten Konzepte in der Physik. Sie stellt die maximale Geschwindigkeit im Universum dar und nichts kann schneller als das Licht sein. Dabei ist es erstaunlich, wie schnell das Licht wirklich ist. Um sich das Ausmaß vorstellen zu können, stellen Sie sich vor, dass das Licht in einer Sekunde fast 7,5 Mal um den Äquator der Erde reisen könnte.

Die Lichtgeschwindigkeit ist nicht nur eine abstrakte Zahl in der Physik, sondern hat auch praktische Auswirkungen auf unser tägliches Leben und unser Verständnis des Universums. In diesem Artikel werden wir uns genauer mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum , in verschiedenen Medien und ihrer Bedeutung in der Relativitätstheorie von Albert Einstein befassen. Außerdem werden wir sehen, wie die Lichtgeschwindigkeit gemessen wird und welche Rolle sie in unserem Alltag spielt.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Lichtgeschwindigkeit?

Die Lichtgeschwindigkeit beschreibt die Geschwindigkeit, mit der sich Licht ausbreitet. Im Vakuum beträgt sie exakt 299792458 Meter pro Sekunde. Licht breitet sich mit dieser Geschwindigkeit im gesamten Universum aus und ist die absolute Grenzgeschwindigkeit. Nichts kann schneller als das Licht sein. Die Lichtgeschwindigkeit ist eine der wichtigsten Naturkonstanten und spielt eine zentrale Rolle in der Physik.

Um die Bedeutung der Lichtgeschwindigkeit besser zu verstehen, hier ein Vergleich der Lichtgeschwindigkeit mit anderen Geschwindigkeiten :

Wie in der Tabelle zu sehen ist, ist die Lichtgeschwindigkeit extrem schnell im Vergleich zu den Geschwindigkeiten , die wir im Alltag erleben. Nichts im Universum kann schneller als Licht sein.

Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

Im Vakuum beträgt die Lichtgeschwindigkeit exakt 299792458 Meter pro Sekunde. Das Vakuum ist ein Raum, in dem sich keine Teilchen befinden und kein Medium vorhanden ist. Licht breitet sich im Vakuum mit dieser Geschwindigkeit aus und ist dabei konstant. Es spielt keine Rolle, ob die Lichtquelle sichtbares Licht oder unsichtbare elektromagnetische Wellen aussendet. Alle elektromagnetischen Wellen bewegen sich mit dieser Geschwindigkeit im Vakuum.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine fundamentale Naturkonstante und spielt eine zentrale Rolle in der Physik. Es ist die absolute Grenzgeschwindigkeit im Universum und stellt die Grundlage für die spezielle und allgemeine Relativitätstheorie dar. Die Lichtgeschwindigkeit ermöglicht es uns, Raum, Zeit und Schwerkraft besser zu verstehen.

Um das Konzept der Lichtgeschwindigkeit und ihre Bedeutung zu verdeutlichen, betrachten wir die folgende Tabelle:

Wie in der Tabelle dargestellt, kann sich die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien verlangsamen. Im Vakuum breitet sich Licht mit der maximalen Geschwindigkeit aus, während sie in Luft, Wasser und Glas geringer wird. Dies liegt an den unterschiedlichen Eigenschaften und Wechselwirkungen des Lichts mit den Molekülen des Mediums.

Um die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bildlich darzustellen, finden Sie unten eine Illustration:

Mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit können wir auch Entfernungen im Weltraum beschreiben. Ein Lichtjahr beispielsweise entspricht der Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt. Es ist eine enorm große Entfernung, die im Alltag nicht wirklich erfahrbar ist. Es ermöglicht uns jedoch, die Größenordnungen im Universum besser zu verstehen.

In der nächsten Sektion werden wir uns genauer mit der Lichtgeschwindigkeit in anderen Medien befassen.

Lichtgeschwindigkeit in anderen Medien

Die Lichtgeschwindigkeit kann sich je nach Medium, in dem sie sich ausbreitet, verlangsamen. In einem materiellen Medium wie Luft oder Glas ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts kleiner als im Vakuum. Die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium wird durch die Materialeigenschaften, z.B. die Permittivität und die magnetische Permeabilität, beeinflusst.

In Luft beträgt die Lichtgeschwindigkeit etwa 0,28‰ weniger als im Vakuum, in Wasser etwa 25% weniger und in Gläsern mit hohem Brechungsindex bis zu 47% weniger.

Einfluss der verschiedenen Medien auf die Lichtgeschwindigkeit:

Wie in der Tabelle dargestellt, verlangsamt sich die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien. In Luft beträgt sie etwa 99,972% der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, in Wasser etwa 75% und in Gläsern mit hohem Brechungsindex nur noch 53%.

Die Verlangsamung der Lichtgeschwindigkeit in anderen Medien hat verschiedene Auswirkungen und kann beispielsweise zur Brechung des Lichts führen. Die Eigenschaften der Medien bestimmen, wie stark die Lichtgeschwindigkeit beeinflusst wird.

Albert Einsteins Relativitätstheorie und die Lichtgeschwindigkeit

Albert Einstein erkannte die Bedeutung einer universellen Grenzgeschwindigkeit und identifizierte diese als die Lichtgeschwindigkeit. In seiner Relativitätstheorie prägte er das Verständnis, dass Raum und Zeit miteinander verbunden sind und keine Informationen oder Signale schneller als das Licht übertragen werden können. Die Lichtgeschwindigkeit definiert die maximale Geschwindigkeit für kausale Zusammenhänge und bildet die Basis für zahlreiche physikalische Theorien und Berechnungen.

Eine der bekanntesten Formeln, die auf der Lichtgeschwindigkeit beruht, ist die Gleichung E=mc², die die Äquivalenz von Masse und Energie beschreibt. Durch diese Theorie eröffnete Einstein völlig neue Perspektiven in der Physik und legte damit den Grundstein für viele wissenschaftliche Entdeckungen und Technologien, die unser modernes Leben prägen.

Mithilfe der Relativitätstheorie konnte Einstein auch die Gravitationswirkung von Massen erklären und unsere Vorstellungen von Raum und Zeit revolutionieren. Dieser bedeutende wissenschaftliche Durchbruch hat unseren Blick auf das Universum und unsere Existenz darin für immer verändert.

Lichtgeschwindigkeit messen

Um die Lichtgeschwindigkeit zu messen, werden verschiedene Verfahren verwendet. Ein bekanntes Messverfahren ist das Lunar Laser Ranging . Dabei wird ein Laserstrahl auf einen Spiegel am Mond gerichtet und die Zeit gemessen, die das reflektierte Licht benötigt, um zur Erde zurückzukehren. Durch die genaue Messung der Zeitspanne kann die Lichtgeschwindigkeit relativ präzise ermittelt werden.

Weitere Methoden zur Messung der Lichtgeschwindigkeit umfassen das Jupitermond-Verfahren und das Two-Way-Time-Transfer-Verfahren . Diese Methoden ermöglichen es, die Lichtgeschwindigkeit mit hoher Genauigkeit zu bestimmen und tragen zur Weiterentwicklung der Präzision in der Physik bei.

Hinweis: Die genaue Messung der Lichtgeschwindigkeit ist von entscheidender Bedeutung für die Validität vieler physikalischer Theorien und Gesetze, einschließlich der Relativitätstheorie von Albert Einstein.

Lichtgeschwindigkeit im Alltag

Im Alltag nehmen wir die Lichtgeschwindigkeit meist nicht bewusst wahr, da sie für kurze Strecken zu schnell ist. Wenn wir jedoch sehr weit entfernte Objekte betrachten, wie zum Beispiel Sterne am Nachthimmel, können wir eine gewisse Verzögerung des Lichts feststellen, da es eine gewisse Zeit braucht, um diese Distanzen zurückzulegen. In unseren alltäglichen Situationen, wie dem Anschalten des Lichts im Raum, scheint das Licht jedoch sofort präsent zu sein, aufgrund der hohen Lichtgeschwindigkeit .

Beispiele für die Lichtgeschwindigkeit im Alltag

In vielen Aspekten unseres Alltags spielt die Lichtgeschwindigkeit eine wichtige Rolle. Hier sind einige Beispiele:

• Elektrisches Licht: Wenn wir den Lichtschalter betätigen, scheint das Licht sofort im Raum zu sein. Dies liegt daran, dass Licht mit einer Geschwindigkeit von etwa 299792458 Meter pro Sekunde sehr schnell ist.
• Internetkommunikation: Das Senden von Informationen über das Internet erfolgt über Lichtleiterkabel, die Informationen in Form von Lichtimpulsen übertragen. Diese Impulse reisen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und ermöglichen schnelle Datenübertragungen.
• GPS-Navigation: GPS-Geräte nutzen die Laufzeit des Lichts, um die Positionen von Satelliten zu berechnen und genaue Standortinformationen zu liefern.
• Satellitenkommunikation: Satelliten im Weltraum kommunizieren mit Lichtgeschwindigkeit. Die Signale, die von Satelliten ausgesendet werden, erreichen in kürzester Zeit Empfangsgeräte auf der Erde, was eine schnelle und effiziente Kommunikation ermöglicht.

Insgesamt spielt die Lichtgeschwindigkeit eine unsichtbare, aber wichtige Rolle in unserem Alltag. Sie ermöglicht schnelle Kommunikation, präzise Zeitmessungen und viele andere technologische Fortschritte, auf die wir uns tagtäglich verlassen.

Geschwindigkeitsvergleich: Lichtgeschwindigkeit vs. andere Geschwindigkeiten

Die Lichtgeschwindigkeit ist extrem schnell im Vergleich zu anderen Geschwindigkeiten , die wir im Alltag erleben. Menschen bewegen sich mit etwa 10 m/s , Rennwagen mit ungefähr 100 m/s und Schallwellen mit 343 m/s . Im Vergleich dazu breitet sich Licht mit einer Geschwindigkeit von etwa 300.000.000 m/s aus. Nichts im Universum kann schneller als Licht sein.

Geschwindigkeitsvergleich

Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Einheiten

Die Geschwindigkeit des Lichts kann in verschiedenen Einheiten angegeben werden. Im SI-Einheitensystem wird sie in Meter pro Sekunde (m/s) gemessen. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt exakt 299.792.458 m/s, eine fundamentale Naturkonstante.

Um die Lichtgeschwindigkeit in Kilometer pro Stunde (km/h) umzurechnen, ergibt sich ein Wert von etwa 1.080.000.000 km/h . Eine andere gebräuchliche Einheit ist Kilometer pro Sekunde (km/s), wobei die Lichtgeschwindigkeit etwa 299.792 km/s beträgt.

Was ist ein Lichtjahr?

Ein Lichtjahr ist eine astronomische Maßeinheit, die die Strecke beschreibt, die das Licht in einem Jahr zurücklegt. Ein Lichtjahr entspricht etwa 9.460 Milliarden Kilometern. Bei der Betrachtung astronomischer Entfernungen wird häufig von Lichtjahren gesprochen, da die Entfernungen im Weltall so groß sind, dass Kilometerangaben wenig sinnvoll wären.

Kosmische Meilensteine: Wie weit ist ein Lichtjahr?

Die Messung von Entfernungen im Weltraum kann für Astronomen eine Herausforderung sein. Um dabei eine Skala zu nutzen, welche die immensen Distanzen im Universum angemessen darstellt, verwenden sie das Lichtjahr. Ein Lichtjahr ist ein Maß dafür, wie weit das Licht in einem Jahr zurücklegt. Es ermöglicht uns, die Entfernungen zu den Objekten im Weltall besser zu verstehen.

Ein Lichtjahr ist ein beeindruckender kosmischer Meilenstein und entspricht einer Strecke von etwa 9.460 Milliarden Kilometern. Das Licht legt diese unglaubliche Entfernung in einem Zeitraum von einem Jahr zurück. Wenn wir zum Beispiel einen Stern sehen, der 10 Lichtjahre entfernt ist, bedeutet das, dass das Licht, das wir sehen, vor 10 Jahren von diesem Stern ausgestrahlt wurde.

Um die Vorstellungskraft zu beflügeln, stellen wir uns vor, dass das Licht, das wir betrachten, seine Reise bereits vor langer Zeit begonnen hat. Es hat unvorstellbare kosmische Distanzen zurückgelegt, um unsere Augen zu erreichen. Es ist faszinierend zu bedenken, dass das Licht, das wir beobachten, Teil eines vergangenen Ereignisses ist, das zeitlich weit entfernt liegt.

Ein Lichtjahr ist daher nicht nur eine Maßeinheit für Entfernungen, sondern auch ein Einblick in die Vergangenheit des Universums. Es erlaubt uns, die Dynamik des Weltraums und die Beziehungen zwischen den Objekten zu betrachten und zu verstehen. Dieser kosmische Meilenstein unterstreicht die Bewegung, die sich im Universum abspielt, und eröffnet faszinierende Einblicke in das Raum-Zeit-Gefüge.

Die Lichtgeschwindigkeit ist eine fundamentale Naturkonstante, die im Vakuum exakt 299792458 Meter pro Sekunde beträgt. Sie spielt eine zentrale Rolle in der Physik, da sie uns ermöglicht, Raum, Zeit und Schwerkraft zu verstehen. Die Lichtgeschwindigkeit ist die maximale Geschwindigkeit im Universum, und nichts kann schneller als Licht sein. Durch verschiedene Messverfahren kann die Lichtgeschwindigkeit präzise ermittelt werden.

