Light Is Waves: Crash Course Physics #39 CrashCourse English German

Light Is Waves: Crash Course Physics #39YouTube↗ IA↗(long shot)
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Contributed subtitles

German Kathrin Benoit

Spanish (Latin America) Luis Eduardo Hernandez Pares

Rick Music

Here's a question for you:

Ich habe eine Frage an dich:

If you shine a light on a coin that’s hanging in mid-air, what do you think its shadow will look like?

Wenn du eine Münze, die in der Luft hängt, anstrahlst, wie denkst du wird der Schatten aussehen?

Do you think its shadow would have a bright spot of light right in the middle of it?

Denkst du, der Schatten hätte einen hellen Fleck in der Mitte?

Because it would!

Hätte er nämlich!

It might seem counterintuitive, and 19th-century physicists thought so too, when they tried this experiment.

Das ist nicht intuitiv, und die Physiker im neunzehnten Jahrhundert dachten das auch, als sie dieses Experiment durchführten.

But that little spot in the middle of the coin's shadow helps prove one of the most important discoveries ever made in physics:

Aber dieser kleine Fleck in der Mitte des Schattens der Münze hilft, eine der wichtigsten je in der Physik gemachten Entdeckungen zu beweisen.

Light is a wave.

Licht ist eine Welle.

[Theme Music]

[Titelmusik]

In the 17th and 18th centuries, most physicists thought that light was a particle, because it often behaved like one.

Im siebzehnten und achtzehnten Jahrhundert dachten die meisten Physiker, dass Licht ein Teilchen sei, wie es sich oft so verhielt.

But over the years, some scientists began to think that it might actually be a wave.

Aber über die Jahre fingen manche Wissenschaftler zu denken, dass es in Wahrheit eine Welle ist.

They did experiments to test this idea, and slowly, evidence started to build.

Sie führten Experimente durch, um diese Idee zu überprüfen, und langsam ergaben sich immer mehr Beweise.

We now know that light is both a particle and a wave – a strange-sounding concept that we'll explore more later on.

Wir wissen jetzt, dass Licht sowohl ein Teilchen als auch eine Welle ist -- ein seltsam klingendes Konzept, das wir später genauer untersuchen werden.

But the point is, light is a wave, and we know this because waves behave in very specific (and sometimes weird) ways.

Aber der Punkt ist, Sich ist eine Welle, und wir wissen das, weil Wellen sich auf sehr eindeutige (und manchmal komische) Weise verhalten.

One of the most important reasons that light acts the way it does is known as Huygens' Principle.

Einer der wichtigsten Gründe, aus denen Sich sich so verhält, ist als das Huygens'sche Prinzip bekannt.

Christian Huygens was a 17th-century Dutch physicist who believed light acted as a wave.

Christian Huygens war ein niederländischer Physiker im siebzehnten Jahrhundert, der glaubte, dass Licht sich als Welle verhält.

He came up with a way to predict how a wave will spread out, and we still use his method today.

Er erfand einen Weg, vorherzusagen, wie eine Welle sich ausbreitet, und wir benutzen diese Methode noch heute.

Huygens’ Principle says that you can predict a wave’s position in the future by analyzing its current position.

Das Huygens'sche Prinzip besagt, dass du die zukünftige Position einer Welle vorhersagen kannst, indem du ihre aktuelle Position analysierst.

All you have to do is think of each point on the wave as the source of its own, tinier wave.

Alles, was du tun musst, ist dir jeden Punkt der Welle als Quelle seiner eigenen, winzigen Welle vorzustellen.

See, Huygens knew that when you multiply the velocity of something by the amount of time it's traveled, you can figure out how far it went.

Siehst du, Huygens wusste, dass wenn man die Geschwindigkeit von etwas und die Zeitspanne der Bewegung multipliziert, man berechnen kann, wie weit es gekommen ist.

And he figured that this would also be true for each individual point on a wave.

Und er fand heraus, dass das auch für jeden einzelnen Punkt der Welle gilt.

Let's say you have a wave that's traveling 10 centimeters per second, and you want to know what the wave will look like after 2 seconds.

