Wir, der KS2-Physik-5-Stünder von Frau Plachta, haben am Mittwoch, den 16.06.2021, ein letztes Praktikum durchgeführt um die Geschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen – also die Lichtgeschwindigkeit – zu messen.

Dazu hatten wir mehrere Tafeln Schokolade und eine Mikrowelle zur Verfügung. Ihr fragt euch sicherlich, wie man damit die Lichtgeschwindigkeit messen kann. Nun, dazu ist etwas Theorie nötig:

Grundsätzlich müsst ihr wissen, dass in einem Mikrowellengerät Essen mithilfe von elektromagnetischen Wellen einer bestimmten Wellenlänge und Frequenz, den Mikrowellen, erwärmt wird. Diese Mikrowellen bewegen sich mit der Lichtgeschwindigkeit c und da der Innenraum des Mikrowellengeräts durch einen faradayschen Käfig abgeschirmt wird, werden die Mikrowellen an den Wänden reflektiert. Dadurch kommt es zwischen dem Eintrittspunkt der Strahlung und der gegenüberliegenden Wand zu einer stehenden Welle, sprich die Wellenberge laufen nicht in Ausbreitungsrichtung der Welle weiter, sondern bleiben an einem Ort stehen. Somit entstehen also ortsfeste Knotenpunkte und Wellenbäuche, an den Wellenbäuchen wird das Essen in der Mikrowelle am stärksten erhitzt. Da aber das Essen gleichmäßig erhitzt werden soll, gibt es einen Drehteller, der das Gargut bewegt und verhindert, dass es nur an einzelnen Stellen erhitzt wird oder gar verbrennt, während es an anderen Stellen kalt bleibt. Den Drehteller haben wir für unseren Versuch entfernt, da wir keine gleichmäßige Erwärmung der Schokolade wollten, sondern genau die „wärmsten“ Stellen in der Mikrowelle suchten, also Stellen, an denen sich die Maxima der stehenden Welle ausbilden. 


Mit diesem Wissen konnte es losgehen: Wir legten nun unsere gekühlte Schokolade in die Mikrowelle und stellten sie auf die höchste Stufe an. Nach ein paar Sekunden (ca. 30 – 40 s) fingen einzelne Stellen der Schokolade an zu schmelzen. Nun maßen wir den Abstand zwischen unseren Schmelzpunkten. 
Jetzt kommt wieder etwas Theorie: Der Abstand zwischen zwei Schmelzpunkten entspricht einer halben Wellenlänge – die doppelte Strecke entspricht also einer Wellenlänge und für die Lichtgeschwindigkeit gilt: Wellenlänge · Frequenz = Lichtgeschwindigkeit

Bei unserer Durchführung hatten wir zunächst das Problem, dass die Schokolade nicht wie erwartet schmolz. Es gab einen großen Schmelzpunkt, jedoch keine weiteren. Dies legte die Vermutung nahe, dass die Mikrowellen von oben nach unten verlaufen. Nach einigen verschiedenen Positionierungen der Schokolade stellte es sich heraus, dass die Mikrowellen nur am Ende der Mikrowelle verlaufen. Jedoch konnten damit anschließend in vier Durchführungen des Versuchs die Abstände zwischen den Wellenbäuchen ermittelt werden. Unsere Messung ergab einen durchschnittlichen Abstand von 7,14 cm zwischen zwei Schmelzpunkten. Die Frequenz der elektromagnetischen Wellen der Mikrowelle lässt sich in der Mikrowelle ablesen, sie beträgt 2450 MHz.Mit der Formel von oben (Lichtgeschwindigkeit = Wellenlänge · Frequenz) ließ sich nun mit unserem gemittelten Messwert für die halbe Wellenlänge die Lichtgeschwindigkeit berechnen – wir konnten sie mit unserem Versuch auf c= 3,63825 · 108 m·s-1bestimmen. Durch eine Fehlerrechnung ließ sich außerdem der (durch Messungenauigkeiten zu erwartende) Fehler der Messung auf ± 0,687 · 108 m·s-1 bestimmen.

Vergleicht man nun unser Ergebnis mit dem Literaturwert 299 792 458 m·s-1, so bemerkt man, dass sich unser Ergebnis im Toleranzbereich des Fehlers befindet.

Sicherlich lässt sich die Messung noch verbessern, doch ist es durchaus erstaunlich, dass man mit so alltäglichen Mitteln wie einem Mikrowellengerät und einem einfachen Lineal die Lichtgeschwindigkeit in der richtigen Größenordnung und innerhalb des bestimmten Toleranzbereichs ermitteln kann.Achtung: den Versuch kann man auch daheim durchführen, aber bitte nur mit Zustimmung und unter Aufsicht eurer Eltern, denn wenn man nicht aufpasst, kann sich die Schokolade durch die fehlende Bewegung des Drehtellers leicht entzünden. 

Text: Robert Kämpfe, Paul Kollmar, Max Reinhardt, Enno ter Hell, Miriam Plachta

Photos: Miriam Plachta