3B Scientific Speed of Light Meter User Manual [en, de, es, fr, it]
3B SCIENTIFIC
Gerätesatz Lichtgeschwindigkeitsmessung U8476460
Bedienungsanleitung
02/08 TL
®
PHYSICS
1. Sicherheitshinweise
Das Gerät entspricht den Sicherheitsbestimmungen
für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte nach DIN EN 61010 Teil 1 und ist nach Schutzklasse I aufgebaut. Es ist für den Betrieb in trockenen Räumen vorgesehen, welche für elektrische
Betriebsmittel oder Einrichtungen geeignet sind.
Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch ist der sichere Betrieb des Gerätes gewährleistet. Die Sicherheit
ist jedoch nicht garantiert, wenn das Gerät unsachgemäß bedient oder unachtsam behandelt wird.
Wenn anzunehmen ist, dass ein gefahrloser Betrieb
nicht mehr möglich ist, ist das Gerät unverzüglich
außer Betrieb zu setzen (z.B. bei sichtbaren Schä-
den) und gegen unbeabsichtigten Betrieb zu sichern.
• Vor der Erstinbetriebnahme überprüfen, ob
das Gerät für die ortsübliche Netzspannung
ausgelegt ist.
• Vor Versuchsbeginn Grundgerät auf Beschädi-
gungen untersuchen.
• Bei sichtbaren Schäden oder Funktionsstörun-
gen ist das Gerät unverzüglich außer Betrieb zu
setzen.
• Gerät nur an Steckdosen mit geerdetem Schutz-
leiter anschließen.
• Gerät nur durch eine Elektrofachkraft öffnen
lassen.
1
2. Beschreibung
Der Gerätesatz U8476460 dient zur Bestimmung
der Lichtgeschwindigkeit durch elektronische Laufzeitmessung.
Von einer Lichtquelle (LED) gelangen extrem kurze
Lichtimpulse über einen Strahlteiler auf zwei Fotowandler, deren nachgeschaltete Verstärker Spannungsimpulse für eine oszillografische Auswertung
an die Geräteausgänge “A” und “B” liefern. Der
Ausgang “B” führt das Referenzsignal, während am
Ausgang “A” das um die Lichtlaufzeit zwischen
Sender, Spiegel und Empfänger verzögerte Messsignal bereitgestellt wird. Die Strahltriggerung des
Oszilloskops erfolgt durch einen Impuls von Ausgang “C”.
Der Gerätesatz U8476460-115 ist für eine Netzspannung von 115 V (±10 %) ausgelegt, U8476460230 für 230 V (±10 %).
3. Lieferumfang
1 Grundeinheit einschließlich Sender, Empfänger
und eingebauter Netzversorgung
1 Fresnellinse auf Stiel
1 Triple-Prismen-Reflektor auf Stiel
3 BNC-Kabel
3. Technische Daten
Grundgerät
Lichtsender: LED
Pulsfrequenz: ca. 30 kHz
Leistungsaufnahme: ca. 3 W
Spannung: 115/230 V, 50/60 Hz
Abmessungen: 103 x 56 x 175 mm
Stiel: 150 mm x 10 mm Ø
Masse: ca. 1 kg
Linse
Fresneloptik: f = 375 mm
Linsenfläche: 245 mm x 245 mm
Abmessungen: 285 mm x 285 mm
Stiel: 54 mm x 10 mm Ø
Masse: ca. 200 g
Spiegel
Bauart: Mikroprismenspiegel
Spiegeldurchmesser: ca. 100 mm
Abmessungen: 170 x 170 x 40 mm
Stiel: 54 mm x 10 mm Ø
4. Bedienung
4.1 Versuchsaufbau
Grundgerät und Fresnellinse werden entsprechend
Fig. 1 auf die Reiter einer optischen Bank montiert
und mit dem Mikroprismenspiegel auf eine optische Achse gebracht.