Sagen wir, du hast eine Welle, die sich mit 10 cm pro Sekunde ausbreitet, und du willst wissen, wie die Welle nach zwei Sekunden aussieht.

To use Huygens' principle, you first draw a bunch of little points along a wave.

Um das Huygens'sche Prinzip anzuwenden, zeichnest du zuerst viele kleine Punkte entlang der Welle.

Then, you draw a half-circle around each point, in front of the wave, with a radius equal to the wave's velocity multiplied by time – so, 20 centimeters.

Dann zeichnest du um jeden Punkt einen Halbkreis vor die Welle mit einem Radius gleich der Geschwindigkeit der Welle mal der Zeit - also 20 cm.

Each of those little half-circles is called a wavelet.

Jeder dieser kleinen Halbkreise wird Elementarwelle genannt.

Finally, you draw a curve that's tangent to each wavelet, meaning that it touches each half circle at exactly one point.

Zum Schluss zeichnest du eine Kurve, die tangential zu jeder Elementarwelle verläuft, also die jeden Halbkreis in genau einem Punkt berührt.

That line shows the location of the wave after two seconds!

Diese Linie zeigt die Position der Welle nach zwei Sekunden!

So a two-dimensional wave traveling through empty space will look pretty simple;

Eine zweidimensionale Welle, die sich im Vakuum ausbreitet, sieht also eher simpel aus,

it's basically an expanding circle.

sie ist im Grunde ein sich ausdehnender Kreis.

But things get a little more complicated when a wave hits an obstacle.

Aber es wird etwas komplizierter, wenn eine Welle auf einen Gegenstand trifft.

For example, let's apply Huygens' principle to a wave that moves past the edge of a flat object.

Lass uns zum Beispiel das Huygens'sche Prinzip auf eine Welle anwenden, die sich auf eine Kante eines flachen Objekts zubewegt.

When the wave hits the obstacle, part of it gets blocked.

Wenn die Welle den Gegenstand trifft, wird ein Teil von ihr blockiert.

But the part that isn’t blocked keeps moving past the edge, and it follows Huygens' principle, forming wavelets.

Aber der Teil, der nicht blockiert wird, bewegt sich an der Kante vorbei und folgt dem Huygens'schen Prinzip, indem er Elementarwellen ausbildet.

The wavelets from the part of the wave near the edge will curve behind the edge.

Die Elementarwellen von dem Teil der Welle, der nah an der Kante liegt, biegen sich um die Kante herum.

And when you draw a line to connect all the wavelets, you end up with a line that bends around the edge.

Wenn du eine Linie zeichnest, um alle Elementarwellen zu verbinden, erhältst du eine Linie, die um die Kante herumgeht.

In the same way, when a wave moves through a slit that's roughly the same width as its wavelength, it travels past the slit in a circular curve that spreads outward.

Auf die gleiche Weise, wenn eine Welle sich durch einen Schlitz bewegt, der ungefähr die gleiche Breite wie die Wellenlänge hat, bewegt sie sich in einem Bogen durch den Schlitz und breitet sich nach außen aus.

When waves are re-shaped by obstacles, that's called diffraction.

Wenn Wellen an Gegenständen eine andere From bekommen, nennen wie das Beugung.

And it's very different from what a stream of particles would do.

Und es ist ganz anders von dem, was ein Strom von Teilchen tun würde.

For example, if you rolled a bunch of marbles straight through a doorway, you'd expect them all to hit the far wall directly opposite the doorway.

Zum Beispiel, wenn du einige Murmeln gerade durch einen Türrahmen rollst, erwartest du, dass sie alle die Wand direkt gegenüber dem Türrahmen treffen.

They wouldn't hit the wall in places to the right or to the left of the door.

Wie würden die Wann nicht an Stellen rechts öden links von der Tür treffen.

But when waves diffract, they often spread outward behind obstacles.

Aber wenn Wellen sich beugen, breiten sie sich oft hinter Hindernissen aus.

Diffraction is one of the reasons there's a bright spot in the middle of the shadow when you shine a light on a round object.