Ein weiteres Konzept, das eng mit der Lichtgeschwindigkeit verbunden ist, ist das Lichtjahr. Diese astronomische Maßeinheit wird verwendet, um Entfernungen im Weltraum zu beschreiben. Ein Lichtjahr entspricht etwa 9.460 Milliarden Kilometern, was verdeutlicht, wie groß die Skala des Universums ist.

In unserem alltäglichen Leben nehmen wir die Lichtgeschwindigkeit oft unbewusst wahr, da sie für kurze Strecken zu schnell ist. Dennoch sind wir indirekt von ihr abhängig, zum Beispiel wenn wir Signale über Funk oder Satellitenübertragungen nutzen. Die Lichtgeschwindigkeit ist eine faszinierende Eigenschaft des Universums, die uns immer noch viele Geheimnisse birgt und ständig weiter erforscht wird.

Wie schnell ist das Licht?

Die Lichtgeschwindigkeit beträgt im Vakuum exakt 299792458 Meter pro Sekunde.

Die Lichtgeschwindigkeit ist eine fundamentale Naturkonstante und beschreibt die Geschwindigkeit, mit der sich Licht im Universum ausbreitet.

Wie ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum?

Im Vakuum beträgt die Lichtgeschwindigkeit exakt 299792458 Meter pro Sekunde.

Wie verhält sich die Lichtgeschwindigkeit in anderen Medien?

Die Lichtgeschwindigkeit kann sich je nach Medium verlangsamen. In Luft beträgt sie etwa 0,28‰ weniger als im Vakuum, in Wasser etwa 25% weniger und in Gläsern mit hohem Brechungsindex bis zu 47% weniger.

Welche Rolle spielt die Lichtgeschwindigkeit in Albert Einsteins Relativitätstheorie?

Albert Einstein erkannte, dass die Lichtgeschwindigkeit eine universelle Grenzgeschwindigkeit ist und dass keine Information oder kein Signal schneller als das Licht übertragen werden kann. Die Lichtgeschwindigkeit ist somit die maximale Geschwindigkeit für kausale Zusammenhänge.

Wie wird die Lichtgeschwindigkeit gemessen?

Die Lichtgeschwindigkeit kann mit verschiedenen Messverfahren gemessen werden, wie zum Beispiel dem Lunar Laser Ranging, bei dem ein Laserstrahl auf einen Spiegel am Mond gerichtet wird und die Zeitspanne gemessen wird, bis das reflektierte Licht zur Erde zurückkehrt.

Wie nehmen wir die Lichtgeschwindigkeit im Alltag wahr?

Im Alltag nehmen wir die Lichtgeschwindigkeit meist nicht bewusst wahr, da sie für kurze Strecken zu schnell ist. Bei sehr weit entfernten Objekten, wie zum Beispiel Sternen am Nachthimmel, können wir jedoch eine gewisse Verzögerung des Lichts feststellen, da es eine gewisse Zeit braucht, um diese Distanzen zurückzulegen.

Wie schnell ist das Licht im Vergleich zu anderen Geschwindigkeiten?

Im Vergleich zu anderen Geschwindigkeiten, die wir im Alltag erleben, ist die Lichtgeschwindigkeit extrem schnell. Menschen bewegen sich mit etwa 10 m/s, Rennwagen mit ungefähr 100 m/s und Schallwellen mit 343 m/s. Im Vergleich dazu breitet sich Licht mit einer Geschwindigkeit von etwa 300.000.000 m/s aus.

In welchen Einheiten kann die Lichtgeschwindigkeit angegeben werden?

Die Lichtgeschwindigkeit wird im SI-Einheitensystem in Meter pro Sekunde (m/s) angegeben. Sie kann aber auch in Kilometer pro Stunde (km/h) oder Kilometer pro Sekunde (km/s) umgerechnet werden.

Ein Lichtjahr ist eine astronomische Maßeinheit, die die Strecke beschreibt, die das Licht in einem Jahr zurücklegt.

Wie weit ist ein Lichtjahr?

Ein Lichtjahr entspricht etwa 9.460 Milliarden Kilometern. Bei der Betrachtung astronomischer Entfernungen wird häufig von Lichtjahren gesprochen, da die Entfernungen im Weltall so groß sind, dass Kilometerangaben wenig sinnvoll wären.

Was ist das Fazit zur Lichtgeschwindigkeit?

Die Lichtgeschwindigkeit ist eine fundamentale Naturkonstante und spielt eine zentrale Rolle in der Physik. Sie ermöglicht uns ein besseres Verständnis von Raum, Zeit und Schwerkraft. Die Lichtgeschwindigkeit ist die maximale Geschwindigkeit im Universum und nichts kann schneller als Licht sein.

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Lichtgeschwindigkeit – Definition und Berechnung einfach erklärt

Erfahre, dass die Lichtgeschwindigkeit die maximale Geschwindigkeit im Vakuum ist. Entdecke, wie Licht in verschiedenen Medien variiert und beeindruckende Beispiele wie die Entfernung zum Mars. Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text!

Inhaltsverzeichnis zum Thema Lichtgeschwindigkeit

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Als Lichtgeschwindigkeit wird die Geschwindigkeit bezeichnet, mit der sich Licht im Vakuum ausbreitet.

• In der Physik gilt, dass sich nichts schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegen kann. Sie ist die größtmögliche Geschwindigkeit.

Die Lichtausbreitung in Medien erfolgt mit einer geringeren Geschwindigkeit als die Ausbreitung im Vakuum.

Quelle sofatutor.com

Wie willst du heute lernen?

Deutlich wird die Schnelligkeit des Lichts bei Gewittern. Donner und Blitz entstehen im exakt gleichen Moment, doch häufig sehen wir den Blitz schon Sekunden, bevor wir den Donner überhaupt hören. Das liegt daran, dass die Lichtgeschwindigkeit deutlich schneller ist als die Schallgeschwindigkeit .

Die folgende Tabelle zeigt, wie lange das Licht von der Erde bis zu verschiedenen Himmelskörpern benötigt.

Die Lichtgeschwindigkeit lässt sich mit modernen Messgeräten messen. Es gibt verschiedene Experimente zur Ermittlung der Lichtgeschwindigkeit. Da jedoch häufig mit gerundeten Werten gearbeitet wird, sind die Ergebnisse ebenfalls nicht ganz genau.

Da das Licht die Strecke zwischen Erde und Mond zweimal zurücklegen muss (einmal von der Erde zum Mond und wieder zurück), müssen wir das beim Einsetzen in die Formel beachten. Die errechnete Lichtgeschwindigkeit beträgt:

Dieser Wert entspricht näherungsweise der Lichtgeschwindigkeit. Die Ungenauigkeiten kommen daher, dass mit gerundeten Werten gearbeitet wurde.

Als Lichtgeschwindigkeit wird die Geschwindigkeit bezeichnet, mit der sich Licht im Vakuum ausbreitet. Sie ist die größtmögliche Geschwindigkeit.

Da die Lichtgeschwindigkeit die größtmögliche Geschwindigkeit ist, kann sich nichts schneller bewegen. Auch die Schallgeschwindigkeit ist deutlich geringer. Aus diesem Grund sieht man bei Gewittern den Blitz, bevor man den Donner hört.

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Messung der Lichtgeschwindigkeit

( Kursstufe > Licht )

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Licht, was fällt einem dazu schon ein? - es is immer da und stört auch nicht wirklich? Weit gefehlt! Es ist eines der interessantesten und wichtigsten Naturphänomene. Die Geschwindigkeit des Lichts ist fast 300000km/S (3*10^8m/s) schnell! In der Zeit in der unsereins seine Masse bei einem Hundertmeterlauf über die 100m Distanz hievt, könnte das Licht theoretisch über 1000 Mal (!) um die gesamte Erde laufen. Faszinierend! Doch noch faszinierender sind die spezifischen Eigenschaften der Lichtgeschwindigkeit. Denn nichts, was wir bis heute kennen und vermutlich auch nichts was wir jemals kennenlernen werden bewegt sich schneller als das masselose Licht. Diese Eigenschaft ist z.B. für die Relativitätstheorie von einschneidender Bedeutung. Doch das auszuführen würde an dieser Stelle zu weit führen. Wichtig festzuhalten ist, dass die Lichtgeschwindigkeit auf keinen Fall eine unwichtige Naturkonstante ist und Licht sich zudem unbegreiflich schnell fortbewegt. Wirklich unbegreiflich? Wie ließe sich denn eine so hohe Geschwindigkeit von dazu noch masselosem(/n) Licht(-quanten) greifbar machen? Oder genauer:

Kann man c auf der Erde messen?

Schon Empedokles hatte sich 450 v.Chr. mit der Lichtgeschwindigkeit auseinandergesetzt. Er hielt sie zurecht für endlich. Den ersten ernsthaften Versuch einer Messung unternahm Galileo Galilei (1564-1642). Er stellte zwei Assistenten auf zwei entfernte Hügel. Jeder hatte eine Lampe in der Hand, vor die er ein Tuch hielt. Der erste der beiden Lampenhalter sollte das Tuch vor der Lampe fallen lassen. Sobald der zweite das Licht der Laterne des ersten sah sollte er sein Tuch ebenfalls von der Lampe wegnehmen. Der erste wiederum sollte feststellen wie viel Zeit vergeht bis er das Licht des anderen sieht. Galilei rechnete die Reaktionszeit der Menschen heraus und kam, für uns heute nicht mehr überraschend zu dem Schluss, dass Licht entweder keine Zeit zur Ausbreitung benötigte oder aber c (die Lichtgeschwindigkeit)zu schnell für diese Art der Messung war. Olaf Romer gab 1669 zum ersten Mal einen durch Messung ermittelten Wert für die Lichtgeschwindigkeit an. Er verschätzte sich zwar um fast ein Drittel, aber dennoch hatte der junge Physikrebell durch seine Beobachtungen des Jupitermondes Io (siehe Bild 7) erstmals eine endliche Lichtgeschwindigkeit nachgewiesen. Hippolyte Fizeau dachte sich die Zahnradmethode aus, um c erstmals auf der Erde zu messen. (Versuchsaufbau siehe Bild 8) Licht fällt durch eine Zahnradlücke auf einen weitentfernten Spiegel, "kommt" von dort zurück zum Zahnrad. Inzwischen hat sich jedoch nächste Zahnradzäpfchen in den vorherigen Spalt für das Licht geschoben. Ein Teil des Lichtes wird abgefangen. Die Intensität lässt nach. Wenn man das Zahnrad immer schneller dreht, sieht man irgendwann gar kein Licht mehr. Das gesamte Licht wird vom nächsten Zahn abgefangen. Dadurch konnte man die Laufzeit von c messen.

Léon Foucault schließlich vereinfachte diesen sehr diffizil zu realisierenden Versuchsaufbau. Das Prinzip bleibt ein ähnliches. Licht wird aus einer Quelle (Laser) emittiert. Es trifft auf einen Drehspiegel in einiger Entfernung. Von dort aus wird es durch eine Linse, die das Licht bündelt auf einen 15m entfernt stehenden Spiegel gelenkt. Das Licht "läuft" zurück, trifft auf den stehenden Drehspiegel und wird direkt in seine Quelle zurückreflektiert. Eine Glasplatte (halbdurchlässig) sorgt dafür, dass der zurückkommende Strahl auf einen Schirm reflektiert wird. Position eins (P1) wird auf dem Schirm festgehalten. Die Versuchsanordnung bleibt beim zweiten Schritt dieselbe. Doch nun versetzt man den Drehspiegel in Bewegung. Das Licht nimmt denselben Weg von der Quelle zum Drehspiegel wie bei (P1) wenn es nun auf den sich drehenden Drehspiegel trifft wird es von dort wie bei einem Leutturm in einer 180° Richtungen (wegen 180° Öffnung) gelenkt. Doch nur von dem Spiegel kommt das Licht zurück, also nur ein kleines "Lichtstrahlpaket". Das durchläuft wieder die Linse und trifft auf den Drehspiegel. In der Zeit in der der Lichtstrahl zum festen Spiegel hin und wieder zum Drehspiegel zurück "geflogen" ist hat sich der Drehspiegel wieder um einen kleinen Winkel weitergedreht. Das Licht wird vom Drehspiegel also nicht mehr direkt auf die Quelle zurück reflektiert, sondern ein bisschen verschoben. Die halbdurchlässige Glasplatte sorgt wieder dafür, dass der Lichtstrahl (nun an einem verschobenen Punkt) auf dem Schirm erscheint. Dieser Punkt wird gemessen. Durch eine hohe Drehzahl des Drehspiegels erreichen wir, dass der Punkt (in P2) am Schirm nicht nur einmal kurz aufleuchtet, sondern für das menschliche Auge ständig vorhanden ist. (Die Frequenz des Drehspiegels messen wir mithilfe einer Stimmgabel, die wir anschlagen. Wir versuchen eine möglichst langgedehnte Schwebung zu erreichen um möglichst die Drehfrequenz zu erreichen, die als Stimmfrequenz auf der Stimmgabel vermerkt ist.) Dieser Versuchsaufbau ist notwendig, weil wir die Geschwindigkeit (Strecke in Abhängigkeit von der Zeit) von etwas suchen, was wir nicht anhalten und selbst fragen :), die Stoppuhr daneben halten oder z.B. wie bei Polizeikontrollen durch Sensoren im Boden (Licht - keine Masse) erfassen können. Der Drehspiegel führt also durch seine von der Zeit abhängigen Stellung die Einheit Zeit in die Formel ein. Die Strecke, wird durch den Festspiegel festgelegt (s.o.).

