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26.03.09 · 10:16 Uhr
Wie man mit Schokolade die Lichtgeschwindigkeit bestimmt
Kategorie: Naturwissenschaften·Technik · Kommentare: 40
Nachdem ich gestern über das tolle Schülerexperiment zur Bestimmung der Entfernung des Mondes berichtet hatte, habe ich mich an ein anderes nettes Experiment erinnert. Vor kurzem habe ich beim Stöbern im Buchladen einen Band mit physikalischen Experimenten für zuhause gefunden (kann mich leider nicht mehr erinnern, wie der Titel des Buchs war).Eines der Experimente ist mir im Gedächtnis geblieben: die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit mit einer Tafel Schokolade! Dazu braucht man eine Tafel Schokolade (oder irgendetwas anderes das schmelzen kann) und einen Mikrowellenherd.
Denn wenn man den Mikrowellenherd einschalten, dann befinden sich da drin: Mikrowellen! Und wo die auf Lebensmittel treffen, wird es heiß. Nun sind die Wellen im Ofen aber stehende Wellen - d.h. ihre Maxima und Minima der Intensität sind i.A. immer an der selben Stelle.
Damit das Essen also schön gleichmäßig warm wird und nicht nur punktuell, hat man in Mikrowellenherd meistens einen Drehteller. Denn wollen wir aber nicht für unser Experiment, also bauen wir ihn aus! Denn uns interessieren gerade diese punktuellen Wärmequellen. Wenn man nämlich den Abstand zwischen zweier solcher "Hot Spots" misst, dann entspricht der genau dem Abstand zwischen Maximum und Minimum der Mikrowelle und damit der halben Wellenlänge.
Also packen wir eine Tafel Schokolade in den Ofen und schalten ein.
Nicht zu lange - sonst schmilzt die ganze Angelegenheit und wir haben nichts mehr zu (m)essen. Nur solange drin lassen, bis die ersten Schmelzpunkte entstehen. Die kann man dann ausmessen:
Auf dem Bild erkennt man es etwas schlecht (die Perspektive mit Lineal und Schokolade täuscht ein wenig und die geschmolzene Schokolade hat sich beim Herausholen aus der Mikrowelle ein bisschen verbogen. Ich wollte noch ein besseres Foto der Schmelzpunkte mit angelegtem Lineal machen - aber da war alles schon zu sehr verlaufen ;) ) - aber der Abstand zwischen den beiden "Hot Spots" beträgt etwa 6 cm - also haben die Mikrowellen eine Wellenlänge von 12cm.
Jetzt brauchen wir noch die Frequenz der Wellen. Diese Angabe findet sich meistens hinten auf jedem Mikrowellenofen und beträgt wahrscheinlich 2450 MHz (die ist genormt). Die Welle schwingt also 2450 Millionen Mal pro Sekunde auf und ab.
Und bei einer Wellenlänge von 12 cm oder 1,2 10-4 Kilometern entspricht das einer Geschwindigkeit von 2450000000 * 1,2 10-4 = 294000 km/s. Das ist also die Geschwindigkeit, mit der sich Mikrowellen ausbreiten. Und die diese genauso elektromagnetische Strahlung ist wie das Licht, sollte das auch der Wert für die Lichtgeschwindigkeit seit.
Die Messung ist gar nicht mal so schlecht! Der wahre Wert der Lichtgeschwindigkeit liegt bei 299792,458 km/s
So - und jetzt muss ich mich mal um die ganze geschmolzene Schokolade kümmern ;)
Auf dem Bild erkennt man es etwas schlecht (die Perspektive mit Lineal und Schokolade täuscht ein wenig und die geschmolzene Schokolade hat sich beim Herausholen aus der Mikrowelle ein bisschen verbogen. Ich wollte noch ein besseres Foto der Schmelzpunkte mit angelegtem Lineal machen - aber da war alles schon zu sehr verlaufen ;) ) - aber der Abstand zwischen den beiden "Hot Spots" beträgt etwa 6 cm - also haben die Mikrowellen eine Wellenlänge von 12cm.
