Wie findet das Radio seinen Sender?

Schwingkreis-und-Wellen-Werkstatt — vom LC-Kreis zum Licht

90 min · once

physiksaal

Vier Stationen nach dem Prinzip Vermuten – Beobachten – Erklären in Kleingruppen, Rotation nach etwa 20 Minuten. Roter Faden: Dieselbe Schwingung, die im LC-Kreis pendelt, läuft am Ende als Welle durch den Raum — und wird zweimal vermessen, bei 3 cm und bei 650 nm. Station 1 — LC-Entladung am Interface. Vermuten: Der geladene Kondensator wird statt über einen Widerstand über eine Spule entladen — was zeigt die Spannungskurve? Beobachten: Statt des exponentiellen Abfalls entsteht eine gedämpfte Schwingung; U und I sind um eine Viertelperiode versetzt. Mit halber Kapazität steigt die Frequenz um den Faktor Wurzel 2, der Eisenkern in der Spule senkt sie — Thomson-Check gegen T = 2π·Wurzel(L·C). Erklären: Feldenergie des Kondensators und des Spulenfelds pendeln hin und her, wie Feder und Masse. Modellgrenze: Der Spulenwiderstand dämpft — die Thomson-Gleichung gilt streng nur für den ungedämpften Kreis. Sicherheitshinweis: Kondensatoren vor jedem Umbau entladen. Station 2 — Resonanz und Rückkopplung. Vermuten: Der Funktionsgenerator regt den Kreis induktiv an — bei welcher Frequenz wird die Amplitude maximal? Beobachten: Beim Durchfahren der Erregerfrequenz wächst die Amplitude scharf um f0 herum an; die Resonanzkurve wird punktweise aufgenommen. Dann übernimmt der Meißner-Baustein: Die Schwingung hält sich selbst ungedämpft, weil die Rückkopplung im richtigen Takt Energie nachschiebt. Erklären: Resonanz heißt Anregung mit der Eigenfrequenz; die Rückkopplung ersetzt den äußeren Erreger durch Selbststeuerung. Modellgrenze: Auch die Meißner-Schaltung erzeugt keine Energie — sie dosiert nur die Nachlieferung aus der Quelle. Vorbereitung oder Nachbereitung: der Radio-Empfänger-Artikel in der App — dort wählt genau diese Resonanz aus allen Sendern einen aus. Station 3 — Dipol und Mikrowellenstrecke. Vermuten: Kommt hinter einem Drahtgitter, dessen Stäbe parallel zum Empfangsdipol stehen, noch Signal an? Und wo liegen vor einer Metallwand die stillen Stellen? Beobachten: Sender und Empfänger nur bei paralleler Ausrichtung gekoppelt (lineare Polarisation); das gedrehte Gitter sperrt bzw. öffnet den Weg. Vor der Metallplatte findet der wandernde Empfangsdipol Knoten im Abstand von etwa 1,6 cm — stehende Welle, λ = 3,2 cm; das Sandprisma knickt den Strahl (Brechung). Erklären: Der schwingende Dipol strahlt eine Transversalwelle ab, die sich wie Licht reflektieren, brechen und polarisieren lässt; aus dem Knotenabstand folgt λ = 2 · 1,6 cm. Modellgrenze: Das Empfangssignal misst Intensität, nicht Feldstärke — Knoten heißt "kein Empfang", nicht "kein Feld dahinter". Sicherheitshinweis: Nicht in die Hornantenne blicken. Station 4 — Laser und Gitter. Vermuten: Das Gitter mit der kleineren Gitterkonstante — rücken seine Leuchtpunkte enger oder weiter auseinander? Beobachten: Hinter dem Gitter erscheint eine Reihe scharfer Maxima; mit Maßband und Schirm-Maßstab werden Abstände gemessen und über b·sin(α) = k·λ die Laserwellenlänge bestimmt, dann eine unbekannte Lichtquelle vermessen. Erklären: Gleiche Interferenzlogik wie bei den Mikrowellen in Station 3 — nur ist λ hier um den Faktor 50 000 kleiner, darum braucht es Gitter statt Metallplatten. Sicherheitshinweis: Laser nie in Augen oder auf reflektierende Flächen richten, Strahl unter Augenhöhe führen. Abschluss in der Runde: Eine Kette bilden — LC-Kreis, offener Kreis als Dipol, abgestrahlte Welle, Licht. An welcher Stelle der Kette wurde welche Größe (f, λ, c) gemessen, und passt c = λ·f?

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