Die dazugehörige Rechnung findet ihr ganz unten.

Meine Ergebnisse findet ihr auf Bild 14. Zu der Fehlerrechnung sei noch vermerkt, dass sich herausgestellt hat, dass ich die Messungenauigkeit des Lichtpunktes auf dem Schirm überschätzt und dafür die Messungenauigkeit der Frequenz unterschätzt habe.

Um nocheinmal auf die Eingangsfrage zurückzukommen:

Ja, man kann und zwar sehr gut. Die von mir mithilfe der Foucaultschen Drehspiegelmethode gewonnenen Ergebnisse sind überraschend genau! Auch wenn man heute im Labor viel genauer messen kann sind Abweichungen von 2 bis 14% vom der tatsächlichen Vakuumslichtgeschwindigkeit äußerst klein.

Geschwindigkeit gleich Strecke pro Zeit LaTex: v=s/t In diesem Fall LaTex: v=c

LaTex: c=s/t

Die Strecke s ist in diesem Fall gleich der Messtrecke Drehspiegel -fester Spiegel. Die Messtrecke wird 2x durchlaufen, hin und zurück. Daher: Siehe Bild 13 LaTex: s=2(a+b)

LaTex: c=(2(a+b))/t

Für die Bestimmung der Zeit haben wir den Drehspiegel eingebaut. Er dreht sich mit der Winkelgeschwindigkeit LaTex: \omega. LaTex: \omega=\Delta\alpha / \Delta t Umgeformt und eingesetzt ergibt das:

LaTex: c={(2(a+b)\omega) \over (\Delta \alpha)

Der Unterschied zwischen den beiden Winkeln (Delta Alpha) in P1 und P2 ist mir noch nicht bekannt. Da ich aber Delta S, also die Entfernung zwischen den beiden Lichtpunkten am Schirm gemessen hab und alpha ziemlich klein ist, kann ich einen Strahlensatz konstruieren: Entfernung zwischen den beiden gemessenen Lichtpunkten verhält sich zum Kreisbogen (Radius r = Entfernung Drehspiegel - Schirm, oder wie in der Abbildung auf Bild 10 vereinfacht dargestellt Drehspiegel - Quelle) wie 2mal der Winkelunteschied zum Einheitskreis. (Warum 2alpha relativ einleuchtend, wenn man sich die Schemazeichnung nocheinmal anschaut.) LaTex: {(2\Delta\alpha)\over (2\pi)}={(\Delta s)\over(2\pi r)}

Umgeformt nach delta alpha und in die Formel eingefügt ergibt das dann:

LaTex: c={(4(a+b)r\omega) \over (\Delta s)

Wir haben die Frequen gemessen: LaTex: \omega=2\pi f

LaTex: c={(8(a+b)r\pi f) \over (\Delta s)

Tada :), das ist die Formel, für die wir uns alle Angaben durch unseren Versuchsaufbau besorgen können!

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• 5.2 Ausbreitung des Lichtes in Stoffen und im Vakuum
• 5.2.1 Die Lichtgeschwindigkeit

Die Lichtgeschwindigkeit und ihre Bestimmung

Das Licht breitet sich im Vakuum in allen Richtungen und unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit der Lichtquelle oder des Lichtempfängers mit einer Geschwindigkeit von 299.792,458 km/s aus. Das ist zugleich die größte Geschwindigkeit, mit der sich Informationen ausbreiten können. Die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist eine grundlegende Naturkonstante. Sie wird heute auch genutzt, um die Einheit 1 m zu definieren, die eine Basiseinheit des Internationalen Einheitensystems ist. In Luft breitet sich Licht näherungsweise mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit aus, in anderen Stoffen ist die Lichtgeschwindigkeit kleiner.

Das Licht breitet sich im Vakuum in allen Richtungen und unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit der Lichtquelle oder des Lichtempfängers mit einer Geschwindigkeit von 299.792,458 km/s aus. Die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum ist eine grundlegende Naturkonstante der gesamten Physik.

Messung der Lichtgeschwindigkeit

Wegen ihres sehr großen Zahlenwertes war es lange Zeit nicht möglich, die Größe der Lichtgeschwindigkeit zu messen. Einige Physiker glaubten irrtümlich sogar, das Licht könne sich mit unendlich großer Geschwindigkeit ausbreiten. Als erstem Wissenschaftler gelang dem dänischen Gelehrten OLAF RÖMER (1644-1710) die Ermittlung der Lichtgeschwindigkeit. Allerdings gründete sich seine Bestimmung nicht auf ein physikalisches Experiment, sondern auf astronomische Beobachtungen:

RÖMER war bei langjährigen Beobachtungen der Verfinsterungen des Jupitermondes Io aufgefallen, dass diese zeitlichen Schwankungen unterliegen. Solche Verfinsterungen ereignen sich, wenn Io in den Jupiterschatten eintritt und damit für den irdischen Beobachter nicht mehr sichtbar ist. Eigentlich hätte man erwarten sollen, dass diese Verfinsterungen in genau periodischen Zeitabständen wiederkehren, denn sie werden schließlich durch die Stellung von Jupiter, Sonne und Io bestimmt, die ihrerseits den strengen Gesetzen der Himmelsmechanik unterliegt.

RÖMER vermutete, dass der beobachtete Zeitunterschied als „Verspätungseffekt“ beim Eintreffen des Lichtsignals von Io auf der Erdoberfläche gedeutet werden kann. Dieser kommt zustande, weil der Lichtweg bis zur Erde auch von der Stellung der Erde bezüglich des Jupitersystems abhängt, die sich im Laufe eines Jahres mit der Bahnbewegung der Erde um die Sonne ändert. Diese Vermutung bedeutete jedoch ebenfalls, dass die Lichtgeschwindigkeit einen zwar hohen, aber dennoch endlichen Zahlenwert haben musste, denn die „Lichtverspätung“ wäre bei unendlich hoher Lichtgeschwindigkeit ja nicht aufgefallen. Aus seinen Beobachtungen konnte RÖMER die Lichtgeschwindigkeit von 214.000 km/s errechnen.

Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit durch RÖMER

Die erste Messung der Lichtgeschwindigkeit auf der Erde gelang den französischen Physiker HIPPOLYTE FIZEAU (1819-1896). Die nebenstehende Abbildung zeigt seine Versuchsanordnung. Als Strecke wählte er 8.633 m. Das Zahnrad hatte 720 Zähne. Das Licht wurde von der Lichtquelle über den halbdurchlässigen Spiegel zwischen zwei Zähnen des Zahnrades hindurch auf den Spiegel gelenkt, dort reflektiert und gelangte durch die gleiche Lücke des Zahnrades hindurch auf den halbdurchlässigen Spiegel zum Auge des Beobachters. Wurde das Zahnrad in immer schnellere Umdrehungen versetzt, so trat bei einer Drehzahl von 12,6 Umdrehungen pro Sekunde eine Verdunklung auf. Das Licht hatte nun offenbar nicht mehr den Durchtritt durch die Lücke geschafft sondern traf auf einen Zahn des Zahnrades. Aus seinen Untersuchungsergebnissen ermittelte FIZEAU im Jahre 1849 einen Wert für die Lichtgeschwindigkeit von 313.350 km.

Ein anderer französischer Physiker, LEON FOUCAULT , (1819-1868) entwickelte FIZEAUs Methode weiter und ersetzt das Zahnrad durch einen Drehspiegel. FOUCAULT ermittelte für die Lichtgeschwindigkeit einen Zahlenwert von 298.000 km/s. In den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts gelang dem Amerikaner ALBERT ABRAHAM MICHELSON (1852-1931), die Drehspiegelmethode weiter zu verfeinern. MICHELSON ermittelte im Jahre 1927 die Lichtgeschwindigkeit zu (299.796 ± 4) km/s. Dieser Zahlenwert hatte für längere Zeit Gültigkeit. Noch genauere Bestimmungen der Lichtgeschwindigkeit wurden mit Interferometern vorgenommen. Heute gilt als verbindlicher und international festgelegter Wert für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum:

c = 299.792.458 m/s

Berechnung der Lichtgeschwindigkeit

Zur Berechnung der Lichtgeschwindigkeit stehen verschiedene Gleichungen zur Verfügung. Da es sich beim Licht um elektromagnetische Wellen handelt, kann man seine Ausbreitungsgeschwindigkeit mithilfe der Gleichung zur Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen ermitteln. Diese Gleichung lautet:

c = λ ⋅ f λ Wellenlänge f Frequenz

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit kann auch anders bestimmt werden. Sind ε 0 die elektrische Feldkonstante und μ 0 die magnetische Feldkonstante, dann gilt für die Vakuumlichtgeschwindigkeit:

c = 1 ε 0 ⋅ μ 0

Für die Lichtgeschwindigkeit in Stoffen muss die obige Gleichung durch die Permeabilitätszahl μ r und die Permittivitätszahl (Dielektrizitätszahl) ε r ergänzt werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit berechnet sich dann mithilfe der Gleichung:

c = 1 ε 0 ⋅ ε r ⋅ μ 0 ⋅ μ r

Abgesehen von diamagnetischen Materialien, deren Permeabilitätszahl etwas kleiner als 1 ist, besitzen die Stoffe Permeabilitätszahlen und Dielektrizitätszahlen, die größer als 1 sind. Daher ist in allen Stoffen die Lichtgeschwindigkeit auch immer kleiner als im Vakuum.

Werte für die Lichtgeschwindigkeit In der nachfolgenden Übersicht sind einige Werte für Lichtgeschwindigkeiten in verschiedene Stoffe angegeben.

Die Lichtgeschwindigkeit gilt heute als so genau bestimmt, dass man sie international 1983 als Grundkonstante festgelegt hat und z.B. für die Definition von Einheiten nutzt. Dabei geht man von dem oben bereits genannten Wert c = 299.792.458 m/s aus. Die Einheit 1 m, eine Basiseinheit des Internationalen Einheitensystems , wurde folgendermaßen festgelegt:

Ein Meter ist die Länge der Strecke, die das Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299.792.458 Sekunden durchläuft.

Versuchsanordnung von FIZEAU zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit auf der Erde

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Physik Libre

16.1 lichtgeschwindigkeit.

In Bild 16.2 siehst du einen Laserstrahl. Er breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, so wie jede elektromagnetische Welle.

Bild 16.2: Laser in der Astronomie

Licht hat eine unglaublich große Geschwindigkeit von rund \(c_0 = 3\cdot 10^{8}\;\mathrm{m/s}\) (dreihundert Millionen) im Vakuum (exakt \(299\,792\,458\;\mathrm{m/s}\) ). Die Lichtgeschwindigkeit ist nicht nur unglaublich schnell, die intensive Beschäftigung mit ihr hat auch zu einem neuen Zweig der Physik geführt.

In diesem Kapitel geht es um die Messung der Lichtgeschwindigkeit, die Frage, in welchem Medium sich elektromagnetische Wellen ausbreiten und was eigentlich „messen“ genau bedeutet.

• Video: Riding Light - Reise eines Lichtphotons in Echtzeit

16.1.1 Astronomische Aberration

Beobachtest du einen Stern in Richtung des Ekliptik-Pols , scheint dieser sich im Laufe eines Jahres entlang eines Kreises zu bewegen. Diese Abweichung von der tatsächlichen Sternposition wird astronomische Aberration (engl. astronomical aberration , von dem lateinischen Wort aberratio für „Ablenkung“) genannt. Die Ursache dafür ist die Bewegung der Erde um die Sonne (Bild 16.3 ).

Bild 16.3: Astronomische Aberration im Laufe eines Jahres

Stell dir eine Person im Regen vor (Bild 16.4 ). Steht die Person still und fällt der Regen senkrecht, wird sie bei einem gerade gehaltenen Regenschirm am wenigsten nass (a). Sobald die Person läuft, muss sie auch die Neigung des Regenschirms anpassen, um so wenig wie möglich nass zu werden (b). Aus der Sicht des Läufers kommen ihm die Regentropfen entgegen (c). Das letzte Bild entspricht dem Erdbeobachter. Der Regen entspricht den Lichtteilchen und die Neigung des Schirms der Neigung des Fernrohres.

Bild 16.4: Analogie zur Aberration - Läufer im Regen

Der Winkel der Aberration hängt sowohl von der Geschwindigkeit der Erde um die Sonne \(v\) als auch von der Lichtgeschwindigkeit \(c\) ab. James Bradley nutzte diesen Zusammenhang Anfang des 18. Jahrhunderts, um die Größe der Lichtgeschwindigkeit abzuschätzen. Da winzige Fehler in der Winkelmessung zu großen Fehlern in der Berechnung der Geschwindigkeit führen, war die Abschätzung nur sehr ungenau. Aber alleine die Tatsache, dass es zu einer Aberration kommt, zeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich sein muss.

16.1.2 Messung der Lichtgeschwindigkeit nach Foucault

Mitte des 19. Jahrhunderts baute Léon Foucault die Anordnung in Bild 16.5 zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit.