Jetzt brauchen wir noch die Frequenz der Wellen. Diese Angabe findet sich meistens hinten auf jedem Mikrowellenofen und beträgt wahrscheinlich 2450 MHz (die ist genormt). Die Welle schwingt also 2450 Millionen Mal pro Sekunde auf und ab.
Und bei einer Wellenlänge von 12 cm oder 1,2 10-4 Kilometern entspricht das einer Geschwindigkeit von 2450000000 * 1,2 10-4 = 294000 km/s. Das ist also die Geschwindigkeit, mit der sich Mikrowellen ausbreiten. Und die diese genauso elektromagnetische Strahlung ist wie das Licht, sollte das auch der Wert für die Lichtgeschwindigkeit seit.
Die Messung ist gar nicht mal so schlecht! Der wahre Wert der Lichtgeschwindigkeit liegt bei 299792,458 km/s
So - und jetzt muss ich mich mal um die ganze geschmolzene Schokolade kümmern ;)
Autor: Florian Freistetter· 40 Kommentare· Permalink· Trackback-URL
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Süße Experimente: Mit Schokolade der Lichtgeschwindigkeit auf der Spur · ScienceBlogs · 27.03.09 · 06:30 Uhr
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Kommentare (40)
Geile Sache!
Bitte mehr davon.
Beeindruckend
Nee oder? Das ist ja zu witzig.
Kannst Du noch etwas zur Frage von Viince Ebert beitragen : verringert sich die Lichtgeschwindigkeit, wenn man sie durch eine Behörde leitet? ;-)
Ich probiere das ganze gerade mit einer Creme Caramel. Einfach um sicher zu gehen.
Hmmnjamnjamnjam, ischt rischtisch.
Hm, das müsste man vielleicht als "Black-Box" Experiment den Schülern vorsetzen. Ich wette fast, dabei würden die abenteuerlichsten Vermutungen und Erklärungen bei rauskommen, wieso denn gerade die Schokolade an bestimmten Punkten schmilzt. Aber vielleicht eignet sich das Experiment gerade dazu, also eher: wie gehe ich beim Experimentieren (Forschen) vor, als "nur" über die Wellenlänge die Lichtgeschwindigkeit zu bestimmen. Wenn das hier Physiklehrer lesen, frage ich mal in die Runde: Wie würdet ihr das Experiment im Unterricht einsetzen?
Gruß aus Oldenburg
Thorsten S.
ARGH
Das Buch arbeite ich gerade durch! Rezension ist schon eingerichtet, aber noch nicht fertig, weil Buch noch nicht fertig gelesen!
MENNO!
Da ich zu Schokolade irgendwie keine emotionale Beziehung aufbauen kann, habe ich es mal mit Eiern probiert.
Auf die 24 cm Breite meines Mikrowellenbackofens habe ich 6 Eier aufreihen können.
1 Minute bei 800 Watt ergaben folgendes Ergebnis: (von links nach rechts)
Die Kandidaten Nr. 2, und Nr.4 wurden stark deformiert.
Nr. 1, Nr. 3 und Nr. 6 waren zwar leicht erwärmt, aber strukturell intakt.
Nr.5 (bzw. Fragmente davon) wurde in einer Position um ca. 10 bis 15 cm horizontal und 3 bis 5 cm vertikal in Richtung hintere Ofenwand transportiert.
Das finde ich irgendwie nicht logisch..
An der Herkunft der Eier kann's nicht liegen. Ich habe genau darauf geachtet, dass die Eier den extremen Bedingungen des Versuchs angemessen sind. Da das Experiment in einem Faradayschen Käfige stattfindet, habe ich mich physikalisch korrekt für Eier aus natürlicher Käfighaltung entschieden.
Das alles belibt für mich irgendwie rätselhaft.
Läßt sich das Resultat mit dem Teilchencharakter der Photonen erklären oder steckt Uri Gellers spukhafte Fernwirkung hinter der Sache?
mfG
blogjoker
@Chris: Welches Buch war das denn? Ich kann mich nur noch erinnern, dass ich einige Bücher in der Sachbuchabteilung durchgeblättert habe und in einem davon auf dieses Experiment gestoßen bin... Hast du das Experiment auch gemacht?
