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Polarisation durch Reflexion

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Polarisation durch Reflexion
Polarisation durch Reflexion

Grundaufbau des Experiments

Kurzbeschreibung
Durch Reflexion wird aus natürlichem, unpolarisiertem Licht teilweise sowie vollständig linear polarisiertes Licht erzeugt
Kategorien
Optik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Sek. II
Basiskonzept: Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Demonstrationsexperiment, Schüler*innen-Experiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1
Anspruch des Aufbaus mittel
Informationen
Name: Johannes Herde
Kontakt: \text{joh.herde}@\text{gmail.com}
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Stephan Pfeiler, Franz Boczianowski
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Der Polarisationszustand ist neben der Frequenz und der Wellenlänge eine grundlegende, jedoch weitaus weniger bekannte Eigenschaft des Lichts. Anhand der Reflexion eines Lichtbündels kann aus natürlichem, unpolarisiertem Licht teilweise sowie vollständig linear polarisiertes Licht erzeugt werden. Dies wird im vorliegenden Versuch durch die schrittweise Veränderung des Einfallswinkels eines an einer Glassplatte reflektierten und schließlich an einem semitransparenten Schirm abgebildeten Lichtbündels demonstriert. Dabei steht im Falle der Erzeugung von vollständig polarisiertem Licht das Brewster'sche Gesetz im Mittelpunkt der Betrachtung.


Didaktischer Teil

Einordnung im Rahmenlehrplan

Das Reflexions- und das Brechungsgesetz sind die Grundlage des Experients und für das Fach Physik im aktuellen Rahmenlehrplan für Berlin-Brandenburg (Schuljahr 2017/2018) den Themen „Wechselwirkungen in der Optik/Strahlung“ sowie „Optische Geräte" in der Jahrgangsstufe 7/8 zugeordnet. Bezüglich des nötigen Vorwissens knüpfen sie an das Wissen über das Modell "Lichtstrahl" aus der Jahrgangsstufe 5/6 an [1] Das Thema Polarisation ist im aktuellen Rahmenlehrplan für die gymnasiale Oberstufe im Leitthema "Licht - Pysikalisch gesehen" verortet.[2]

Schülervorstellungen

Eine besonders häufig auftretende Schülervorstellung im Bereich des Verhaltens von Licht an Grenzflächen ist die, dass die Begriffe Reflexion und Brechung synonym verwendet werden.[3] Vor diesem Hintergrund bietet der vorliegende Versuch eine gute Möglichkeit, genauer auf das Verhalten und die Veränderung von Licht an Orten der Brechung und Reflexion einzugehen.

Begründung der Themenwahl

Obwohl viele Schüler mit der Polarisation als einer der Haupteigenschaften natürlichen Lichts (Gegenwartsbedeutung) kaum vertraut sein dürften, ist deren Nutzung im Alltag im Bereich von Polarisationsfiltern in der Photographie, polarisierten Sonnenbrillen im Wassersportbereich, Displays von Mobiltelefonen und Tablets, 3D Applikationen im Kino usw. immer häufiger anzutreffen (Zukunftsbedeutung). Gleichzeitig ist das Thema der Polarisation von Licht gut dafür geeignet, von einem Phänomen der natürlichen Umwelt ausgehend einen Zugang zu quantenphysikalischen Begriffen und Prinzipien zu ermöglichen. In Schulbüchern spielt die Polarisation trotz ihrer physikalischen und lebensweltlichen Relevanz jedoch nur eine untergeordnete Rolle. Vor diesem Hintergund soll im vorliegenden Versuch an Hand der Polarisation durch Reflexion anschaulich die Erzeugung von linear polarisiertem Licht demonstriert und die SuS somit zu gesellschaftlicher Mündigkeit befähigt werden. Basierend auf dem Wellenmodell beinhalten die Lernziele des Versuchs das Wissen, dass Licht üblicherweise unpolarisiert ist, reflektiertes Licht jedoch unter Umständen vollständig polarisiert sein kann. Des Weiteren sollen die SuS das vorgestellte Experiment und beispielweise die technische Anwendung im Bereich polarisierter Sonnenbrillen kennen und erklären können.[4][5] Das Experiment lässt sich vor diesem Hintergrund weiterhin ergänzend zu insbesondere folgenden in diesem Wiki beschriebenen Versuchen in den Unterricht einbinden

Physikalische Grundlagen[6][7][8]