Bild 16.5: Versuchsaufbau zur Messung der Lichtgeschwindigkeit (Foucault)

Bei dieser Apparatur trifft ein Lichtpuls durch Spalt \(S\) auf einen rotierenden Spiegel \(R\) und reflektiert ihn auf einen fixen Spiegel \(M\) . Dort wird der Lichtpuls zurück reflektiert. Hat sich der Spiegel \(R\) zwischen den beiden Reflexionen um den Winkel \(\theta\) gedreht, trifft der Lichtpuls um den Winkel \(2\cdot\theta\) abgelenkt auf den Detektor.

Bezeichnen wir den Abstand zwischen den Spiegeln mit \(h\) , beträgt die Zeit \(t\) zwischen der ersten und zweiten Reflexion am rotierenden Spiegel \(2h/c\) , wobei \(c\) die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet. Wenn sich der Spiegel mit der konstanten Winkelgeschwindigkeit \(\omega\) dreht, überstreicht er in der Zeit \(t\) den Winkel \(\theta =\omega\cdot t\) . Einsetzen liefert

\[ \theta =\omega\cdot t = \omega\cdot\left(\frac{2h}{c}\right) \]

Durch Umformen erhältst du

\[ \begin{aligned} \theta = {} & \omega\cdot\frac{2h}{c} &&\Bigr\rvert\cdot \frac{c}{\theta} \\ c = {} & \omega\cdot\frac{2h}{\theta} \\ \end{aligned} \]

Mit einem Abstand von \(h=20\;\mathrm{m}\) zwischen den Spiegeln, erhielt er den Wert \(298{.}000\;\mathrm{km/s}\) für die Lichtgeschwindigkeit – einen sehr exakten Wert, der nur etwa \(0{,}6\,\%\) vom aktuellen Wert abweicht!

16.1.3 Beobachten, nicht nur sehen

Die Lichtgeschwindigkeit ist zwar endlich, aber extrem groß. Die Lichtlaufzeit – die Zeit vom Aussenden des Lichts bis zum Eintreffen auf unserer Netzhaut – spielt bei unserer Wahrnehmung im Alltag keine Rolle. Wenn du den Lichtschalter betätigst, wird es „sofort“ hell. Wie würdest du die Welt sehen, wenn die Lichtlaufzeit vergleichbar mit der Bewegungsgeschwindigkeit von Objekten ist?

In Bild 16.6 siehst du ein Beispiel. Ein Würfel bewegt sich auf einer Schienenbahn von links nach rechts. Links siehst du deine Wahrnehmung des Würfels für kleine Geschwindigkeiten. Rechts unten siehst du deine Wahrnehmung, wenn er sich mit \(v=0{,}6\cdot c\) an dir vorbeibewegt – er erscheint verdreht und verzerrt. Der wesentliche Punkt ist, dass die Kanten des Würfels zu allen Zeiten gerade sind, die Deformation ist eine Folge der endlichen Lichtlaufzeit!

Bild 16.6: Bild eines ruhenden Würfels (links) und bei \(v=0{,}6\cdot c\) (rechts)

Bei extrem großen Geschwindigkeiten dürfen wir uns nicht mehr auf unser Sehen verlassen. Für unsere „Beobachtung“ müssen wir ein besseres System verwenden, um Effekte, die durch die endliche Lichtlaufzeit entstehen, auszuschließen. Für unsere zukünftigen Überlegungen stellen wir uns ein Koordinatengitter mit synchronisierten Uhren (Bild 16.7 ). Vor jeder Uhr steht eine Person. Erreicht ein Objekt den Ort der Person, notiert diese die Uhrzeit. Am Ende des Experiments treffen sich alle Personen und vergleichen ihre Aufzeichnungen.

Bild 16.7: Koordinatengitter mit synchronisierten Uhren

16.1.4 Die Suche nach dem Ätherwind

Wasserwellen bewegen sich im Medium Wasser, Schallwellen bewegen sich im Medium Luft, aber in welchem Medium bewegt sich eine Lichtwelle? Dieses Medium, in dem sich Licht ausbreiten sollte, wurde Lichtäther (engl. aether ) genannt. Ein Flugzeug kann die Geschwindigkeit zum umgebenden Medium Luft – den Fahrtwind (engl. airspeed ) – zum Beispiel mithilfe eines Pitot-Rohres messen. Da das Licht weit entfernter Sterne auf der Erde zu sehen ist, muss das Weltall mit Lichtäther erfüllt sein. Daher sollte es auch möglich sein, die Bewegung der Erde relativ zum Lichtäther, den sogenannten Ätherwind (engl. aether wind ) zu messen. Da die Bahngeschwindigkeit der Erde um die Sonne mit \(v=29\,780\;\mathrm{m}/\mathrm{s}\) relativ groß ist, sollte sich unsere Bewegung durchs All bei Signal-Übertragungen zu unterschiedlichen Tageszeiten bemerkbar machen (Bild 16.8 ).

Bild 16.8: Erwartete Signallaufzeiten

In der Konstellation (a) sendet die Station 1 der Station 2 zu Mittag eine Nachricht. Da Station 2 dem Signal entgegenkommt, sollte sich die Signallaufzeit verkürzen. Die errechnete Signalgeschwindigkeit sollte \(c+v\) ergeben. Einen halben Tag später, um Mitternacht, erhalten wir Konstellation (b). Wieder sendet Station 1 an die Station 2 eine Nachricht. Dieses Mal sollte sich die Signallaufzeit aber vergrößern, da das Signal der sich entfernenden Empfangsstation 2 hinterher eilen muss. In diesem Fall sollte die berechnete Signalgeschwindigkeit nur \(c-v\) betragen.

Anfang des 20. Jahrhunderts wurde diese Abweichung mit dem Michelson-Morley-Experiment sehr genau untersucht. Alle Experimente ergaben dasselbe Ergebnis: Es ist keine Abweichung feststellbar. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt zu allen Zeiten und in alle Richtungen immer genau \(c\) .

16.1.5 Uhrensynchronisation

Das vorgestellte Verfahren zur korrekten Beobachtung setzt voraus, dass alle Uhren im System synchronisiert sind, also alle dieselbe Zeit anzeigen.

Du wirst jetzt sagen, dass dies eine einfache Aufgabe ist. Bevor eine Person auf ihren Beobachtungspunkt geht, synchronisiert sie ihre Uhr mit der ihres Nachbarn am selben Ort. Wir wollen aber ausschließen, dass selbst die Bewegung der Person zu ihrem Beobachtungspunkt schon den Gang der Uhr verändert.

Mit der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit können wir folgendes Verfahren zur Uhrensynchronisation verwenden: Die Person im Koordinaten-Ursprung sendet beim Start ihrer Uhr einen kugelförmigen Lichtblitz in alle Richtungen aus. Jede Person kennt ihren Abstand vom Ursprung. Wird die Uhr bei einer anderen Station durch den Lichtblitz gestartet, stellt die Person die Uhr um die Dauer der (errechneten) Lichtlaufzeit nach vor, da sie ja zu einem späteren Zeitpunkt gestartet wurde als die Uhr im Ursprung. Auf diese Weise erhalten wir ein System aus lauter synchronisierten Uhren.

16.1.6 Zeitsynchronisation bei Funkuhren

Funkuhren verwenden das in Abschnitt Uhrensynchronisation beschriebene Verfahren. In Mitteleuropa sendet ein Zeitzeichensender in Mainflingen (Deutschland) ein Funksignal aus. Es enthält in binärer Form die aktuelle Uhrzeit und Datum (sowie Informationen zu Sommer/Winterzeit und Schaltsekunden ). Die Funkuhr empfängt das Signal und passt die eigene Uhrzeit an diese Zeit-Informationen an.

Bild 16.9: Lage des Zeitsenders

Die Zeit-Information des Senders ist zwar auf eine Nanosekunde (eine milliardstel Sekunde) genau, einfache Funkwecker berücksichtigen aber die Signallaufzeit nicht. Nehmen wir an, dein Funkwecker steht in Wien. Die Entfernung Wien-Mainflingen ( Luftlinie ) beträgt \(571{,}7\;\mathrm{km}\) (Bild 16.9 ). Für die Signallaufzeit erhältst du

\[ t=\frac{s}{v}=\frac{571\,700\;\mathrm{m}}{3\cdot 10^{8}\;\mathrm{m/s}} = 0{,}0019\ldots\;\mathrm{s} \]

Dein Funkwecker geht also immer um rund \(1{,}90\ldots\) Millisekunden nach. Diese Abweichung ist für die meisten privaten Zwecke unbedeutend. In Forschungslabors wird diese Abweichung berücksichtigt.

Neben Zeitzeichensendern gibt es heute noch viele weitere Methoden, um eine sehr exakte Uhrzeit zu erhalten. Zum Beispiel senden alle Mobilfunkmasten ein Zeitsignal, mit dem Smartphones ihre Uhrzeit korrigieren. GPS fähige Geräte erhalten nicht nur Standortdaten, sondern auch eine Zeit-Information. Rundfunksender senden mit RDS / DAB parallel zum Programm ein Zeitsignal, das (Auto-)Radios auswerten.

Lichtgeschwindigkeit (Video)

In diesem Video wird dir erklärt, was es mit der Lichtgeschwindigkeit auf sich hat. Wir klären, warum Licht so schnell ist und welche Auswirkungen das auf unser Verständnis von Raum und Zeit hat. Tauche ein in die faszinierende Welt der Physik!

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Ole Rømer, die Lichtgeschwindigkeit und das (zweit)größte Messgerät des Sonnensystems (Die spannendsten Experimente der Naturwissenschaft 03)

Dieser Artikel ist Teil einer Serie über naturwissenschaftliche Experimente . Entsprechende Artikel werden hier im Blog bis Ende Juli erscheinen. Alle Artikel der Serie könnt ihr hier finden . ———————————————-

Astronomie ist eine Naturwissenschaft. Aber eine, in der man selten Gelegenheit bekommt Experimente zu machen. Wie denn auch: Das Zeug ist viel zu weit weg; da kommt man nicht hin das kann man nur anschauen. Und wenn man das berücksichtigt, dann ist die Astronomie eine enorm beeindruckende Wissenschaft. Wir haben jede Menge über die Planeten, Sterne, Galaxien und den ganzen Rest rausgefunden; nur durch Anschauen! Aber manchmal kann man auch als Astronom ein Experiment machen. Und wenn, dann macht man natürlich eines, das mit den Fundamenten der Wissenschaft zu tun hat. Und das zweitgrößte Messgerät des gesamten Sonnensystems benutzt.

Ok, das war ein wenig übertrieben. Aber nur ein bisschen. Die Geschichte dieses Experiments spielt in den 1670er Jahren. Der dänische Astronom Ole Rømer arbeitete damals an der Sternwarte Paris. Und beobachtete den Jupitermond Io. Nicht nur aus Spaß an der Astronomie sondern aus ganz praktischen Gründen. Damals war man unter anderem dabei genaue Landkarten zu zeichnen. Und dafür braucht man genaue Positionsdaten. Besonders wenn es um die Bestimmung des Längengrades geht, ist das aber knifflig. Denn da gibt es keinen natürlichen Bezugspunkt wie den Äquator bei der Bestimmung des Breitengrades. Die geografische Breite kann man relativ leicht durch die Beobachtung der Sonne oder anderer Sterne bestimmen. Je näher am Äquator desto höher kann die Sonne am Himmel stehen (vereinfacht gesagt, die genaue Bestimmung ist ein bisschen komplexer). Beim Längengrad muss man sich erst mal auf einen Bezugspunkt einigen. Heute ist das der “Nullmeridian” der durch die Sternwarte Greenwich in London verläuft. Und dann muss man in der Lage sein, Zeit messen zu können. Wenn ich zum Beispiel in Wien sitze und meine geografische Länge bestimmen will, fange ich damit an, die lokale Uhrzeit zu messen. Das geht einfach: Wenn die Sonne ihren höchsten Stand am Himmel erreicht hat, ist es 12 Uhr Mittags. Dann muss ich aber auch noch wissen, wie spät es in Greenwich ist, wenn meine lokale Uhr die Mittagsstunde anzeigt. Denn die Erde dreht sich ja von Westen nach Osten. Wenn die Sonne in Wien aufgeht ist es im westlich von Wien gelegenen Greenwich noch dunkel; die Erde muss sich noch ein bisschen weiterdrehen bis es auch dort hell wird. Gleiches gilt für den Mittag. Wenn es in Wien Mittag ist, ist es in Greenwich noch Vormittag . Kenne ich den genauen Unterschied in der lokalen Uhrzeit kann ich daraus berechnen, wie weit ich in Ost/Westlicher Richtung von Greenwich entfernt bin.

Jupiter -Super Messgerät! ( Bild: NASA/JPL/Uni Arizona )

Heute könnte ich einfach dort anrufen und fragen wie spät es ist. Oder im Internet nachschauen. Damals ging das nicht. Da brauchte man ein Ereignis am Himmel das sowohl von Wien als auch in Greenwich sichtbar ist. Und vor allem: Ein Ereignis dessen Auftreten man vorhersagen kann. Zum Beispiel eine Sonnenfinsternis: Da kann man berechnen, wann die nach der lokalen Greenwichzeit stattfinden soll und vergleiche das mit der lokalen Zeit zu der ich die Finsternis an meinem Beobachtungsort sehen kann. Nur gibt es Sonnenfinsternisse nicht so oft wie es nötig wäre um vernünftige Kartografie zu betreiben. Was es aber sehr viel öfter gibt sind Jupitermondfinsternisse. Io ist der innerste der vier großen Jupitermonde und schon mit kleinen Teleskopen von der Erde aus gut sichtbar. Für eine Runde um Jupiter braucht Io nur einen Tag und 18,5 Stunden. Und bei jedem Umlauf bewegt er sich durch den Schatten, den der größte Planet des Sonnensystems wirft. Was nichts anderes heißt als: Von der Erde aus gesehen wir Io alle paar Tage dunkel und diese Verfinsterungen lassen sich vorhersagen. Perfekt für die Bestimmung des geografischen Längengrads.