Beugung ist einer der Gründe, aus denen es einen hellen Fleck in der Mitte des Schattens gibt, wenn du ein rundes Objekt anstrahlst.

The other reason is interference.

Der andere Grund ist Interferenz.

In our lesson on traveling waves, we described what happens when waves run into each other:

In unserer Lektion über Wellen haben wir beschrieben, was passiert, wenn Wellen einander überlagern:

they interfere in one of two ways.

Sie interferieren in einer von zwei Weisen.

Waves interfere constructively when the crests of both waves end up in the same spot, and so do their troughs.

Wellen interferieren konstruktiv, wenn die Wellenberge beider Wellen an der gleichen Stelle sind, und auch ihre Täler.

The waves essentially combine into one wave that has a larger amplitude – with higher crests and lower troughs – than either of the two waves did before.

Die Wellen kombinieren sich im Prinzip zu einer Welle mit einer größeren Amplitude -- mit höheren Bergen und tieferen Tälern -- als jede der zwei einzelnen Wellen vorher.

But waves interfere DEstructively when one wave's crest run into the other wave's trough, and vice versa.

Aber Wellen interferieren destruktiv, wenn ein Wellenberg in das Tal einer anderen Welle läuft, und umgekehrt.

In that case, the combined wave has a lower amplitude than either of the waves did before.

In diesem Fall hat die kombinierte Welle eine geringere Amplitude als die Wellen vorher hatten.

With perfectly destructive interference, the waves actually disappear completely; they flatten out.

Bei vollständiger destruktiver Interferenz verschwindet die Welle komplett, sie wird gerade.

Together, diffraction and interference help explain the results of the famous double-slit experiment conducted by English physicist Thomas Young in 1801.

Zusammen helfen Beugung und Interferenz, die Ergebnisse des berühmten Doppelspaltexperiments des englischen Physikers Thomas Young von 1801 zu erklären.

Young covered a window so that only a very narrow stream of sunlight passed through a slit into the room.

Young bedeckte eine Fenster, so dass nur ein sehr enger Streifen Sonnenlicht durch den Spalt in den Raum fallen konnte.

Then, he positioned a plate with two more tiny slits cut into it, spaced very close together so that the single beam of sunlight passed through them.

Dann stellte er eine Platte mit zwei weiteren winzigen hineingeschnittenen Spalten, die sehr nah aneinander waren, dahinter, so dass der Lichtstrahl hindurch fiel.

Finally, he placed a screen behind the slits.

Dann stellte er eine Leinwand hinter die Spalte.

If light were just a stream of particles, you'd expect to see two bright lines on the screen, behind the two slits.

Wenn Licht nur ein Storm von Teilchen wäre, würdest du erwarten, zwei helle Linien hinter den Spalten auf der Leinwand zu sehen.

But that's not what Young saw.

Aber das ist nicht, was Young gesehen hat.

His screen had many lines on it.

Seine Leinwand hatte viele Linien.

There was a bright line in the middle, then more bright lines above and below it.

Es gab eine helle Linie in der Mitte, dann mehr helle Linien darüber und darunter.

This pattern is called a diffraction pattern, and it comes from the diffraction and interference of light waves.

Dieses Muster wird Interferenzmuster genannt, und es wird durch die Beugung und Interferenz der Lichtwellen erzeugt.

Light waves interfere constructively when they’re lined up exactly right.

Lichtwellen interferieren konstruktiv, wenn sie genau richtig zusammenfallen.

For example, to form that line on the screen between the two slits the waves from each slit travel exactly the same distance.

Zum Beispiel, um diese Linie zwischen den beiden Spalten auf der Leinwand zu bilden, müssen die Wellen von jedem Spalt genau die gleiche Strecke zurücklegen.

So they line up, interfere constructively, which increases their amplitude to create a bright spot.

Sie fluchten also, interferieren konstruktiv, was die Amplitude erhöht und einen hellen Lichtfleck ergibt.

But in other places on the screen, there’s a difference between the distances traveled by each wave.