@blogjoker: Hmm - wenn Ei 2 und 4 deformiert wurden und 1 und 3 nicht, dann kommt das doch eh ungefähr hin. Der Abstand zwischen 2 und 4 dürfte doch etwa 6 cm betragen? Was mit Ei 5 passiert ist, kann ich auch nicht sagen....
@florian
"Wie man mit einem Schokoriegel die Lichtgeschwindigkeit misst."
ACHTUNG ! DEMNÄCHST ALS REZENSION BEI MIR !
Ich habe vorne angefangen, und da kommen erstmal die ganzen Schnaps und Bier "Experimente" :-)
Müßte man nicht noch die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Mikrowellen in Schokolade/Fett berücksichtigen ?
@Jörn
Und die Unterschiede von Alpenmilch vs. Zartbitter. Viele Konstellationen lassen sich erdenken, um ( die Mikrowelle zu versauen ) zu forschen...
Dieser McGyver! :D
Tolle Sache! Ich verschicke das Experiment gerade an diverse Physiklehrämtler ...
Absolut klasse!
Dafür hast du die McGyver Medaille gewonnen:
"Eine Büroklammer"
MacGyver, so viel Zeit muss sein...
und ich weiß was ich heute abend zu hause mache :-))
AAAH!
Ich fahr gleich Schokolade kaufen!
Wie geil ist das denn? (
Ich muss den Post verlinken, das ist einfach genialst!
Als offizieller Podcast-Verlinker vom Dienst (TM) hier bei den ScienceBlogs hab ich für dieses Experiment natürlich auch was parat: Mit Butter auf Toast [MP3] statt mit Schokolade haben die Leute vom Naked Scienctists Podcast auch mal die Lichtgeschwindigkeit bestimmt. Übrigens auch schöne Schemazeichnungen auf der Seite zum Versuch, wie das mit der Wellenlänge so ist.
@Chris
Da bin ich jetzt wirklich gespannt drauf.
Ich hoffe, Du hast auch auf Anwendertauglichkeit getestet und Darre im Backofen gebastelt zum Bierbrauen ;-) Das täte mich ungemein interessieren, _bevor_ ich die Küche einferkle.
Aber warum physikalische Experimente? Ist doch Chemie ... hach, Fragen über Fragen *ungeduldigtrippel*
inzwischen zu Hause und bereits ausprobiert, es geht auch mit Käse ;-) durch die Verfärbung des Käses beim Anschmelzen lässt sich gut messen, Ergebnis 318500 km/s
Bilder sind gemacht, ich werde noch berichten
Mit M&Ms oder Smarties müsste man auch gute Ergebnisse kriegen. Hier sollten dann ja wirklich nur die Dinger schmelzen, die direkt unter dem Wellenmaximum sind; das müsste eigentlich genauere Ergebnisse geben.
Schade, es kommt nicht so oft vor dass ich Lust auf Physikexperimente habe - aber in der WG werden sie mir wohl den Kopf abreißen, wenn ich an unserem wichtigsten Küchengerät rumbastel ;)
Wie lange sollte man den die Schokolade ungefähr in der Welle lassen, um brauchbare Ergebnisse zu erzielen?
PP
Das musste ich jetzt aber loswerden.
Gab es auch schon mit Käse:
http://www.cczwei.de/index.php?id=tvissuearchive&tvissueid=32&#a80
Diesen Artikel habe ich meinem Mann in die Reha gefaxt. Wenn er wieder arbeitet, wird er das mal im Unterricht unterbringen.