Das hat alles noch nichts mit den eingangs versprochenen Fundamenten der Wissenschaft zu tun. Entsprechende Tabellen zu Jupitermondverfinsterungen gab es auch schon vor Ole Rømer. Der aber (gemeinsam mit seinem Pariser Chef Giovanni Domenico Cassini) fest, dass die nicht ganz stimmten. Und es war Ole Rømer der diesem Problem auf dem Grund ging. Die Vermutung: Die Erde bewegt sich um die Sonne und dadurch ändert sich im Laufe eines Jahres auch ihr Abstand zum Jupiter. Und wenn Licht sich nicht unendlich schnell ausbreiten sollte, dann braucht es mal länger und mal kürzer um uns von dort zu erreichen. Und jetzt sind wir bei den Fundamenten! Denn damals war noch nicht klar, wie schnell das Licht ist. Es war noch nicht mal klar, ob es überhaupt eine endliche Geschwindigkeit hat oder vielleicht doch unendlich schnell unterwegs ist. Ole Rømer war überzeugt dass das nicht der Fall ist. Und sagte für den November 1676 eine “Verspätung” der Io-Finsternis um 10 Minuten vorher. Was auch genau so passierte.

Rømer wies nach, das Licht eine Geschwindigkeit hat. Er hat diese Geschwindigkeit nicht gemessen, auch wenn das oft so erzählt wird (er hat nur eine Obergrenze für die Lichtgeschwindigkeit abgeschätzt). Die Messung der Lichtgeschwindigkeit erfolgte später; durch andere Forscher mit anderen beeindruckenden Experimenten. Aber auch die Erkenntnis dass Licht NICHT unendlich schnell ist, ist beeindruckend genug. Erstens wurde damit eine Frage geklärt, über die man schon im antiken Griechenland spekuliert hatte. Und zweites darf man nicht vergessen was daraus folgt. Licht braucht Zeit um von A nach B zu kommen. Und im Weltall liegen A und B im Allgemeinen enorm weit auseinander. Wenn die Verfinsterung von Io 10 Minuten zu spät stattfindet, dann hat das Licht ganze 10 Minuten gebraucht, um den zusätzlichen Weg der durch die Bewegung der Erde entstanden ist, zurück zu legen. Und noch länger, um den ganzen Rest des Wegs von Jupiter bis zu uns zu schaffen. Das Bild von Jupiter und Io stammt also aus der Vergangenheit! Ich finde diese Erkenntnis immer wieder erstaunlich, egal wie oft man es hört: Wenn wir hinaus ins Universum blicken, dann blicken wir auch immer in die Vergangenheit!

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Kommentare (4).

Der aber (gemeinsam mit seinem Pariser Chef Giovanni Domenico Cassini) fest, dass die nicht ganz stimmten

Da scheint mir ein Verb zu fehlen?

Aber cooler Artikel

“Er hat diese Geschwindigkeit nicht gemessen, auch wenn das oft so erzählt wird (er hat nur eine Obergrenze für die Lichtgeschwindigkeit abgeschätzt).”

Er hat aber einen Teil der LG-Messung durchgeführt. Die Auswertung erfolgte durch Christiaan Huygens:

Da Rømer den Durchmesser der Erdbahn nicht kannte, hat er für die Geschwindigkeit des Lichtes keinen Wert angegeben. Dies tat zwei Jahre später Christiaan Huygens. Er bezog die Laufzeitangabe von Rømer auf den von Cassini 1673 zufällig fast richtig angegebenen Durchmesser der Bahn der Erde um die Sonne (siehe Sonnenparallaxe für die schrittweise Verbesserung dieses Wertes) und kam auf eine Lichtgeschwindigkeit von 213 000 km/s.

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Lichtgeschwindigkeit#Messung_der_Lichtgeschwindigkeit

Theoretisch wärs ja ab der Entdeckung des Mondes Jo mit Linsenröhren auch auf hoher See Positionen zu bestimmen.

Wer war denn der erste

See-Seh-Fernseh-Astrokomiker

dem eine Positionsbestimmung mit Fremdmonden gelang oder war der Seebootboden zu schwankelnd?

TIP-TOP-TIP Eine See-Seh-Sternkunde-Serie käme sicher gut an

Kleiner Tippfehler: “Von der Erde aus gesehen wir Io alle paar Tage dunkel und diese Verfinsterungen lassen sich vorhersagen.”

Das “wir” sollte ein “wird” sein.

(Dieser Kommentar darf gern gelöscht werden, wenn der Tippfehler bereinigt ist)

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Die Lichtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Licht in einem Medium ausbreitet . Sie ist die größte mögliche Geschwindigkeit und nichts kann schneller als Licht sein. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist fast genauso groß wie im Vakuum. Andere Medien wie Wasser oder Glas verlangsamen das Licht. Wusstest du, dass die Kommunikation im Weltraum aufgrund der Lichtgeschwindigkeit verzögert ist? Lerne mehr!

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Lichtgeschwindigkeit – einfach erklärt

Wie schnell ist die lichtgeschwindigkeit, lichtgeschwindigkeit $c$ im vakuum, lichtgeschwindigkeit in wasser, lichtgeschwindigkeit in luft, lichtgeschwindigkeit in glas, kommunikation im weltraum, lichtgeschwindigkeit messen, lichtgeschwindigkeit – formel, lichtgeschwindigkeit berechnen, aufgaben zur lichtgeschwindigkeit, ausblick – das lernst du nach lichtgeschwindigkeit, zusammenfassung der lichtgeschwindikeit, häufig gestellte fragen zum thema lichtgeschwindigkeit.

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Beschreibung zum Video Lichtgeschwindigkeit

Du weißt schon, was die lenzsche Regel besagt und wie das Induktionsgesetz aussieht. Aber weißt du auch schon, wie du diese beiden Gesetzmäßigkeiten auf eine stromdurchflossene Spule anwendest?

In diesem Video erfährst du, was das bedeutet. Du lernst die Selbstinduktion einer Spule kennen und erfährst, wie man sie berechnen kann. Das Video wird durch interaktive Übungen ergänzt, mit denen du dein neues Wissen gleich testen kannst.

Grundlagen zum Thema Lichtgeschwindigkeit

Der Blick in den Sternenhimmel ist immer ein Blick in die Vergangenheit. Dass das so ist, hat mit der Lichtgeschwindigkeit zu tun.

Die Lichtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Licht in einem Medium ausbreitet. Ihr Formelzeichen ist $c$. Sie hat ihren größtmöglichen Wert im Vakuum und beträgt $c=299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.

Bei einem Gewitter sieht man zuerst den Blitz und hört dann den Donner. Blitz und Donner entstehen gleichzeitig, denn der Donner ist das Geräusch des Blitzes. Dass man den Donner später hört, als man den Blitz sieht, liegt daran, dass sich der Schall des Donners viel langsamer ausbreitet als das Licht des Blitzes. Denn die Schallgeschwindigkeit ist viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit . Die Lichtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Licht in der Luft oder im Vakuum ausbreitet.

Wusstest du schon? Licht von der Sonne braucht ungefähr $8$ Minuten und $20$ Sekunden, um die Erde zu erreichen. Das bedeutet, dass du, wenn du jetzt zur Sonne blickst (bitte nicht direkt!), eigentlich in die Vergangenheit schaust und sie so siehst, wie sie vor über $8$ Minuten war. Faszinierend, oder?

Mit modernen Methoden kann man die Lichtgeschwindigkeit sehr genau messen. Die Lichtgeschwindigkeit ist abhängig von dem Medium, in dem sich das Licht bewegt. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist ungefähr das Gleiche wie im Vakuum. Sie beträgt etwa $300\,000\,\frac{\text{km}}{\text{s}}$. Die Lichtgeschwindigkeit in Wasser ist kleiner als im Vakuum, sie beträgt nur etwa $225\,000\,\frac{\text{km}}{\text{s}}$. In der folgenden Tabelle siehst du, wie viel schneller das Licht ist als viele andere Dinge, die du kennst.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine Naturkonstante. Sie ist die größtmögliche Geschwindigkeit. In der Physik gilt: Nichts ist schneller als Licht . Es gibt keine andere physikalische Antwort auf die Frage Was ist schneller als Licht? Eine Überlichtgeschwindigkeit gibt es in der Physik nicht, sondern nur in der Science-Fiction.

Von einem weit entfernten Stern kann das Licht bis zur Erde Tausende oder sogar Millionen von Jahren unterwegs sein. Was wir am Nachthimmel sehen, ist also das Licht, das in der Vergangenheit von den Sternen ausging. Manche Sterne sind so weit von der Erde entfernt, dass das Licht mehrere Millionen Jahre von dem Stern bis zur Erde braucht. Wenn das Licht dieser Sterne auf der Erde ankommt, sind diese Sterne selbst wahrscheinlich bereits erloschen. Wir sehen also nur, wie sie in der Vergangenheit vor Tausenden oder Millionen Jahren weit entfernt geleuchtet haben. Solche Sterne kann man aber nur mit starken Teleskopen erkennen.

Kontrovers diskutiert: Expertinnen und Experten streiten darüber, ob die Lichtgeschwindigkeit wirklich die absolute Grenze im Universum darstellt. Manche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler meinen, dass es Phänomene wie Wurmlöcher oder spezielle Partikel gibt, die schneller als Licht reisen könnten. Andere argumentieren, dass die Relativitätstheorie derartige Möglichkeiten ausschließt. Was denkst du?

Wenn das Licht nun aber nicht durchs Vakuum des Weltalls reist, sondern durch ein anderes durchsichtiges Medium wie Luft, Glas, Wasser oder Ähnliches, bewegt es sich, wie alle elektromagnetischen Wellen , langsamer als mit Vakuumlichtgeschwindigkeit.

Der Brechungsindex $n$ ist das Verhältnis aus der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum $c_\text{Vakuum}$ und der Lichtgeschwindigkeit im Medium $c_\text{Medium}$.

$n_\text{Medium}=\dfrac{c_\text{Vakuum}}{c_\text{Medium}}$

Der Brechungsindex von Wasser ist etwa $n_\text{Wasser}=1{,}333$.

Damit können wir die Lichtgeschwindigkeit in Wasser ausrechnen.

$n_\text{Medium}=\dfrac{c_\text{Vakuum}}{c_\text{Medium}}~~\big\vert \cdot \dfrac{c_\text{Medium}}{n_\text{Medium}}$

$c_\text{Medium}=\dfrac{c_\text{Vakuum}}{n_\text{Medium}}$

$c_\text{Wasser}=\dfrac{299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{1{,}333}$

$c_\text{Wasser}=224\,900\,569\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$

Der Brechungsindex für Luft ist bei sichtbarem Licht unter Normalbedingungen $n_\text{Luft}=1{,}0003.$

Wie oben können wir also die Lichtgeschwindigkeit ausrechnen:

$c_\text{Luft}=\dfrac{299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{1{,}0003}$

$c_\text{Luft}=299\,702\,547\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$

Der Brechungsindex variiert für verschiedene Sorten Glas. Ein guter Mittelwert ist $n_\text{Glas}=1{,}5$.

Dann gilt also:

$c_\text{Glas}=\dfrac{299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{1{,}5}$

$c_\text{Glas}=199\,861\,639\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$

Du siehst also, der Betrag der Lichtgeschwindigkeit ist in einem Medium stets geringer als im Vakuum. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist dabei beinahe genauso groß wie im Vakuum.

Kein Signal bewegt sich schneller als Licht . Daher kann man im Weltraum nicht gut zwischen entfernten Planeten telefonieren. Ein Signal braucht vom Mars zur Erde und zurück mindestens $6$ Minuten. So lange müsste ein Anrufer vom Mars mindestens auf eine Antwort von der Erde warten.

Wann erreicht ein Lichtsignal von der Erde die folgenden Himmelskörper (und umgekehrt)? Der folgende tabellarische Steckbrief zeigt eine Übersicht dieser Lichtlaufzeiten

Kennst du das? Hast du auch schonmal einen Film online gestreamt oder einen Videoanruf geführt? Diese Technologien sind nur möglich, weil Lichtsignale durch Glasfaserkabel gesendet werden, um Daten blitzschnell zu übertragen. In den Glasfasern wird die Lichtgeschwindigkeit genutzt, um Informationen nahezu sofort von einem Punkt zum anderen zu bringen, auch wenn sie über Kontinente hinweg gesendet werden. So kannst du mit Menschen weltweit praktisch in Echtzeit kommunizieren!

