Golven en Straling Experimenteer Kit

Datum: Januari - November 2011

Principe:

Elektromagnetische straling principes onderzoeken.

Materiaal:

  • Multimeter
  • Highlighter pen (geel)
  • Speld
  • Stuk karton
  • Lamp
  • Schaal met water
  • Mindsets Online Wave and Radiation Sample Pack
    Prijs: £ 9.27
     

Het SEP ‘Waves and Radiation sample pack’ is een experimenteerpakket dat ondersteund bij het onderzoeken van elektromagnetische straling. Het pakket bevat een selectie aan experimenten zoals een eenvoudige  spectroscoop, een infrarood zender/ontvanger kit, een microgolf straling detector, diffractie roosters, etc..

De begeleidende instructies geven ideeën voor het uitvoeren van experimenten en wetenschappelijke verklaringen voor de gedane observaties, beginnende met zichtbaar licht en overlopend naar het infra rood, microgolf en ultra violet straling.
   
Kit voor experimenten met zichtbaar licht experimenten met Infra Rood Straling
Kit voor experimenten met golf eigenschappen en straling Kit voor experimenten met microgolf straling en UV straling

Experimentele opstelling:

Experiment 1: Spectroscoop  
De experimenteerset bevat een bouwpakket om een spectroscoop te bouwen m.b.v. een CD.
Zet deze in elkaar, plaats deze in een statief met klem en laat licht vallen op de intreespleet.
Kijk door het kijkgat.
   
Experiment 2: Combineren van kleuren  
  • Neem een LED en een knoopcel.
  • Plaats de LED op de knoopcel met de lange draad op de + kant en de korte op de - kant van de batterij.
  • Richt de straal op een wit vlak.
  • Voeg meerdere kleuren toe waarbij men ervoor moet zorgen dat kleuren samenvallen op het witte vlak. 
   
Experiment 3: Signalen versturen via glasvezel
  • Neem de LDR en plaats deze in de plastic houder zoals aangegeven op nevenstaande foto.
  • Plaats de gasvezel in het gat aan de andere kant.
  • Neem de multimeter en stel deze op weerstandsmeting in.
  • Richt de andere kant van de glasvezel op een lichtbron en observeer.
   
Experiment 4: Detecteren van Infra Rood straling
  • Neem de fototransistor en verbindt deze met de multimeter zoals aangegeven in nevenstaande figuur. Let er hierbij op dat de lange draad verbonden is met de - pool (aarde) hetgeen tegenovergesteld is aan wat men met de LED deed.
  • Stel de multimeter in op weerstandsmeting.
  • Richt de fototransistor op een lichtbron en observeer.

   
Experiment 5: Signalen versturen m.b.v. Infra Rood straling
  • Maak een IR zender door IR LED en weerstand te monteren in de kroonplug zoals aangegeven in onderstaand schema.
  • Maak een IR ontvanger door de fototransistor en een rood LED te monteren in de kroonplug zoals aangegeven in onderstaande figuur.
  • Verbindt de zender en ontvanger met de batterijbozen zoals aangegeven in nevenstaande foto.
  • Richt de IR zender op de IR ontvanger en observeer.
   
Experiment 6: Microgolf straling  
  • Verwijder de plastic contactverbreker uit de telefoon flitser.
  • Plaats de telefoonflitser naast een mobiele telefoon.
  • Bel deze op m.b.v. een andere telefoon.
  • Observeer.
  • Herhaal dit experiment maar wikkel nu de telefoonflitser in de lap genaakt van geleidende vezels.
  • Observeer.
  • Herhaal het 1ste experiment maar plaats nu een natte doek tussen flitser en telefoon. 
   
Experiment 7: Ultraviolet straling  
  • Plaats de UV LED op een knoopcel zoals aangegeven in Experiment 2.
  • Richt de straling op de "Glow in the dark" film en schrijf je initialen op de film.
  • Herhaal dit experiment met een rood, groen en blauw LED.
  • Observeer het gedrag van de film.
  • Maak een tekening op een wit vel papier m.b.v. een Highlighter.
  • Bestraal de tekening met het UV LED in een donkere kamer.
  • Observeer
  • Plaats, op een zonnige dag, een UV gevoelige kraal juist buiten het raam en een aan de binnenkant van het raam.
  • Observeer.
   