Aber an den anderen Stellen auf der Leinwand gibt es einen Unterschied zwischen den Strecken, die die Wellen zurücklegen.

This is called the path difference.

Das wird Wegunterschied genannt.

So light waves will interfere either constructively or destructively, depending on the size of this path difference.

Die Lichtwellen interferieren also entweder konstruktiv oder destruktiv, abhängig von ihrem Wegunterschied.

When the waves are an exact number of wavelengths apart, the crests and troughs will line up – creating constructive interference and a bright line.

Wenn die Wellen eine ganze Zahl von Wellenlänge auseinander sind, fluchten die Wellenberge und -täler -- interferieren konstruktiv und führen zu einer hellen Linie.

But when the waves are shifted by exactly half a wavelength — or by 1.5 wavelengths, or 2.5, and so on – light rays will interfere DEstructively.

Aber wenn die Wellen eine halbe Wellenlänge entfernt sind -- oder 1,5 Wellenlängen, oder 2,5, und so weiter -- interferieren die Lichtstrahlen destruktiv.

By using trigonometry, you can calculate the path difference in a slit experiment:

Mit Hilfe von Trigonometrie kannst du den Wegunterschied im Spaltversuch berechnen.

It’s equal to the distance between the center of each slit, d,

Er ist gleich dem Abstand zwischen den Spaltmitten d

multiplied by the sine of the angle between the point on the screen and the straight line between the slits and the screen.

mal dem Sinus des Winkels zwischen dem Punkt auf der Leinwand und der geraden Verbindung zwischen dem Spalt und der Leinwand.

Now, since light is a wave, it has the same properties as other waves.

Nun, da Sich eine Welle ist, hat sie die gleichen Eigenschaften wie andere Wellen.

Intensity, for example, is the energy transported by the light per unit area, over time.

Die Intensität ist zum Beispiel die Energie, die das Licht pro Flächeneinheit über die Zeit transportiert.

Essentially, intensity is the brightness of the light.

Im Prinzip ist die Intensität die Helligkeit des Lichts.

As with other waves, intensity is proportional to the amplitude squared.

Wie bei anderen Wellen ist die Intensität proportional zum Quadrat der Amplitude.

So if you double the amplitude of a wave's peaks, it gets four times as bright.

Wenn du also die Amplitude einer Welle verdoppelt, wird sie viermal so hell.

If you triple the amplitude, it gets nine times as bright.

Wenn du die Amplitude verdreifachst, wird es neunmal so hell.

When light passes through two slits like in the double-slit experiment, the line in the center will be the most intense.

Wenn Licht durch zwei Schlitze fällt wie im Doppelschlitzexperiment, ist die Linie in der Mitte die intensivste.

And the farther the lines get from the center, the less intense, and therefore, the less bright, they'll be.

Und je weiter die Linien von der Mitte entfernt sind, umso weniger intensiv, und damit hell, sind sie.

Like other waves, light also has a frequency and wavelength.

Wie andere Wellen hat Licht auch eine Frequenz und Wellenlänge.

These determine whether light is visible, and if so, what its color is.

Sie bestimmen, ob das Licht sichtbar ist, und wenn ja, welche Farbe es hat.

Light with a higher frequency, and therefore a shorter wavelength, is on the bluer side of the spectrum.

Licht mit höherer Frequenz, und damit kürzerer Wellenlänge, ist auf der blauen Seite des Spektrums.

Light with a lower frequency and longer wavelength is on the redder side of the spectrum.

Licht mit niedrigerer Frequenz und längerer Wellenlänge ist auf der roten Seite des Spektrums.

White light – like from sunlight – is actually all of the different colors of light combined.

Weißes Licht -- wie Sonnenlicht -- ist eine Kombination aller verschiedenen Lichtfarben.

When white light passes through the two slits in the experiment, they interfere in a way that allows you to see this rainbow of colors in the lines on the screen.

Wenn weißes Licht durch den Doppelspalt des Experiments fällt, interferieren sie auf eine Weise, die diesen Regenbogen an Farben als Linien auf der Leinwand sichtbar macht.