Die minimale Entfernung von Grundgerät und
Linse (Abstand a) ist etwa f, die Brennweite der
Linse. Der Abstand b wäre im Fall a = f unendlich.
fa
⋅
b
=
fa
−
Der minimale Abstand zwischen Sender und Spiegel liegt bei ca. 150 cm und mittiger Linsenstellung.
Mit zunehmender Entfernung des Reflektors verringert sich der optimale Abstand a bis auf ca. 37
cm, wobei dann b gegen unendlich geht.
Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sollte besonders auf hinreichende Genauigkeit der horizontalen und vertikalen Ausrichtung von Grundgerät und
Linse geachtet werden.
Die Projektion des roten Leuchtflecks auf den Reflektor ist aus der dargestellten Position gut sichtbar und bis zu einer Entfernung von ca. 8 m noch
vollständig auf dem Reflektorsegment abgebildet.
Die Ausgänge “A” und “B” des Grundgerätes werden
über HF-Leitungen gleicher Länge und gleicher
Impedanz an die Y-Eingänge eines Oszilloskops
angeschlossen (Fig. 2).
Die Synchronisation sollte am Oszilloskop auf “ext”
eingestellt werden. Der Sychronisationsimpuls
kommt von Ausgang “C”.
Um einen hohen Anteil an reflektiertem Licht zu
empfangen, müssen Fresnellinse und ggf. auch
Mikroprismenspiegel noch einmal genau ausgerichtet werden. Hilfreich zur korrekten Justierung
ist der Blick aus der Position des Grundgerätes auf
den Spiegel. Ist die Einstellung optimal, zeigt sich
auf dem Spiegel die fokussierte Leuchtfläche des
Lichtsenders.
Bei Versuchsanordnungen mit größeren Distanzen
(a + b) bzw. ungünstigen Lichtverhältnissen kann
das Suchen aus der Spiegelposition vorteilhaft sein.
Hierbei begibt sich eine Person mit dem Kopf unmittelbar vor den Mikroprismenspiegel und blickt
durch die Linse dem Lichtsender entgegen. Durch
Veränderung der Kopfposition kann der Strahl
gesucht und mühelos gefunden werden. Linse oder
Spiegel sind daraufhin leichter zu korrigieren.
4.2 Externe Synchronisation
Buchse “C” führt einen vom Lichtsender ausgekoppelten Synchronimpuls, welcher dem Impulspaar
(Referenzimpuls und Messimpuls an Buchse “A”
bzw. an Buchse “B”) um 60 ns “vorauseilt”. Durch
diese Maßnahme können auch ältere Oszilloskope
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mit Bandbreiten über 20 MHz für diesen Versuch
Verwendung finden.
4.3 Einstellungen am Oszilloskop
Mode: (Zweikanalbetrieb)
Empfindlichkeit: Y1 / Y2 auf 100 mmV/DIV
Ablenkung: kleinstmöglicher Wert
z.B. 50 ns/DIV
Triggerung extern: “EXT” (Synchronimp. von
C)
(für Oszilloskope mit Bandbreiten von weniger als
100 MHz empfohlen)
Der Messimpuls von Ausgang “A” ist zunächst durch
feinfühliges Positionieren der Versuchskomponenten auf Maximalwert zu bringen.
Bei optimierter Positionierung von Spiegel und
Linse kann bis zu einer Entfernung von 8 m die
Amplitude des Messsignals größer als die des Referenzsignals sein. In diesem Fall ist durch geringfügiges Drehen der Linse aus der “Optimalposition”
Zum Ablesen bzw. Bewerten der Verzögerungszeit
zwischen “A” und “B” (Laufzeit des Lichtes) müssen
beide Maxima auf gleiche Höhe gebracht werden.
Einstellung erfolgt mit einem der beiden “Y-Pos”Regler am Oszilloskop.