Experiment 8: Diffractie  
  • Maak m.b.v. een speld een gaatje in een stuk karton.
  • Houdt deze voor de lamp.
  • Neem het diffractie rooster en kijk door het rooster naar het gat in het karton zoals aangegeven in nevenstaande figuur.
  • Observeer
   
Experiment 9: Polarisatie  
  • Plaats een bak met water en positioneer jezelf dusdanig dat men kan zien dat licht gereflecteerd wordt op het oppervlak van het water.
  • Neem het polarisatie filter en kijk door het filter weer naar het oppervlak.
  • Roteer de film.
  • Observeer.
  • Plaats een stuk polarisatie film bovenop een ander en observeert.
  • Roteer een van de films en observeer.
  • Plaats een polarisatiefilter voor een computerscherm en observeer wat er gebeurd als men de film roteert.

Uitvoering en resultaten:

Experiment 1: Spectroscoop  
Rechts het resultaat zoals we het idealiter zouden kunnen waarnemen. Links kan men zien wat ik daadwerkelijk voor elkaar gekregen heb.
   
Experiment 2: Combineren van kleuren  

Twee kleuren gecombineerd. Drie kleuren gecombineerd.
   
Experiment 3: Signalen versturen via glasvezel

Lamp is uit: R = 4.8 Ohm Lamp is aan: R = 30.7 Ohm
Men ontvangt dus een lichtsignaal als de weerstandswaarde toeneemt.
   
Experiment 4: Detecteren van Infra Rood straling

De weerstandswaarde veranderd niet als men er een koude (LED) lichtbron op richt of aan omgevingslicht bloot stelt.. Wel als men de fototransistor afdekt.
   
Experiment 5: Signalen versturen m.b.v. Infra Rood straling

De rode LED gaat branden, een teken dat er een stroom loopt en men dus een IR signaal ontvangt.
   
Experiment 6: Microgolf straling  

De twee telefoons, detector en geleidende stof De detector gaat knipperen voordat de telefoon aanslaat

En blijft knipperen als de telefoon laat zien dat we gebeld worden De detector slaat niet aan als deze ingepakt is in geleidende stof

Ook niet als de telefoon aanstaat
   
Experiment 7: UltraViolet straling  

 
Experiment 8: Diffractie  

Elk diffractie rooster laat een ander patroon zien.
   
Experiment 9: Polarisatie

Alleen lamp Een polarisatiefilter op lamp
Tweede polarisatiefilter dusdanig gedraaid dat er minimale lichtdoorval is.
   

Maximale lichtdoorval voor LCD scherm Na rotatie, minimale lichtdoorval voor LCD scherm

Discussie en conclusie:
 

 Experiment 1:
Wit licht dat uitgestraald wordt door de zon of door gloeilamp is opgebouwd uit een continue spectrum van frequenties. Een spectroscoop maakt het mogelijk die verschillende frequenties te zien. Wit licht is dus een mengsel van verschillende kleuren, zowel zichtbare als onzichtbare (ultra violet en infrarood). Een fluorescentie lamp (TL buis) straalt geen continue spectrum uit maar laat pieken van verschillende intensiteit zen bepaalde frequenties zien.
Om het licht in zijn verschillende frequenties te kunnen ontleden maakt men meestal gebruik van een prisma of een rooster. In dit geval hebben we een CD gebruikt, niet echt een rooster, maar de kleine putjes waaruit een CD is opgebouwd kunnen ook als een reflectie rooster fungeren.
 