But the double-slit experiment isn't the only situation where light creates a diffraction pattern.

Aber das Doppelschlitzexperiment ist nicht die einzige Situation, in der Licht ein Interferenzmuster erzeugt.

Diffraction will happen when light passes through a single slit, too,

Beugung passiert auch, wenn Licht durch einen einzelnen Spalt fällt,

producing a pattern that looks like a series of lines that get dimmer the farther you get from the center.

und das erzeugt ein Muster, das wie eine Reihe von Linien aussieht, die schwächer werden, je weiter sie von der Mitte entfernt sind.

The light will be brightest on the part of the screen that's opposite the middle of the slit.

Das Licht ist auf dem Teil der Leinwand am hellsten, der der Mitte des Spalts gegenüberliegt.

That bright line is created by the rays that go straight through the slit, perpendicular to the plate.

Die helle Linie wird von den Strahlen gebildet, die gerade durch den Spalt fallen, rechtwinklig zur Leinwand.

They have a path difference of zero.

Sie haben einen Wegunterschied von Null.

But to reach the other points on the screen, different rays of light travel different distances, depending on their angle going through the slit.

Aber um die anderen Punkte auf der Leinwand zu erreichen, legen unterschiedliche Lichtstrahlen unterschiedliche Entfernungen zurück, abhängig von dem Winkel, mit dem sie durch den Spalt fallen.

And again, whether the light interferes constructively or destructively depends on how the rays line up.

Und auch hier: Ob das Licht konstruktiv oder destruktiv interferiert hängt davon ab, wie die Strahlen zusammenfallen.

For a single slit, the path difference is between the light coming from the very top of the slit and the light coming from the very bottom of the slit.

Für einen einfachen Spalt ist der Wegunterschied zwischen dem Licht ganz oben am Spalt und dem Licht ganz unten am Spalt.

The path difference is equal to the width of the slit, D, times the sine of the angle between the point on the screen and a line straight from the slit to the screen.

Der Wegunterschied ist gleich der Breite des Spalts D mal dem Sinus des Winkels zwischen dem Punkt auf der Leinwand und einer Linie, die gerade von dem Spalt zu der Leinwand verläuft.

If the path difference is one wavelength long, then the path difference between the light from the top of the slit and the light from the center of the slit is only half a wavelength.

Wenn der Wegunterschied eine Wellenlänge lang ist, ist der Wegunterschied zwischen dem Licht, dass oben in den Spalt eintritt, und dem Licht, dass in der Mitte eintritt, nur eine halbe Wellenlänge.

The same holds true for the path difference between the light from the center of the slit and the bottom.

Das Gleiche gilt für den Wegunterschied zwischen Licht aus der Mitte und Licht von unten.

So a total path difference of a full wavelength means that for each light ray coming through the slit at that angle, there's a corresponding light ray that's shifted by half a wavelength.

Ein Wegunterschied von einer ganzen Wellenlänge bedeutet, dass für jeden Lichtstrahl, der mit diesem Winkel durch den Spalt fällt, es ein entsprechender Lichtstrahl gibt, der eine halbe Wellenlänge auseinander ist.

And remember: when waves of light are shifted by half a wavelength, that means one wave’s crests line up with the other’s trough, causing destructive interference.

Und denk daran: Wenn Lichtwellen um eine halbe Wellenlänge verschoben sind, bedeutet das, dass der Wellenberg einer Welle mit dem Tal der anderen zusammenfällt, was destruktive Interferenz erzeugt.

So, for a single slit, when the total path difference is equal to a full wavelength,

Für einen einzelnen Spalt erhältst du also, wenn der gesamte Wegunterschied gleich einer ganzen Wellenlänge ist

you end up with pairs of waves that cancel each other out and make a dark line.

Paare von Wellen, die sich auslöschen, und eine dunkle Linie erzeugen.

Now, constructive interference through a single slit works a little differently.

Nun, konstruktive Interferenz funktioniert bei einem einzelnen Spalt etwas anders.