Feines Experiment, nur:
es handelt sich dabei keineswegs um ein Experiment "zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit", wie der Artikel bzw. das darin erwähnte Buch weismachen wollen,
sondern natürlich um ein Experiment zur Feststellung
1. ob und in wie fern der betreffende Mikrowellenherd überhaupt stehende el.-mag. Wellen ausreichender Intensität erzeugte (und die Schokoladentafel währenddessen im Herd ruhte), sowie vor allem
2. ob und in wie fern das Produkt aus der (mittleren) Distanz zwischen den nebeneinanderliegenden, mit Zahlen beschrifteten Markierungsstrichen auf dem gezeigten Lineal und der (mittleren) Frequenz der Mikrowellen im Herd dabei
dem (nominellen) Geschwindigkeitswert "1/12 c" glich;
d.h. insbesondere
ob und in wie fern das Lineal "Zentimeter"-Markierungen trug und
ob und in wie fern der Herd Wellen mit der Norm entsprechenden Frequenz erzeugte.
Lichtgeschwindigkeit (unter Vernachlässigung optischer Medien) wird nicht experimentell bestimmt, sondern nominell und a priori, als "c".
Ah. Es gibt diese "Messungen" also gar nicht. Die Werte sind auch nicht mit immer neuen "Messungen" immer weiter verfeinert worden. Aha. c war schon immer bekannt und hatte immer denselben Zahlenwert.
@Frank Wappler: "Lichtgeschwindigkeit (unter Vernachlässigung optischer Medien) wird nicht experimentell bestimmt, sondern nominell und a priori, als "c"."
Bitte was? Ernsthaft, ich verstehs grad wirklich nicht. Licht bewegt sich mit einer gewissen Geschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit kann man messen. Eine Möglichkeit für so eine Messung habe ich oben vorgestellt. Wo ist das Problem?
> Bullet· 20.04.10 · 14:03 Uhr:
> c war schon immer bekannt und hatte immer denselben Zahlenwert.
Einen bestimmten Wert (im Sinne einer unmissverständlichen und gebräuchlichen Größe) gewiss.
Aber wieso _Zahlen_-wert ??
> Florian Freistetter· 20.04.10 · 14:10 Uhr:
> Licht bewegt sich mit einer gewissen Geschwindigkeit.
Ja, unter geeigneten Umständen kann man dem Austausch eines Lichtsignals einen gewissen Geschwindigkeitswert zuordnen
(insbesondere sofern zwischen Signalgeber und Signalaufnehmer dabei ein Distanzwert und ein Wert der Dauer von der Signaldarstellung des einen bis zur Signaldarstellung des anderen festgestellt werden konnte. Der entsprechende Geschwindigkeitswert ergibt sich zwangsläufig als das nominelle "c").
Aber von "bewegen" ist beim Signalaustausch wohl höchstens in (z.B. klassischen) Sonderfällen die Rede. (Im Wort "bewegen" steckt nun mal das Wort "Weg", was auf Lichtsignale i.A. nicht zutrifft. Auf das Feld in einer Mikrowelle übrigens auch nicht.)
> Diese Geschwindigkeit kann man messen.
Aus exakten Werten von Distanz und Dauer des Signalaustausches (sofern diese aus den Beobachtungsdaten eines geeigneten Versuchs zu gewinnen sind)
ergibt sich zwangsläufig die Geschwindigkeit "c" (als exakter Wert).
Das ist aber von vornherein bekannt (anhand der Messdefinitionen zur Feststellung von
"Distanz", "Dauer" und "Geschwindigkeit").
Selbstverständlich _kann_ man die Auswertung anhand jedes konkreten geigneten Versuchs durchführen.
Sofern man dabei exakte Werte von Distanz bzw. von Dauer nicht ermitteln konnte, muss man sich eben um die systematischen Unsicherheiten in der Auswertung der Geschwindigkeit kümmern.
> Eine Möglichkeit für so eine Messung habe ich oben vorgestellt. Wo ist das Problem?
Das wesentliche Problem:
Was sollen die (mit Zahlen versehenen) Striche bedeuten, die in den oben gezeigten Holzklotz geschnitzt sind?
Sollen die bedeuten:
"die Distanzen von einem Strich zum nächsten sollen alle ungefähr den Wert
1/29979245800 c/Hz haben"
?
(Oder falls nicht: was sonst?)
Und vor allem:
wurde dieser Holzklotz mit Markierungen im gezeigten Bild seiner Bedeutung gerecht, oder in wie fern nicht?
