Ein Tag für die Physik – der Grundkurs Physik im XLAB Göttingen

Am vergangenen Mittwoch unternahm der Physik-Grundkurs der Rhenanus-Schule einen Ausflug der besonderen Art: Im XLAB – dem Experimentallabor in Göttingen – stand das Modul „Wellenphysik mit Mikrowellen“ auf dem Programm. Dabei erwartete die Schüler ein intensiver und praktischer Einblick in die Welt des Unsichtbaren, der elektromagnetischen Wellen.

Beim Experiment zur stehenden Welle tauchte die Gruppe in ein grundlegendes Konzept der Wellenlehre ein – die sogenannte stehende Welle ist dabei auf den ersten Blick ein widersprüchlicher Ausdruck. Mit Hilfe einer Mikrowellenquelle und eines Reflektors wurde eine stehende Welle erzeugt, deren Struktur sich durch sogenannte Knoten- und Bauchpunkte auszeichnet, die sich - und das ist die Besonderheit - in ihrer Lage im Raum nicht ändern. Diese Punkte, an denen entweder kein Feld (Knoten) oder maximale Feldstärke (Bauch) herrscht, konnten mit einem Detektor systematisch erfasst werden. Durch das präzise Messen der Abstände zwischen den Bäuchen wurde die Wellenlänge der verwendeten Mikrowellen experimentell bestimmt. 

Dabei erfuhren die Schülerinnen und Schüler auch, wie sich die Wellenlänge zur Frequenz und zur Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle verhält – über die Beziehung c = λ·f. Diese stehenden Wellen, die normalerweise im Unsichtbaren existieren, konnten somit erfasst und bestimmt werden.

 

In einem weiteren Versuch ging es um ein physikalisches Prinzip von fundamentaler Bedeutung – die Interferenz. Der Versuch basierte auf dem Aufbau eines Michelson-Interferometers für Mikrowellen. Dabei wurde die Mikrowellenstrahlung in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, über unterschiedlich lange Wege geführt und schließlich wieder überlagert. Durch das Verschieben eines Spiegels konnte die Weglänge eines Strahls variiert und so gezielt ein Interferenzmuster erzeugt werden. 

Dieser Versuch veranschaulicht, wie empfindlich Wellen auf kleinste Änderungen im Laufweg reagieren. Bereits minimale Verschiebungen von wenigen Millimetern genügen, um deutliche Veränderungen in der Intensität zu bewirken. Ganz konkret kommt das hier Angewandte, auf Licht übertragen, zum Beispiel bei sehr präzisen Anforderungen, Messsystemen oder der Kalibrierung von Präzisionsfräsen zur Anwendung.

 

Im dritten Teil des Moduls untersuchten die Kursteilnehmer die Ausbreitung von Mikrowellen in einem festen Medium: dem Acrylglas. Beim Eintritt der Wellen in das Material wurde deutlich, dass sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit verändert: Die Mikrowellen breiten sich in Acryl langsamer aus als in Luft, was zu einer messbaren Phasenverschiebung führte. Der Übergang der Wellen vom einen Medium ins andere erinnerte stark an die Lichtbrechung, wie man sie vom Eintritt eines Lichtstrahls ins Wasser kennt, und die bewirkt, dass sich Dinge unter Wasser nicht exakt dort zu befinden scheinen, wo man sie mit dem Auge zu sehen meint. 

Auch in diesem Versuch standen der Versuch selbst und die Messung im Vordergrund. Der Versuch machte deutlich, dass die Prinzipien der Wellenphysik nicht nur auf sichtbares Licht, sondern auf den gesamten Bereich elektromagnetischer Wellen anwendbar sind – auch auf jene, die man mit bloßem Auge nicht wahrnehmen kann.

 

Der Besuch im XLAB war für den Physik-Grundkurs eine positive Erfahrung. Echte Experimente und aktive Mitarbeit in Kleingruppen, eng begleitet und unterstützt durch den Kursleiter Jacob Willig, konnten die Jugendlichen zentrale Begriffe und Experimente der Wellenphysik direkt beobachten und begreifen.

 

Am Ende äußerten sich die Schüler äußerten begeistert darüber, wie deutlich und greifbar physikalische Phänomene werden können. ,,Das mit der stehenden Welle habe ich mit diesem Tag wirklich verstanden und begreifen können" zeigte sich eine Schülerin in der anschließenden Reflexion des Tages erfreut.