Um die Lichtgeschwindigkeit in Kilometer pro Sekunde zu messen, erfand Hippolyte Fizeau im Jahr 1848 ein Experiment bestehend aus einer Lichtquelle, einem halb durchlässigen Spiegel, einem rotierenden Zahnrad und einem entfernten Spiegel. Trifft ein Lichtstrahl beim Rückweg von dem entfernten Spiegel nicht auf eine Lücke im Zahnrad, sondern auf einen Zahn, ist der reflektierte Lichtstrahl nicht zu sehen. Indem er die Rotationsgeschwindigkeit des Zahnrads auf genau diese Bedingung einstellte, gelang es Fizeau, die Lichtgeschwindigkeit zu messen bzw. mithilfe der Geschwindigkeit des Zahnrads zu berechnen. Der Aufbau des Experiments ist in der folgenden Abbildung vereinfacht dargestellt.

Die Lichtgeschwindigkeit in Fizeaus Messung ergibt sich aus dem Verhältnis der Weglänge zur Laufzeit des Lichtstrahls:

$\text{Lichtgeschwindigkeit} = \dfrac{\text{Weglänge}}{\text{Laufzeit}}$

Der gemessene Wert für die Lichtgeschwindigkeit $c$ ist:

$c \approx 300\,000\,\frac{\text{km}}{\text{s}}$

In einer Sekunde könnte das Licht demzufolge mehr als siebenmal um die Erde kreisen. Die Lichtgeschwindigkeit kann man auch mit einem Spiegel auf dem Mond messen. Das Licht braucht von der Erde bis zum Mond und zurück fast drei Sekunden. Bei der Apollo-11 -Mission wurde ein Spiegel auf dem Mond platziert, um Fizeaus Experiment zu wiederholen. Das Ziel war hierbei aber nicht die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit, sondern gemessen hat man mit diesem Experiment den Abstand von Erde und Mond .

Die Lichtgeschwindigkeit lässt sich, neben der rechnerischen Auswertung von Laufzeitexperimenten wie dem Experiment von Herrn Fizeau, auch noch auf andere Weise berechnen.

Denn für die Vakuumlichtgeschwindigkeit gilt die grundlegende Aussage aus der Theorie der elektromagnetischen Wellen über den Zusammenhang zwischen Vakuumlichtgeschwindigkeit $c$, absoluter Dielektrizitätskonstante $\varepsilon_0$ (auch: elektrische Feldkonstante) und absoluter Permeabilitätskonstante $\mu_0$ (auch: magnetische Feldkonstante):

$c=\dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \cdot \mu_0}}$

Innerhalb eines Mediums müssen zudem die relative Dielektrizitätskonstante $\varepsilon_\text{r}$ und die relative Permeabilitätskonstante $\mu_\text{r}$ berücksichtigt werden:

$c=\dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \cdot \varepsilon_\text{r} \cdot \mu_0 \cdot \mu_\text{r}}}$

Da Licht eine elektromagnetische Welle ist, gilt außerdem der Zusammenhang zwischen Ausbreitungsgeschwindigkeit, d. h. der Lichtgeschwindigkeit $c$, Frequenz $f$ und Wellenlänge $\lambda$ des Lichts:

$c=\lambda \cdot f$

Die Lichtgeschwindigkeit hängt also einerseits direkt mit zwei anderen Naturkonstanten zusammen ($\varepsilon_0$ und $\mu_0$), andererseits ergibt sie sich aus der Wellenlänge und der Frequenz des Lichts, die beide gemessen werden können.

Wir verwenden den gerundeten Wert der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum von $c=300\,000\,\frac{\text{km}}{\text{s}}$.

Dies entspricht $300\,000\,000\,\frac{\text{m}}{\text{s}}=3 \cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.

Da das Licht eine konstante Geschwindigkeit hat, können wir die Formel $v=\frac{s}{t}$ verwenden, diese nach $s$ umstellen und für $v$ die Lichtgeschwindigkeit $c$ in die Formel einsetzen.

$s=v \cdot t = c \cdot t$

Nun rechnen wir noch die gegebene Zeit in Minuten um und setzen ein. $t=43{,}3~\text{min}=43{,}3 \cdot 60~\text{s}=2\,598~\text{s}$

Die gesuchte Strecke ist damit:

$s=3 \cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}} \cdot 2\,598~\text{s} \approx 780\,\text{Millionen~km}$

Wir verwenden einen möglichst genauen Wert für $c$, nämlich $c=299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.

Ein Jahr sind genau $365{,}25~\text{Tage}$.

Die gegebene Zeit ist also $t=1~\text{a}=365{,}25~\text{d}=365{,}25 \cdot 86\,400~\text{s}=31\,557\,600~\text{s}$.

Dann ist die in dieser Zeit zurückgelegte Strecke:

$s=c \cdot t= 299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}} \cdot 31\,557\,600~\text{s} \approx 9{,}46 \cdot 10^{15}~\text{m}$

Es dürfte genügen, hier den gerundeten Wert für die Lichtgeschwindigkeit zu verwenden, also $c=3\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.

Wir sollten aber noch die Entfernung zum Mond in Meter umrechnen: $s=384\,400~\text{km}=3{,}84\cdot10^{8}~\text{m}$

Dann gilt: $t=\dfrac{s}{c}=\dfrac{3{,}84\cdot10^{8}~\text{m}}{3\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}=1{,}28~\text{s}$

Für die Wellenlänge $\lambda$ gilt: $\lambda=\dfrac{c}{f}$

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt etwa $c=3\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$, in Wasser gilt etwa $c=2{,}25\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.

Also ist die Wellenlänge im Vakuum: $\lambda=\dfrac{c}{f}=\dfrac{3\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{5\cdot10^{14}~\text{Hz}}=6\cdot10^{-7}~\text{m}=600~\text{nm}$

In Wasser gilt dann: $\lambda=\dfrac{c}{f}=\dfrac{2{,}25\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{5\cdot10^{14}~\text{Hz}}=4{,}5\cdot10^{-7}~\text{m}=450~\text{nm}$

Tauche tiefer ein in das Universum und seine Geheimnisse! Das Wissen über die Grundprinzipien der Speziellen Relativitätstheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie leiten die nächste Stufe deiner Entdeckungsreise ein. Sei bereit, die Welt des Unvorstellbaren zu erforschen!

• Die Lichtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich Licht im Raum ausbreitet. Licht ist eine elektromagnetische Welle .
• Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine Naturkonstante . Sie hat stets den gleichen Wert $c=299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.
• Tritt Licht durch ein Medium hindurch, verringert sich seine Ausbreitungsgeschwindigkeit . Demnach unterscheidet man verschiedene Lichtgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Medien.
• Ein Lichtjahr bezeichnet die Entfernung , die Licht im Vakuum in der Zeitspanne eines Jahrs zurücklegen kann.

Im Vakuum beträgt die Lichtgeschwindigkeit $c=299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$. In anderen Medien ist sie geringer.

So gut wie alle Methoden, die Lichtgeschwindigkeit zu messen , funktionieren mithilfe einer Laufzeitmessung, d. h., für eine festgelegte Strecke wird bestimmt, welche Zeit das Licht benötigt, um diese Strecke zurückzulegen.

Es ist richtig, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant ist. Sie lässt sich aus zwei Naturkonstanten bestimmen und ist auch selbst eine Naturkonstante. In anderen Medien ist die Aussage gar nicht ohne Weiteres richtig. Zum einen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in verschiedenen Medien unterschiedlich groß, zum anderen ist die Lichtgeschwindigkeit von der Frequenz des Lichts bzw. der elektromagnetischen Welle abhängig.

Um den Äquator herum bräuchte man mit Lichtgeschwindigkeit ca. $134~\text{ms}$, also etwas mehr als eine Zehntelsekunde. Das ergibt sich aus dem Betrag der Lichtgeschwindigkeit und dem Umfang der Erde.

Nach der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein nimmt die Masse eines Teilchens (mit Ruhemasse ungleich null) abhängig von der Geschwindigkeit zu.

Es gilt dabei für die bewegte Masse $m$:

$m=\dfrac{m_{0}}{\sqrt{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}}$

Dabei ist $m_0$ die Ruhemasse des Teilchens und $v$ seine Geschwindigkeit.

Die bewegte Masse würde demnach unendlich groß werden, wenn das Teilchen Lichtgeschwindigkeit erreichen würde. Daher ist es für Teilchen, die eine Ruhemasse ungleich null haben, unmöglich, sich mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen.

Die Schallgeschwindigkeit beträgt bei Raumtemperatur ca. $343\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$, die Lichtgeschwindigkeit in Luft ca. $3\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$. Die Lichtgeschwindigkeit ist also etwa $875\,000$-mal größer als die Schallgeschwindigkeit.

Das Licht benötigt im Vakuum etwa $3{,}33~\text{ns}=3{,}33 \cdot 10^{-9}~\text{s}$, um eine Strecke der Länge $1~\text{m}$ zurückzulegen.

Die vermutlich korrekte Antwort darauf ist: nichts. Auch wenn es Theorien über Teilchen gibt, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen, gibt es keine experimentellen Hinweise darauf, dass diese sogenannten Tachyonen tatsächlich existieren.

Wäre die Lichtgeschwindigkeit unendlich, hätte das ernsthafte und verwirrende Konsequenzen für unsere Wirklichkeit. Konzepte wie Gleichzeitigkeit oder vorher/nachher müssten vollkommen überdacht werden.

Das Licht benötigt im Mittel etwa $8{,}3$ Minuten von der Sonne zur Erde . Das ergibt sich aus dem Betrag der Lichtgeschwindigkeit und dem mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne.

Aufgrund wesentlich genauerer Messmöglichkeiten muss heute nicht mehr die Laufzeit des Lichts auf einer möglichst langen Strecke gemessen werden. In modernen Anordnungen verwendet man stattdessen Messungen der Frequenz $f$ und der Wellenlänge $\lambda$ des Lichts zu Berechnung der Lichtgeschwindigkeit.

Es gilt: $c=\lambda \cdot f$

Der dänische Astronom Ole Roemer konnte 1676 als erster Wissenschaftler experimentell bestätigen, dass die Lichtgeschwindigkeit einen endlichen Wert hat. Später konnte sein Ergebnis mit genaueren Messungen , u. a. von Hippolyte Fizeau, korrigiert werden.

Der Buchstabe $c$ wurde als Abkürzung für das lateinische Wort celeritas gewählt, das übersetzt Schnelligkeit heißt. Sicher kennst du das übliche Formelzeichen für Geschwindigkeit, den Buchstaben $v$. Dieser kommt von einem anderen Wort aus dem Lateinischen für Schnelligkeit (oder Geschwindigkeit): velocitas .

Obwohl aufgrund der ungeheuer schnellen Ausbreitung des Lichts Menschen lange glaubten, Licht breite sich ohne Zeitverzögerung aus, konnte schließlich doch nachgewiesen werden, dass Licht eine endliche Geschwindigkeit hat: die Lichtgeschwindigkeit .

Wenn sich ein Körper (mit einer von null verschiedenen Ruhemasse) mit Lichtgeschwindigkeit bewegen würde, würde seine Masse unendlich groß werden und es wäre eine unendliche Energie nötig, um ihn auf diese Geschwindigkeit zu beschleunigen. Nur Lichtteilchen, sogenannte Photonen , können sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, weil sie keine Ruhemasse haben.

Ja, die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum hat immer den gleichen Wert: $c=299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$. Allerdings tritt Licht mit geringeren Geschwindigkeiten durch verschiedene Medien hindurch. Demnach werden für verschiedene Medien unterschiedlich große Lichtgeschwindigkeiten, genauer gesagt Ausbreitungsgeschwindigkeiten , angegeben.

Nur für Licht. Für jeden anderen Körper ist es unmöglich , mit Lichtgeschwindigkeit zu reisen. Man hätte auch nicht so wahnsinnig viel davon, da für einen keine Zeit vergehen würde – was ja doch irgendwie zum Reisen dazugehört.

Sämtliche Experimente bestätigen stets den gleichen Wert für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Mit genügend hoher Energie können wir theoretisch einen nahezu beliebigen Prozentsatz der Lichtgeschwindigkeit erreichen (allerdings niemals $100\,\%$). In der Realität betrug die größte bisher erreichte Geschwindigkeit eines Flugkörpers, nämlich die der Sonde Parker Solar Probe , ca. $0{,}7\,\%$ der Lichtgeschwindigkeit.

Man kann Licht nicht abbremsen. Licht wird zwar beim Übergang vom Vakuum in ein anderes Medium langsamer, aber das liegt daran, dass das Licht zwischen den Teilchen des Mediums gestreut wird und sich dadurch die Länge des zurückgelegten Wegs vergrößert.

Licht ist eine elektromagnetische Welle und benötigt, anders zum Beispiel als Schall, kein Medium, um sich auszubreiten. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtwelle entspricht der Lichtgeschwindigkeit. Dabei stehen elektrische Feldstärke und magnetische Flussdichte senkrecht zueinander.

Aufgrund der Definition des Lichtjahrs benötigt das Licht genau ein Jahr, um die Strecke ein Lichtjahr zurückzulegen. Natürlich ist damit ein Erdjahr gemeint, also rund $31\,536\,000$ Sekunden.

Licht kann, anders als geladene Teilchen, nicht durch elektrische Felder beschleunigt werden. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist unveränderlich. Dennoch ändert das Licht beim Übergang von einem Medium zu einem anderen Medium seine Geschwindigkeit. Die gemessene Geschwindigkeit des Lichts würde sich also beispielsweise beim Übergang von Wasser zu Luft erhöhen. Dies stellt allerdings keine Beschleunigung dar, sondern eine Verkürzung des Wegs, denn in Wasser muss das Licht aufgrund von Lichtstreuung einen längeren Weg zurücklegen als in Luft.