Damit zusammenhängend fragt sich auch:
Wurde die Mikrowelle der oben genannten Norm-Frequenzvorgabe im betrachteten Versuch gerecht, oder in wie fern nicht?
@Wappler: Ach, geh doch woanders rumtrollen...
Zusammenfassend:
man _kann_ wohl das Experiment etwa so auffassen:
"unter Verwendung der Tatsache, dass die Distanzeinheit
Meter als 1/299792458 c/Hz definiert ist
(und stillschweigend über die Konsequenz, dass sich
c unter Verwendung dieser Einheit zwangsläufig als
299792458 Meter Hz ergibt)
wurde c als 294000000 Meter Hz abgeschätzt;
es wurde experimentell bestätigt, dass
c =~= c (1 +/- experimentelle Unsicherheit).
p.s.
Die exp. Unsicherheit unserer Distanzabschätzung
beträgt etwa 2 %, d.h. etwa (294000000 - 299792458) / 299792458."
_Muss_ man aber nicht;
man kann stattdessen das Wesentliche, das vor dem experimentellen Versuch noch Unbekannte und eigentlich Prüfbare hervorheben:
"das Experiment hat gezeigt, dass das Lineal (zusammen mit Mikrowelle)
für diesen Zweck in diesem Versuch ca. 2 % genau war."
War das jetzt ein Versuch, wichtig zu sein?
Fehlgeschlagen.
...Danke für den Versuch
In meiner Facharbeit habe ich mir vorgenommen die Lichtgeschwindigkeit experimentell zu bestimmen, erst habe ich es mit dem Drehspiegelversuch von foucault versucht, allerdings erfolglos da meine spiegel das lich zu stark absorbierten und der laser nach wenigen spiegelungen einfach verschwand :( ...dann bin ich auf diesen sehr interessanten versuch gestoßen und wollte ihn gleich ausprobieren, jedoch würde ich gerne wissen, wie es möglich ist, elektromagnetische Wellen mit Lichtwellen zu vergleichen, also die theoretische oder experimentelle herleitung davon.
wenn mir dabei jmd helfen könnte wäre ich sehr dankbar :)
@Pütz: ", wie es möglich ist, elektromagnetische Wellen mit Lichtwellen zu vergleichen, also die theoretische oder experimentelle herleitung davon. wenn mir dabei jmd helfen könnte wäre ich sehr dankbar :) "
Da muss man nicht großartig was herleiten. Licht IST eine elektromagnetische Welle.
... und er schreibt "in seiner Facharbeit" ... das läßt übles erahnen.
Hat sich in der Zwischenzeit schon erledigt, habe alles was ich wissen wollte schon erfahren, danke trotzdem ;)
@Bullet danke für den qualitativ hochwertigen Beitrag.
Das ist ja mal sehr eindrucksvoll. Schön! Wir haben auf unserem Blog auch gerade über das Phänomen Lichtgeschwindigkeit berichtet – zum Beispiel warum man Blitze sofort sieht und weshalb wir den hellsten Stern am Himmel nicht so sehen, wie er heute ist, sondern wie er vor 8,6 Jahren war: http://blog.123energie.de/wie-schnell-ist-das-licht-das-phanomen-lichtgeschwindigkeit/
Darf ich das Experiment (sollte es funktionieren) in meinem Referat verwenden? Also mit Namens/buch-angaben etc...
Wäre unendlich dankbar...
@Sasha: Es bringt wenig, das hier zu fragen - da musst du schon die Buchautoren direkt fragen... Das Experiment wird zum Beispiel im Buch mit dem gleichnamigen Titel beschrieben: (wurde oben schon mal erwähnt)
http://www.amazon.de/Schokoriegel-Lichtgeschwindigkeit-n%C3%BCtzliche-Experimente-Hausgebrauch/dp/3596181445/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1326836273&sr=8-1
@Sasha: Auch Experimente gibts kein Copyright. Du kannst also gerne Schokolade in die Mikrowelle legen und die Lichtgeschwindigkeit messen. Wenn du im Referat noch sagst, aus welchem Buch du die Idee hast, wird sich der Lehrer aber sicher freuen.