When the path difference between the top and bottom of the slit is equal to 1.5 wavelengths – or 2.5 wavelengths, and so on – there will be a bright line.

Wenn der Wegunterschied zwischen dem oberen und dem unteren Ende des Spalts 1,5 Wellenlängen beträgt -- oder 2,5, und so weiter -- ergibt sich eine helle Linie.

That’s where the rays interfere constructively.

Das ist, wo die Strahlen konstruktiv interferieren.

As with the previous example, this also has to do with the path difference between individual rays passing through the single slit.

Wie bei dem letzten Beispiel wird sie durch den Wegunterschied einzelner Strahlen, die durch den Spalt fallen, beeinflusst.

Say the light is angled so that the total path difference between the top and bottom of the slit is 1.5 wavelengths.

Sagen wir, das Licht hat einen Winkel, so dass der gesamte Wegunterschied zwischen dem oberen und dem unteren Ende des Spalts 1,5 Wellenlängen beträgt.

The rays passing through the middle third and bottom third of the slit will be half a wavelength apart, so they'll cancel each other out.

Die Strahlen, die durch das mittlere Drittel und das untere Drittel des Spalts fallen sind eine halbe Wellenlänge auseinander, sie löschen einander aus.

But that top third won't cancel with anything – instead, it will reach the screen, creating a bright line.

Aber das obere Drittel wird von nichts ausgelöscht -- stattdessen wird es die Leinwand erreichen und eine helle Linie erzeugen.

So, how do diffraction and interference create the phenomenon we see in the shadow of the coin?

Wie erzeugen also Beugung und Interferenz das Phänomen, dass wir im Schatten der Münze sehen?

Diffraction makes the light waves curve around the coin’s edges.

Durch Beugung krümmen sich Lichtwellen um die Kanten der Münze herum.

When these diffracted waves run into each other, they interfere.

Wenn diese gebeugten Wellen ineinander laufen, interferieren sie.

The places where the waves interfere destructively become shadows.

Die Orte, an denen die Wellen destruktiv interferieren, werden Schatten.

That's what makes those little ripples spreading outward from the circular shadow.

Das ist, was diese kleinen Riffel erzeugt, die sich außerhalb des runden Schattens ausbreiten.

But the places where the waves interfere constructively become bright spots.

Die Stellen jedoch, an denen die Wellen konstruktiv interferieren, sind helle Flecken.

That’s why there's a bright spot right in the middle of the coin's shadow!

Darum gibt es einen hellen Fleck genau in der Mitte des Schattens der Münze!

At that point, the waves of light that diffracted around the edges of the coin have all traveled the same distance.

An diesem Punkt haben die Wellen, die sich um die Kanten der Münze gebeugt haben, alle die gleiche Strecke zurückgelegt.

So the crests of different light waves combine, and so do the troughs, forming one wave with a higher amplitude.

Die Wellenberge der Lichtwellen fallen zusammen, genau wie die Täler, und bilden eine Welle mit höherer Amplitude.

And a bright spot.

Und einen hellen Fleck.

Today, you learned about the wave theory of light.

Heute hast du die Wellentheorie des Lichts kennengelernt.

We talked about Huygens' principle,

Wir haben über das Huygens'sche Prinzip geredet

and described how diffraction and interference lead to the results of the double-slit experiment.

und beschrieben, wie Beugung und Interferenz die Ergebnisse des Doppelspaltexperiments erklären.

We also explored the diffraction pattern from a single slit.

Wir haben auch das Beugungsmuster eines einzelnen Spalts untersucht.

Finally, we explained the diffraction pattern for a disk.

Am Ende haben wir das Interferenzmuster für eine Scheibe erklärt.

Crash Course Physics is produced in association with PBS Digital Studios.

Crash Course Physics wird in Zusammenarbeit mit PBS Digital Studios produziert.

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PBS Space Time, Blank on Blank, and BBQ With Franklin.

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This episode of Crash Course was filmed in the Doctor Cheryl C. Kinney Crash Course Studio

Diese Folge von Crash Course wurde in den Doctor Cheryl C. Kinney Crash Course Studios gedreht

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