Experiment 2:
Verschillende combinaties van rood, groen en blauw licht kunnen gebruikt worden om elke andere kleur te maken (kleurencirkel). De juiste combinatie van de drie kleuren kan wit licht maken hetgeen ook weer aangeeft dat wit licht een mengkleur is.
Het menselijk oog heeft drie verschillende kleur receptoren (conische cellen) die gevoelig zijn voor licht in het rode, groene of blauwe deel van het spectrum (er is ook een beetje overlap). Alle kleuren die wij denken te zien worden opgebouwd uit verschillende stimuleringspatronen van deze receptoren. Aangezien er maar drie verschillende kleur receptoren zij  is het dus in principe mogelijk met maar drie LED's (rood, groen en blauw) elke kleur die men meent waar te nemen na te bootsen. Als men dus tegelijkertijd de rode en de groene receptoren stimuleert dan vertalen onze hersenen dit naar een gele kleur. Ook een computer monitor of TV maakt van dit principe gebruik door 3 verschillende kleur pixels (rood, groen en blauw) de intensiteit te variëren.
 
Experiment 3:
Dit experiment demonstreert het principe van signaaloverdracht m.b.v. een bron (LED), afstand die overbrugt moet worden (glasvezel) en een detector (licht afhankelijke weerstand). Signalen kunnen als lichtpulsen verstuurd worden en gedetecteerd worden als een verandering van de weerstand van een licht afhankelijke weerstand. Het principe van een glasvezel is dat licht  over de gehele lengte van de vezel, zelfs als deze gebogen is, getransporteerd kan worden. De verklaring is dat binnenin de glasvezel licht intern volledig gereflecteerd alvorens het het uiteinde van de glasvezel verlaat. In werkelijkheid gebruikt men lasers om elektrische digitale signalen om te zetten in zeer snelle lichtpulsen (tot honderd miljoen per seconde). De kwalitatief beste glasvezels kunnen afstanden van ca. 100 km overbruggen voordat het signaal versterkt moet worden. Het grote voordeel van glasvezel boven koperdraad voor signaaltransport is dat deze goedkoper is en dat er ook dunner draden met een hogere overdrachtscapaciteit gemaakt kunnen worden.
 
Experiment 4:
De weerstand van een fototransistor daalt scherp als ze beschenen wordt door een lichtbron zoals een gloeilamp. Bij gebruik van een fluorescerende lichtbron is het effect minder dramatisch. Een gloeilamp straalt nl. veel meer IR straling (dus warmte) uit dan een fluorescerende lamp hetgeen aangeeft dat een gloeilamp veel minder efficiënt is. Deze fototransistor detecteert dus vnl IR straling.
 
Experiment 5:
Als een IR zender aangezet wordt en op een mobiele telefooncamera gericht wordt zal de IR emitter diode zichtbaar worden als een helder witte vlek aangezien de beeld sensor in  de camera zowel IR als zichtbaar licht detecteert. Als in dit experiment de IR zender gericht wordt op de ontvanger zal de IR straling ervoor zorgen dat de weerstand in de fototransistor daalt. Er zal dan meer stroom door het circuit stromen en de rode LED zal oplichten. Door de IR zender aan en uit te zetten kan men de rode LED aan en uitzetten, en op deze manier kan men dus een signaal versturen. In termen van signaaloverdracht is in deze schakeling de IR zender diode de bron en de fototransistor de  detector. De IR straling beweegt zich door de lucht maar zoals alle elektromagnetische straling kan deze zich ook door vacuüm bewegen.
 
Experiment 6:
Microgolf straling wordt door metalen oppervlaktes gereflecteerd terwijl water microgolf straling absorbeert. Dit is het principe waarop de magnetron is gebaseerd. Voedsel dat water bevat absorbeert de straling en wordt warmer. De warmte effecten van microgolf straling die door een mobiele telefoon wordt uitgestraald op een water bevattend object (zoals ons hoofd) zijn te klein om door normale thermometers gemeten te kunnen worden. 
 