4.4 Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit
Der Quotient aus dem zurückgelegten Weg des
Lichtes und der Laufzeit des Lichtes ist die Lichtgeschwindigkeit c.
Für den Weg wird die doppelte Entfernung zwischen Lichtsender und Spiegel angesetzt, da der
ausgesendete Lichtimpuls diese Strecke zweimal
durchläuft.
Die Laufzeit des Lichtes ist am Oszilloskop als horizontale Distanz zwischen den beiden Impulsmaxima abzulesen.
eine Übereinstimmung der Amplituden von “A”
und “B” erzielbar.
Fig. 1 Versuchsaufbau A Mikroprismenspiegel, B Fresnellinse, C Optische Bank, D Grundgerät
Fig.2. Kabelverbindung zwischen Grundgerät und Oszilloskop
3
Fig. 3: Messsignal
(Y1 > 50 mV/DIV, Y2 = 100 mV/DIV., t = 50 ns/DIV)
Elwe Didactic GmbH • Steinfelsstr. 6 • 08248 Klingenthal • Deutschland • www.elwedidactic.com
3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Deutschland • www.3bscientific.com
Technische Änderungen vorbehalten
© Copyright 2008 3B Scientific GmbH
3B SCIENTIFIC
®
PHYSICS
Equipment set for measuring the speed of light U8476460
Instruction sheet
02/08 TL
1. Safety instructions
The equipment set conforms to safety regulations
for electrical measuring, control, monitoring and
laboratory equipment, as specified under
DIN EN 61010, section 1, and is designed to be
classified as protection class I equipment. It is intended for operation in a dry environment suitable
for the operation of electrical equipment and systems.
Safe operation of the equipment is guaranteed,
provided it is used correctly. However, there is no
guarantee of safety if the equipment is used in an
improper or careless manner. If it is deemed that
the equipment can no longer be operated without
risk (e.g. visible damage has occurred), the equip-
ment should be switched off immediately and
secured against any unintended use.
• Before putting the equipment into operation,
confirm it is compatible with the local mains
voltage.
• Before setting starting any experiments, check
the basic unit for any damage.
• In the event of any malfunction/defect or visi-
ble damage, switch off the equipment immediately and secure it against any unintentional
use.
• The instrument may only be connected to the
mains via a socket that has an earth connection.
• The equipment may only be opened/repaired
by qualified and trained personnel.
1
2. Description
Equipment set U8476460 is used for determining
the speed of light by electronically measuring the
time it takes to travel a certain path.
Extremely short light pulses are transmitted from
an LED light source via a beam splitter before finally reaching two photo-voltaic converters connected to two amplifiers that send voltage pulses to
outputs “A” and “B” for evaluation on an oscilloscope. Output “B” provides the reference signal
while output “A” outputs a signal that is delayed by
the time it takes for light to travel from the source
to the mirror and back to the detector. The oscilloscope can be triggered via a pulse from output “C”.
The equipment set U8476460-115 is for operation
with a mains voltage of 115 V (±10%), and the unit
U8476460-230 is for operation with a mains voltage
of 230 V (±10%).
3. Scope of delivery
1 Basic unit including light emitter, receiver and
integrated power supply
1 Fresnel lens on stem
1 Triple prism reflector on stem
3 BNC cables
3. Technical data
Basic unit
Light emitter: LED
Pulse rate: 30 kHz approx.
Power input: 3 W approx.
Voltage: 115/230 V, 50/60 Hz
Dimensions: 103 x 56 x 175 mm
3
Stem: 150 mm x 10 mm diam.
Weight: 1 kg approx.
Lens
Fresnel lens: f = 375 mm
Lens surface: 245 mm x 245 mm
Dimensions: 285 mm x 285 mm
Stem: 54 mm x 10 mm diam.
Weight: 200 g approx.
Mirror
Design: Micro-prism mirror
Mirror diameter: 100 mm approx.
Dimensions: 170 x 170 x 40 mm
3
Stem: 54 mm x 10 mm diam.