Im Wellenmodell kann Licht als transversale elektromagnetische Welle dargestellt werden. Dabei sind der elektrische und der magnetische Feldvektor senkrecht zueinander sowie senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts ausgerichtet. Natürliches Licht ist im Allgemeinen nicht polarisiert. Ist die Orientierung der Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes jedoch konstant, so wird die elektromagnetische Welle als linear polarisiert bezeichnet. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten linear polarisiertes Licht zu erzeugen. Der im vorliegenden Versuch verwendete Polarisationsfilter funktioniert aufgrund selektiver Absorption und besitzt eine Absoptions- und eine Durchlassachse, die miteinander einen Winkel von 90 Grad bilden. An der schwarzen Glasscheibe tritt eine Polarisation durch Reflexion auf. Im Brewster-Winkel, der bei der Reflexion an Glas 56 Grad beträgt, ist das reflektierte Licht vollständig und senkrecht zur Einfallsebene polarisiert. Weicht der Einfallswinkel vom Brewster-Winkel ab, ist das reflektierte Licht, abhängig von der Größe des Einfallswinkels, nur teilweise polarisiert.

Der Versuch basiert insbesondere auf dem Snellius'schen Brechungsgesetz und dessen Aussage, dass sich der Einfallswinkel α und der Reflexionswinkel α‘ des Lichts entsprechen sowie dem Gesetz, dass zwischen dem Einfallswinkel α und dem Winkel β des gebrochenen Lichts die Beziehung


\begin{align}
\frac{sin(\alpha)}{sin(\beta)} = \frac{c'_{1}}{c'_{2}} = \frac{n_{2}}{n_{1}} 
 \end{align}

besteht. Fällt Licht, welches linear zur Einfallsebene polarisiert ist in einem Winkel \alpha auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien der Brechzahlen n1 und n2, sodass die Reflexion entfällt, heißt  \alpha Brewster-Winkel  \alpha_B. Für die theoretische Herleitung der Beziehung benötigt man zunächst die Fresnel'schen Formeln im Bezug auf das Reflexionsvermögen R parallel zur Ebene des einfallenden Lichts:

 R_{Parallel}= \frac{A_RP}{A_TP}= \frac{\tan{\alpha-\beta}}{\tan{\alpha-\beta}}\Rightarrow \alpha+\beta=90°

Zusammen mit dem Snellius'schen Brechungsgesetz erhalten wir:

 \frac{n_2}{n_1}= \frac{\sin{(\alpha)}}{\sin{(\beta)}}\Rightarrow \frac{n_2}{n_1}= \frac{\sin{(\alpha)}}{\sin{(90°-\alpha)}}=\tan{(\alpha)}

Für den Brewsterwinkel gilt somit:

 \alpha_{Brewster}= \arctan{(\frac{n_2}{n_1})}

Dabei steht "c" für die Lichtgeschwindigkeit im jeweiligen Material und "n" für den jeweiligen Brechungsindex. Eine Reflexion unpolarisierten Lichts im Brewsterwinkel zweier Medien erzeugt somit linear polarisiertes Licht für welches gilt:
Eine feste Schwingungsrichtung bei periodischer Änderung des Betrags und des Vorzeichens der Auslenkung, d.h. x- und y-Komponente des Wellenvektors stimmen überein.

 E_x=E_{0x} \cdot \cos{(\omega t - k z)}
 E_y=E_{0y} \cdot \cos{(\omega t - k z)}

Der verwendete Polarisationsfilter beruht auf dem Prinzip des Dichroismus. Die in ihm enthaltenen dichroistischen, langkettigen Moleküle besitzen die Fähigkeit Licht in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung zu absorbieren bzw. zu transmittieren. Dies führt u.a. dazu, dass linear polarisiertes Licht vollständig absorbiert wird, wenn es parallel zu den langkettigen Molekülen einfällt.