Zunächst muss festgestellt werden, dass kein Körper mit einer von null verschiedenen Ruhemasse Lichtgeschwindigkeit erreichen kann. Nur Licht kann dies. Für die Energieportionen, aus denen Licht im Teilchenmodell besteht, die sogenannten Photonen , vergeht gar keine Zeit . Sie sind sozusagen zeitlos. Dass sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, ist nur möglich, weil sie keine Ruhemasse haben. In dieser Vorstellung würde für einen bewegten Körper, der sich der Lichtgeschwindigkeit immer weiter annähert, die Zeit relativ zu einem äußeren Beobachter immer langsamer vergehen.

Dies ist eine Folge der speziellen Relativitätstheorie Albert Einsteins. Ihr Grundprinzip ist, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialsystemen gleich ist. Dies bedeutet zum Beispiel, dass sich auch das Licht einer Taschenlampe, die sich ihrerseits mit halber Lichtgeschwindigkeit bewegt, aus der Sicht jedes Beobachters nur mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Damit dies möglich ist, müssen Längen und Zeiten dafür vom Beobachter abhängig sein. Das führt dazu, dass aus der Sicht des Beobachters die Zeit für andere Körper, die sich schneller bewegen, langsamer vergeht. Aus der Sicht der sich schnell bewegenden Körper vergeht die Zeit jedoch genauso schnell, also ob sie sich nicht bewegen würden. Die Zeit ist in diesem Sinne relativ – abhängig vom Beobachter.

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Transkript Lichtgeschwindigkeit

In einer klaren Nacht kannst du eine Unmenge an Sternen am Himmel entdecken. Stellst du dir manchmal, vor in einem Raumschiff zu ihnen zu reisen und neue Welten zu entdecken? Wusstest du aber, dass viele der Sterne, die du am Himmel siehst, schon erloschen sind: Wenn wir zum Sternenhimmel schauen, schauen wir in die Vergangenheit . Warum das so ist, erfährst du in diesem Video zur Lichtgeschwindigkeit.

Videoübersicht

Dafür sprechen wir zunächst über Blitz und Donner und über die Messung der Lichtgeschwindigkeit . Dann erkläre ich dir das Phänomen der erloschenen Sterne, die wir aber noch leuchten sehen. Zum Abschluss klären wir, weshalb ein Weltraumtelefonat schwierig ist.

Die Lichtgeschwindigkeit

Das kennst du sicherlich: Bei einem Gewitter , siehst du erst den Blitz und dann hörst du den Donner . Vielleicht kennst du auch den Grund dafür: Der Schall muss sich erst bis zu uns ausbreiten. Beim Licht ist es genau so. Die Lichtgeschwindigkeit ist nur viel größer als die Schallgeschwindigkeit .

Wie kann man so eine große Lichtgeschwindigkeit messen? Hier sind wir im Arbeitszimmer von Hippolyte Fizeau . Es ist das Jahr 1848. Fizeau ist gerade dabei, seine neue Erfindung auszuprobieren: Eine Apparatur für die Messung der Lichtgeschwindigkeit. Um diese Apparatur zu verstehen, nutzen wir das Lichtstrahlenmodell .

Das Lichtstrahlenmodell

Von Fizeau’s Lichtquelle aus trifft ein Lichtstrahl auf einen halb durchlässigen Spiegel und wird umgelenkt. Dann läuft er durch ein Zahnrad. Je nachdem ob ein Zahn im Weg ist oder nicht, kann das Licht hindurch laufen. Dann läuft der Strahl durch das Fenster zu einem 9 Kilometer entfernten Spiegel. Vom Spiegel wird das Licht zurück geworfen. Beim Rückweg muss es auch wieder durch das Zahnrad laufen und landet erst dann in Fizeau’s Auge .

Fizeau´s Zahnrad

Während das Licht zum Spiegel und zurück läuft, dreht sich das Zahnrad weiter. Wenn Fizeau die Drehgeschwindigkeit des Zahnrads nun hoch genug wählt, trifft das Licht beim Rückweg auf einen Zahn. Es kommt dann also kein Licht bei Fizeau an. Aus dem Verhältnis von Weglänge und Laufzeit zwischen Lücke und Zahn des Zahnrads kann man die Geschwindigkeit des Lichtes bestimmen.

Man kommt zu dem Ergebnis, dass sich Licht mit einer Geschwindigkeit von etwa 300.000 Kilometern pro Sekunde ausbreitet. Das bedeutet, dass das Licht in einer Sekunde mehr als sieben mal um die Erde kreisen könnte.Wenn Fizeau seinen Spiegel auf dem Mond platziert hätte, könnte sich sein Zahnrad sehr langsam drehen. Für die Strecke hin zum Mond und zurück braucht das Licht schon fast drei Sekunden.

Die Apollo 11 Mission

Tatsächlich haben Wissenschaftler diesen Versuch gemacht. Dafür hat ein Raumschiff der Apollo 11 Mission einen Spiegel zum Mond gebracht. Mit einem Laser haben die Wissenschaftler einen Lichtpuls ausgesendet und die Zeit bis zu seiner Rückkehr gemessen. Das Ziel des Experimentes war aber nicht die Messung der Lichtgeschwindigkeit, sondern die genaue Bestimmung des Abstands zwischen Erde und Mond.

Die Lichtgeschwindigkeit können wir heute mit moderneren Methoden viel genauer als mit Fizeaus Methode bestimmen. Dadurch kann man auch die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium wie Wasser relativ genau bestimmen. Die Lichtgeschwindigkeit ist nämlich abhängig vom Medium, in dem sich das Licht bewegt. In Luft beträgt sie etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde. In Wasser nur etwa 225.000 Kilometer pro Sekunde.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist die größte mögliche Geschwindigkeit und eine Naturkonstante . Gerundet entspricht der Wert etwa dem Wert für die Lichtgeschwindigkeit in Luft. Kommen wir damit zurück zum Sternenhimmel und den erloschenen Sternen. Obwohl die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum so groß ist, kann das Licht von einem weit entfernten Stern Tausende oder sogar Millionen von Jahren unterwegs sein. Deshalb sind manche Sterne, die wir am Nachthimmel sehen, eigentlich schon längst erloschen. Licht und somit auch Signale können sich also nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

Zusammenfassung zur Lichtgeschwindigkeit

Wenn man zum Beispiel vom Mars eine Nachricht zur Erde schicken würde, müsste man deshalb mindestens 6 Minuten auf eine Antwort warten. Solche Verzögerungen machen jedes Weltraumtelefonat mit der Erde extrem nervenaufreibend. Fassen wir also noch einmal zusammen: Licht breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.

Diese ist vom Medium abhängig. In Wasser beträgt sie etwa 225.000 Kilometer pro Sekunde. In Luft und im Vakuum beträgt sie etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist die größte bisher beobachtete Geschwindigkeit und eine Naturkonstante . Wenn du zum Sternenhimmel schaust, schaust du also in die Vergangenheit. Würden wir einen großen Spiegel irgendwo im Weltraum entdecken, könntest du vielleicht mit einem sehr guten Teleskop deine eigene Geburt beobachten. Eine interessante Vorstellung, oder?

leider zu viel und zu schnell erklärt.

Hallo Diana,

die Lichtgeschwindigkeit liegt definitiv bei etwa 300.000 km/s.

Satelliten befinden sich häufig in der geostationären Umlaufbahn, diese befindet sich in etwa 36.000 km Höhe. Für den Hin- und Rückweg bräuchte das Licht also etwa 0,25 s.

Liebe Grüße aus der Redaktion.

Super Video! 😉👍👌 Wie lange brauchen dann Sateliten um etwas auf der Erde wahrzunehmen und wieder zurückzuschicken. Und meine Physik-Lehrerin sagte die Lichtgeschwindigkeit beträgt 800.000 km/s. Trotzdem Danke. LG 🤗🦄

Bombastisch super gut galaktisch erklärt 👍

Lichtgeschwindigkeit Übung

Fasse dein wissen über die lichtgeschwindigkeit zusammen..

Die Lichtgeschwindigkeit und ihre Eigenschaften liegen außerhalb unserer Erfahrungswelt.

Im Vakuum bewegt sich Licht völlig unbeeinflusst fort.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine Naturkonstante und mit rund $300~000\frac {km} {s}$ die größte Geschwindigkeit, die je gemessen wurde. In einer Sekunde legt das Licht damit eine Strecke zurück, die siebenmal länger ist als der Umfang unserer Erde. Diese Geschwindigkeiten kann man sich nicht mehr wirklich vorstellen.

Sämtliche Informationen, die wir erhalten, können maximal mit dieser Geschwindigkeit übertragen werden. Das spielt in unserer Erfahrungswelt keine große Rolle, da die Zeit, die das Licht für normale Entfernungen benötigt, unfassbar klein ist. Daher kann man den Eindruck bekommen, das Licht breitet sich mit unendlicher Geschwindigkeit aus. In größeren Maßstäben muss aber die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit technisch berücksichtigt werden, beispielsweise bei der Informationsübertragung mit Satelliten.

In Stoffen breitet sich das Licht immer noch unvorstellbar schnell, aber mit geringeren Geschwindigkeiten als im Vakuum aus.

Beschreibe die Ursachen der gezeigten Phänomene beim Licht.

Bei geringen Entfernungen ist die Zeit, die das Licht zum Zurücklegen benötigt, nicht wahrnehmbar.

Bei Entfernungen im astronomischen Maßstab sind die Zeiten, die das Licht zum Zurücklegen der Entfernungen benötigt, sehr groß.

In unserer eigenen Erfahrungswelt spielt die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit aufgrund ihres hohen Wertes keine Rolle. Normale Entfernungen legt das Licht in Bruchteilen von Sekunden zurück. Das fällt uns dann auf, wenn bei Phänomenen auch geringere Geschwindigkeiten wie die Schallgeschwindigkeit auftreten.

Betrachtet man die astronomischen Größenordnungen, so sieht man, dass die Lichtgeschwindigkeit dort vergleichsweise gering erscheint. Um die Entfernung vom nächstgelegenen Stern zur Erde zurückzulegen, benötigt das Licht über vier Jahre. Entfernungen im Weltall werden daher häufig in Lichtjahren angegeben. Ein Lichtjahr ist dabei die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt! Unsere Galaxie, die Milchstraße, besitzt einen Durchmesser von 100 000 Lichtjahren.

Ermittle die Geschwindigkeit, mit der Lichtsignale in Glasfasern übertragen werden.

Ermittle 70 % der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Beachte die richtige Einheit.

In Glasfaserkabeln werden die Informationen mit einer Geschwindigkeit von etwa 210 000 Kilometern pro Sekunde übertragen. Dies entspricht 70 % der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Durch den Einsatz von Glasfaserkabeln können die enormen Mengen an Daten weltweit übertragen werden. Die Informationen werden dabei nicht mehr elektrisch (über Kupferkabel) übermittelt, sondern optisch mittels Licht, weil der Transport der Daten so effektiver ist.

Bestimme die Zeit, die das Licht für die Strecke von der Sonne zur Erde benötigt.

Das Licht bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit durch das Vakuum.

Zur Bestimmung der Zeit t benötigst du den Weg s und die Geschwindigkeit v des Lichtes.

Verwende zur Berechnung die Formel für die gleichförmige Bewegung.

Es gilt: $s=v\cdot t$.

Umgestellt nach t ergibt sich: $t=\frac {s} {v}$.

Das Licht benötigt rund 8 Minuten für den Weg von der Sonne zur Erde. Das heißt, das Licht, dass wir in dem Moment wahrnehmen, wenn wir zur Sonne schauen, ist bereits 8 Minuten alt.

Auch bei unserer Sonne schauen wir also schon ein kleines Stück in die Vergangenheit. Aber bei Weitem nicht so stark, wie bei Sternen, die Tausende oder noch mehr Lichtjahre von uns entfernt sind.

Setze die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum mit der in anderen Medien ins Verhältnis.

Je stärker die Wechselwirkung des Lichtes mit den Teilchen in einem Stoff ist, also je dichter ein Stoff, desto geringer ist die Lichtgeschwindigkeit.

In einem Stoff bewegt sich das Licht zwischen den einzelnen Teilchen mit der Lichtgeschwindigkeit, mit der es sich auch im Vakuum fortbewegt. Dazwischen kommt es jedoch immer wieder zu Wechselwirkungen mit den Teilchen des Stoffes, was die Ausbreitung des Lichtes verzögert.

In Luft, einem gasförmigen Stoff, ist die Teilchendichte gering. Die Wechselwirkungen treten selten auf. Darum bewegt sich das Licht durch Luft fast mit derselben Geschwindigkeit wie im Vakuum. In der Flüssigkeit Wasser beträgt die Lichtgeschwindigkeit nur noch rund 225 000 Kilometer pro Sekunde. In einem Feststoff wie Glas ist sie noch geringer, sie beträgt dort etwa 160 000 Kilometer pro Sekunde. Im Feststoff Diamant ist sie noch kleiner: lediglich 125 000 Kilometer pro Sekunde.

Schätze ab, in welcher Entfernung man eine Verzögerung des Lichtsignals feststellen könnte.

Welche Strecke legt das Licht in einer Zehntelsekunde zurück?