4. Operation
4.1 Experiment set-up
The basic unit and the Fresnel lens are mounted on
riders along an optical bench and should be
aligned together with the microprism along the
optical axis.
The minimum distance between the basic unit and
the lens (distance a) should be approximately f, the
focal length of the lens. If a = f, then distance b
would be infinity.
fa
⋅
b
=
fa
−
The minimum distance between the light emitter
and the mirror should be approximately 150 cm if
the lens is positioned in the middle. If the distance
to the reflector is increased, then the ideal distance
for a comes down towards approximately 37 cm.
Distance b then tends towards infinity.
To achieve optimum results, take special care to
maintain sufficient accuracy in the horizontal and
vertical alignment of the basic unit and the lens.
The red spot projected onto the reflector is clearly
visible in the position illustrated and it continues
to appear in full on the reflector segment even at a
distance of up to approximately 8 m.
Outputs “A” and “B” of the basic unit are connected
to the Y inputs of the oscilloscope via highfrequency leads of equal length and equal impedance (see Fig. 2).
The synchronising trigger for the oscilloscope
should be set to “ext”. A synchronising trigger
pulse is provided by output “C”.
In order to receive a high proportion of reflected
light, the Fresnel lens and, if necessary, the microprism mirror should be realigned so that they are
precisely in line. It helps when making the adjustment to look along the line to the mirror from the
basic unit. The setting is optimal when the light
beam from the source is clearly visible, focussed on
the surface of the mirror.
In an experimental set-up involving greater distances (a + b) or unfavourable lighting conditions,
it may be easier to pick out the beam from the
position of the mirror. This means putting your
head just in front of the mirror and moving it till
you can see the light source through the lens. This
should enable you to adjust the lens and the mirror more easily.
4.2 External synchronisation
Socket “C” outputs a synchronising trigger pulse
which is coupled to the light beam and precedes
the two beam pulses (reference pulse and test
pulse) from output “A” and output “B” by 60 ns.
This method allows older oscilloscope models to be
2
used for this experiment as long as their bandwidths are over 20 MHz.
4.3 Oscilloscope settings
Mode: Dual channel operation
Sensitivity: Y1/Y2 at 100 mV/DIV
Time base: Minimum value, e.g.
50 ns/DIV
External triggering: “EXT” (trigger from C)
(recommended for oscilloscopes with bandwidths
of less than 100 MHz)
The test pulse from output “A” should first be optimised to a maximum value by carefully positioning the components required for the experiment.
If the mirror and the lens are optimally positioned,
the amplitude of the test signal can be greater than
that of the reference signal for a distance of up to
8 m. This being the case, it is then possible to make
the amplitudes from outputs “A” and “B” roughly
equal by turning the lens very slightly from its
“ideal position”.
In order to measure or evaluate the delay between
“A” and “B” (time taken for light to travel the path),
both of the pulse maxima should be adjusted to
about the same height. This can be set by adjusting
one of the two “Y position” (Y-POS) knobs on the
oscilloscope.
4.4 Determining the speed of light
The speed of light c is simply given by the length of
the path travelled by the light divided by the time
the light takes to cover it.
The length of the beam path is double the distance
from the light emitter to the mirror since the light
travels this distance twice, there and back.
The time taken for the light to travel this distance
is read off from the oscilloscope by measuring the
distance between the maxima of the two pulses.
Fig. 1: Experiment set-up: A Microprism mirror, B Fresnel lens, C Optical bench, D Basic unit
Fig. 2: Connections between the basic unit and the oscilloscope
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Fig. 3: Measured signal
(Y1 > 50 mV/DIV, Y2 = 100 mV/DIV., t = 50 ns/DIV)
Elwe Didactic GmbH • Steinfelsstr. 6 • 08248 Klingenthal • Germany • www.elwedidactic.com
3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Germany • www.3bscientific.com
Subject to technical amendments.
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