Experiment 7:
"Glow-in-the dark" papier bevat een fosforescerend materiaal; als het blootgesteld wordt aan UV straling zullen deze moleculen licht absorberen, elektronen worden dan in een hogere energietoestand gebracht. Als deze elektronen na enige tijd weer terugvallen naar een lagere energietoestand wordt er een lichtfoton uitgezonden. Na korte tijd vallen deze elektronen weer terug naar een lagere energietoestand waarbij dan fotonen met een lagere energie worden uitgezonden (groen licht). Het energieniveau van blauw licht is voldoende hoog om materialen te laten fosforesceren, in tegenstelling tot groen en rood licht. Marker pennen bevatten fluorescerende materialen. Het verschil tussen fluorescentie en fosforescentie is dat bij fluorescentie de elektronen na excitatie gelijk terugvallen terwijl bij fosforescentie daar nog enige tijd tussen zit. Dit verklaard ook waarom fluorescerende materialen geen licht meer uitzenden als de lichtbron verwijderd wordt.
De UV gevoelige kralen kan me beter buiten dan binnen aan zonlicht blootstellen aangezien vensterglas al zeer veel UV licht absorbeert.
 
Experiment 8:
Het eerste rooster produceert een verticale serie van lichtpunten, het tweede rooster een X vormig patroon. Een van de ontdekkers van DNA die een röntgendiffractiepatroon van DNA gemaakt door Franklin bekken zag ook zulk een patroon en realiseerde zich dat het om een spiraalvormig molecuul moest gaan. Een horizontale set van lijnen produceert een interferentiepatroon dat bestaat uit een verticale serie van lichtpunten. Des te dichter de lijnen op elkaar staan des te verder der lichtpunten uit elkaar zullen staan. Indien men een spiraal van de zijkant bekijkt zal eruit zien als een zigzag lijnen patroon, twee sets van lijnen die parallel lopen met een klein fase verschil. Het zig patroon zal een  set van punten produceren in een oriëntatie terwijl het zag patroon punten in een andere oriëntatie produceert waardoor men een X vorm verkrijgt. De afstand tussen de lijnen bij de diffractieroosters die in dit experiment gebruikt zijn bedraagt 0.1 mm en licht wordt verstrooid in het zichtbaar licht gebied. Om diffractie patronen van DNA moleculen te kunnen maken moet men licht met een veel kortere golflengte gebruik, röntgen straling. 
 
Experiment 9:
De lichtstralen die door de Zon of een gloeilamp worden afgegeven  oscilleren in alle richtingen. Licht dat gereflecteerd is door een wateroppervlak gedraagt zich anders. Lichtgolven die in de verticale richting oscilleren dringen in het water door terwijl lichtgolven die in de horizontale richting oscilleren gereflecteerd worden. Straling die een bepaalde oriëntatie heeft noemt men gepolariseerd.  Polarisatiefilters laten licht door dat in een bepaalde richting oscilleert en houden licht tegen dat op een rechte hoek daarvan staat. Daarom zal in een oriëntatie van het polarisatiefilter het licht dat door het wateroppervlak gereflecteerd is het filter passeren terwijl als men het filter 90 ° draait het licht tegengehouden wordt.

Polarisatiefilters gebruikt men in zonnebrillen om de hoeveelheid licht te verminderen

Als men twee stukken polarisatiefilter oplijnt kan licht passeren als ze in dezelfde polarisatiehoek t.o.v. elkaar staan, terwijl alle licht tegengehouden wordt als ze haaks op elkaar staan  (cross-polarised). Het licht dat van een computerscherm komt is gepolariseerd onder een hoek van 45 °C. Als men het filter eerst op 45 ° houdt en vervolgens roteert met 90 ° kan men zien dat een oriëntatie het licht doorlaat en de andere het licht tegen houdt.

 

Literatuur:

  • J.Moors, W. van den Munckhof; 'Licht als golfverschijnsel'; Malmberg; 1ste druk; 1983; ISBN 9020850032.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Opmerkingen:

  • Dit experimenteerpakket is samengesteld als hulpmiddel voor Natuurkunde leraren om leerlingen een activiteiten pakket aan te bieden dat de natuurkundige principes van elektromagnetische straling aanschouwelijk maakt tegen weinig kosten.

15/01/2017