Die Strecke, die für diese Messmethode mit einem Menschen als Zeitnehmer notwendig wäre, ist auf der Erde nicht realisierbar.

Die Lichtgeschwindigkeit kann also entweder über größere Entfernungen bestimmt werden wie bei der Messung eines Laserpulses zwischen Erdoberfläche und Mondspiegel. Moderne Verfahren nutzen aber die technischen Möglichkeiten aus, sehr kurze Zeitspannen messen zu können. Damit entfällt die Notwendigkeit, lange Strecken zur Messung der Lichtgeschwindigkeit zu verwenden.

Lichtquellen und Lichtempfänger

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Was ist Licht?

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Das Michelson-Morley-Experiment

• Jahrgang 12 (Q2)

Die Physiker Albert A. Michelson und Edward W. Morley führten im Jahre 1887 ein Experiment durch, mit dem sie den ruhenden Äther nachweisen bzw. die Geschwindigkeit des Äthers relativ zur Erde messen wollten. Damit hätten sie letztendlich einen Beleg für die Existenz eines absoluten Raumes erhalten.

Zur damaligen Zeit ging man davon aus, dass die Bewegung der Erde um die Sonne in einem ruhenden Äther als “Ätherwind” messbar sein müsste. Die Lichtgeschwindigkeit in Richtung des Ätherwindes sollte sich also von der Lichtgeschwindigkeit entgegen des Ätherwindes unterscheiden – wenn auch nur geringfügig.

Direkte Messungen der Lichtgeschwindigkeit waren mit der dafür notwendigen Gernauigkeit nicht möglich, doch um die Unterschiede der Lichtgeschwindigkeit in verschiedene Raumrichtungen zu messen, fanden Michelson und Morley einen anderen Weg:

Sie verwendeten dazu ein Michelson-Interferometer mit folgendem Aufbau:

Das Licht gelangt auf zwei Wegen zum Beobachter:

Am halbdurchlässigen Spiegel wird das Licht in zwei Bündel 1 und 2 zerlegt. Ein Teilbündel gelangt zu Spiegel M 1 , das andere zu Spiegel M 2 .

An den Spiegeln wird das Licht jeweils reflektiert, und nach dem Durchgang durch den halbdurchlässigen Spiegel überlagern sich die beiden Teilbündel und gelangen zum Beobachter.

Die beiden Teilbündel interferieren miteinander, und der Beobachter sieht ein Interferenzmuster, welches von den Phasen der beiden Teilbündel abhängt.

Erwartetes Ergebnis:

Die Lichtgeschwindigkeit ist wie die Geschwindigkeit bewegter Körper von der Raumrichtung abhängig. Eine Drehung der Anordnung um 90° führt zu einer Veränderung des Interferenzmusters beim Beobachter, da sich die Laufzeit des Lichts durch den Ätherwind abhängig von der Raumrichtung verändert.

Für die Laufzeiten der beiden Bündel gelten folgende Zusammenhänge:

Wir erwarten, dass sich Bündel 2 auf dem Hinweg zu M 2 mit der Geschwindigkeit c + v ausbreitet. Für die dafür benötigte Zeit gilt

Für den Rückweg erwarten wir die Geschwindigkeit c – v . Die benötigte Zeit beträgt entsprechend

Die Gesamtzeit , die Bündel 2 benötigt, um vom halbdurchlässigen Spiegel zu M 2 und wieder zurück zu gelangen, ist

Um die Brüche zu addieren, bringt man sie durch Erweiterung auf den gleichen Nenner:

Ausmultiplizieren von Zähler und Nenner ( 3. binomische Formel ) führt zu

Dies ergibt sich aus einfachen geometrischen Überlegungen:

Als Analogie kann man sich ein Boot vorstellen, welches senkrecht zur Strömungsrichtung einen Fluss überquert.

Das Boot muss, um den Fluss senkrecht zu durchqueren, etwas stromaufwärts steuern (auf dem Hinweg also nach links), damit die resultierende Bewegung senkrecht erfolgt.

Die resultierende Geschwindigkeit ist kleiner als die Fahrgeschwindigkeit des Bootes. Die gemessene Lichtgeschwindigkeit ist also kleiner als c.

Für die Laufzeit des Lichtbündels 1 gilt sowohl für den Hin- als auch für den Rückweg

Die Gesamtzeit , die Bündel 1 benötigt, um vom halbdurchlässigen Spiegel zu M 1 und wieder zurück zu gelangen, ergibt die

Es müsste sich also eine Laufzeitveränderung in beide Richtungen ergeben.

zurückbleibt.

Damit ergibt sich eine Laufzeitdifferenz von

Tatsächliches (experimentelles) Ergebnis:

Es trat keine Veränderung des Interferenzmusters auf. Das bedeutet:

Die Lichtgeschwindigkeit ist in allen Raumrichtungen und damit in allen Bezugssystemen konstant.

Dieses Ergebnis steht im Widerspruch zur klassischen Physik und war eines der größten Rätsel der Physik am Ende des 19. Jahrhunderts. Die Überlegungen, die wir zuvor zur Relativität von Bewegungen aufgestellt haben, scheinen also für Licht nicht zu gelten.

Unabhängig voneinander lieferten G.F. Fitzgerald und H.A. Lorentz in den 1890er Jahren eine mögliche Erklärung:

Diese Kontraktion solle durch die Kräfte des Äthers auf die Moleküle entstehen.

Albert Einstein lieferte im Jahre 1905 eine alternative Erklärung, die die bisherigen Vorstellungen von Raum und Zeit grundlegend in Frage stellte. Mit seiner speziellen Relativitätstheorie löste Einstein alle Probleme, die in den Bereichen der elektromagnetischen Theorie und der Newton’schen Mechanik existierten.

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Spezielle Relativitätstheorie

Michelson-morley-experiment.

Ziel des Versuchs

• Bestimmung der Geschwindigkeit der Erde im Lichtäther
• Ergebnis: Die Lichtgeschwindigkeit bleibt entgegen der Erwartungen konstant
• Folgerungen: Es gibt keinen Lichtäther 

Bereits seit Beginn des 19. Jahrhunderts wusste man, dass Licht sich wie Wellen ausbreitet. Alle anderen bekannten Wellen (Wasserwellen, Druckwellen, Schallwellen) sind an ein Medium gebunden. Daher nahm man an, dass auch das Licht an irgendeine Form an ein Medium gebunden ist. Dieses Medium sollte offensichtlich unsichtbar sein und wurde Lichtäther genannt. Es wurde angenommen, dass sich der Äther selbst in absoluter Ruhe befindet und sich jeder Körper, also auch die Erde, mit einer bestimmten Geschwindigkeit relativ dazu bewegt. Dass sich die Erde gegenüber dem Lichtäther bewegt und nicht der Lichtäther mit der Erde ganz oder teilweise mittransportiert wurde, erkannte man aus der sogenannten Aberration der Sterne.

Da sich die Erde auf ihrer Bahn mit ungefähr \(v_{\rm{Erde}} = 3 \cdot {10^4}\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}\) bewegt, das Licht eine Geschwindigkeit von \(c = 3 \cdot {10^8}\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}\) hat, muss der Astronom beim Beobachten von Sternen das Fernrohr in Richtung des scheinbaren Sternlichtes ausrichten. Diesen Aberrationswinkel muss der Astronom dem Verlauf der Erdumlaufbahn entsprechend im Laufe eines Jahres anpassen, was zeigt, dass die Lichtrichtung von der Erdgeschwindigkeit abhängig ist.

Auf Grund des Geschwindigkeitsvektordiagramms ergibt sich für ein senkrecht zur Erbahn einfallendes Sternenlicht der größtmögliche Aberrationswinkel (Aberrationskonstante) durch \[{\sin\alpha _{{\rm{max}}}} = \frac{v_{\rm{Erde}}}{c} \Rightarrow {\alpha _{{\rm{max}}}} = 20{,}48''\]

Die beiden Physiker Albert Abraham MICHELSON (1852 - 1931) und Edward Williams MORLEY (1838 - 1923) wollten 1887 die Geschwindigkeit der Erde in diesem Äther mit Hilfe von Lichtstrahlen bestimmen. MICHELSON und MORLEY nahmen an, dass die Geschwindigkeit eines Lichtsignals wie am Beispiel der Laufzeitänderung durch Wind (siehe Link am Ende des Artikels) von der Bewegung und der Bewegungsrichtung durch den Äther abhängt. Dafür bauten sie ein äußerst genaues Messinstrument, ein so genanntes Interferometer. Die Idee dahinter: Die Geschwindigkeit des Lichtes wird in zwei verschiedene Richtungen gemessen, einmal in Bewegungsrichtung der Erde und einmal senkrecht dazu und miteinander verglichen. Das Licht, das sich in Richtung der Erdbewegung hin und zurück bewegt, müsste langsamer sein, als das, welches sich senkrecht dazu bewegt.

MICHELSON und MORLEY ließen die Lichtstrahlen - um einen längeren Weg zu haben - mehrfach hin und her reflektieren, bis beide Lichtstrahlen vereint in ein Mikroskop zur Beobachtung trafen. Sie bauten ihre Messanordnung auf eine Steinplatte, die auf einem Quecksilbersee schwamm. Auf diese Weise konnten sie die Anordnung erschütterungsfrei drehen und so die Bewegungsrichtung der Erde bezüglich des Experiments verändern.

Animation des Versuchs von MICHELSON und MORLEY

Ein Lichtstrahl wird im halbdurchlässigen Spiegel geteilt. Die beiden Teil-Lichtstrahlen bewegen sich gleich lange Strecken zu ihren Endspiegeln und zurück und vereinigen sich dann wieder. Sind die Zeiten dabei völlig gleich, kommt es zu konstruktiver Überlagerung mit dem entsprechenden Interferenzmuster für konstruktive Überlagerung. Sind die beiden Zeiten unterschiedlich, so ändert sich das Interferenzmuster.

Doch so sorgfältig die beiden Forscher ihre Messungen auch ausführten, sie konnten keinen Unterschied in der Geschwindigkeit feststellen. Die Lichtgeschwindigkeit blieb konstant.

Folgerungen aus dem Versuch von MICHELSON und MORLEY

Das Nullergebnis des Michelson-Morley-Versuchs, des berühmtesten Versuchs mit negativem Versuchsergebnis, kann zu folgenden Hypothesen führen:

Die Erde ruht im "Lichtäther"

Auf der Erde ist kein Ätherwind messbar, weil die Erde im Ätherwind ruht. Gegen diese Annahme spricht einerseits, dass die Erde keine einzigartige Stellung im Kosmos hat, was bereits zu Zeiten GALILEIs einen Glaubenskrieg auslöste, und andererseits die Aberration der Gestirne.

Der Äther wird von Körpern endlicher Masse mitgeführt

Diese Hypothese ist durch den Versuch von FIZEAU widerlegt. Dabei wird die Lichtgeschwindigkeit in strömenden Flüssigkeiten gemessen. Es zeigt sich (vom Ätherstandpunkt beschrieben), dass die Körper zwar den Äther mitführen, aber nur unvollständig, und um so besser, je größer ihre Brechzahl ist. Luft mit der Brechzahl bei 1 bringt demnach keine merkliche Mitführung zustande.

Kontraktionshypothese (FITZGERALD und LORENTZ 1892)

Körper werden in ihrer Bewegungsrichtung durch den Äther gerade so verkürzt, dass keine messbaren Laufzeitunterschiede zustande kommen. Der Ätherwind ist nach dieser Theorie zwar vorhanden, kann aber nicht gemessen werden. Diese Verkürzung in "Ätherwindrichtung" darf nicht mit der Längenkontraktion auf Grund der Lorentztransformation verwechselt werden.

Es gibt keinen Äther

Diese einfachste Theorie liegt im Grunde den EINSTEIN'schen Postulaten zu Grunde, die lauten:

• Die Lichtgeschwindigkeit ist in allen Inertialsystemen (Bezugssystemen, die sich gegeneinander mit konstanter Geschwindigkeit bewegen) gleich.
• Alle Inertialsysteme sind bezüglich der Gültigkeit der physikalischen Gesetze gleichberechtigt.

Beachte hierzu auch den Auszug aus der Originalarbeit von EINSTEIN: Zur Elektrodynamik bewegter Körper

Wenn du daran interessiert bist, so kannst du hier die gesamte Originalarbeit von EINSTEIN (1905) (keine leichte Kost, aber in deutscher Sprache) oder aber hier die Originalarbeit von MICHELSON (1887) (in englischer Sprache) ansehen.

Neueste Forschungen

Der Michelson-Versuch wird heute mit modernsten Mitteln wiederholt. Er ist inzwischen so klein, dass man ihn in eine Weltraumsonde packen könnte. Noch wird er aber auf der Erde durchgeführt und verwendet als Vergleichsgeschwindigkeiten die ihre Richtung in 12 Stunden umkehrende Rotationsgeschwindigkeit und die in 6 Monaten sich umkehrende Bahngeschwindigkeit der Erde.

Der Versuch wird von der Experimentalphysik der Uni Düsseldorf durchgeführt. Statt der Spiegelanordnung verwendet man auf 4 Kelvin in einem Cryostaten heruntergekühlte optische Resonatoren (Core 1 und Core 2) (siehe Bilder unten) in denen die Laserstrahlen hin- und herschwingen.

Vorheriger Versuch

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