Versuchsanleitung

Aufbau

Die Geräte werden gemäß der Abbildung 1 auf den per Schwenkverbindung verbundenen optischen Bänken angeordnet. Die Glasscheibe muss senkrecht und mittig auf dem Prismentisch befestigt werden, welcher wiederum mit einem Verlängerungsarm zentral über dem Drehpunkt der beiden optischen Bänke platziert wird. Sollte kein Prismentisch mit Klemmvorrichtung zur Verfügung stehen, kann die schwarze Glasscheibe alternativ auch mit zwei Gummiringen senkrecht auf einem Stelltisch stehend z.B. an einem Holzklotz befestigt werden. Ist kein Prismen-/Stelltisch mit integrierter Winkelskala vorhanden, kann wie hier eine ausgedruckte Winkelskala unter der Glasscheibe platziert werden. Der Versuchsaufbau sollte so vor den SuS platziert werden, dass das Licht der Halogenlampe niemandem direkt in die Augen scheinen kann. Weiterhin sollte die dem Publikum zugewandte Seite des semitransparenten Schirms bei den verschiedenen Winkeleinstellungen gut sichtbar sein. Dies kann durch eine bezüglich des Publikums leicht diagonale Ausrichtung des Versuchsaufbaus gewährleistet werden. Durch das Variieren der Abstände zwischen Halogenlampe, Linse und Spaltblende sollte bei einem Einfallswinkel von ca. 40 Grad zunächst eine möglichst scharfe Abbildung des länglichen Lichtbündels auf dem semitransparenten Schirm erreicht werden. Dabei muss das Lichtbündel zwingend so ausgerichtet sein, dass es im Mittelpunkt der Winkelskala auf die Glasscheibe trifft. Gleichzeitig sollten die Höhen von Lichtquelle und Winkelskala so eingestellt sein, dass der Verlauf des Lichts auf der Winkelskala gut sichtbar ist (s. Abb. 2). Schon in einem leicht abgedunkelten Raum können die SuS nun auf dem Schirm das an der schwarzen Glasscheibe reflektierte Licht beobachten.[9]
Abb. 1: Versuchsaufbau
Abb. 2: Ausrichtung von Lichtbündel und Glasscheibe auf Winkelskala


Verwendete Materialien und Geräte:

  1. Halogenleuchte 12 V, 50/100 W (Leybold, Gerätenr.: 450 64)
  2. Transformator 2-12 V, 120 W (Leybold, Gerätenr.: 521 25)
  3. Optische Bank 100cm (Leybold, Gerätenr.: 460 32)
  4. Optische Bank 50cm mit Schwenkverbindung (Leybold, Gerätenr.: 460 335)
  5. 6 x Optikreiter 60/50 (Leybold, Gerätenr.: 450 373)
  6. Linse in Fassung, f=150mm (Leybold, Gerätenr.: 460 08)
  7. Verstellbare Spaltblende (Leybold, Gerätenr.: 460 14)
  8. Polarisationsfilter, drehbar (Leybold, Gerätenr.: 472 401)
  9. schwarze Glasscheibe
  10. Prismentisch (Leybold, Gerätenr.: 460 25)
  11. Verlängerungsarm (Leybold, Gerätenr.: 460 380)
  12. Einseitig mattierter Schirm (Leybold, Gerätenr.: 441 53)


Durchführung

Der Einfallswinkel des Lichtbündels wird zunächst auf ca. 70 Grad justiert, während der Polarisationsfilter auf eine parallel zur Einfallsebene ausgerichtete Schwingungsrichtung eingestellt wird. Auf dem semitransparenten Schirm ist jetzt deutlich ein spaltförmiges Lichtbündel zu sehen. Nun wird der Einfallswinkel sukzessive verkleinert. Dabei muss die kurze optische Bank so mitgeführt werden, dass das reflektierte Lichtbündel für die SuS weiterhin gut auf dem Schirm zu erkennen ist. Bei einem Einfallswinkel von 56 Grad ist auf dem Schirm keine Reflexion des Lichtbündels mehr zu sehen (s. Abb. 3 u. 4). Der Polarisationsfilter wird jetzt vorübergehend um 90 Grad gedreht, was ein Wiedererscheinen des Lichtbündels zur Folge hat. Hier wird der vollständig linear und senkrecht zur Einfallsebene Polarisationszustand des reflektierten Lichts im Brewsterwinkel demonstriert. Der Polarisationsfilter wird nun wieder in seine Ausgangsposition gebracht und der Einfallswinkel des Lichts weiter schrittweise bis auf ca 40 Grad verkleinert, wobei das Lichtbündel wider zunehemend heller wird.
Abb. 3: Vollständige Polarisation im Brewsterwinkel 1
Abb. 2: Vollständige Polarisation im Brewsterwinkel 2

Beobachtungen und Erklärung

Das unpolarisierte Licht der Experimentierlampe ist nach der Reflexion an der Glasscheibe überwiegend senkrecht zu Einfallsebene Polarisiert. Im Brewsterwinkel, der im Fall einer Glasscheibe bei ca. 56 Grad liegt ist das reflektierte Licht vollständig senkrecht zur Einfallsebene polarisiert. Aus diesem Grund nimmt die Helligkeit des auf dem transparenten Schirm abgebildeten Lichtbündels mit der Verkleinerung des Ein- und Auswinkels ab, bis es bei einem Winkel von 56 Grad vollständig verschwindet. Da durch die Einstellung des Polarisators lediglich parallel zu Einfallsebene polarisiertes Licht auf dem Schirm auftreffen würden. Bei Winkeln unter 56 Grad ist wiederum eine Zunahme der Helligkeit des Lichtbündels zu beobachten. Dreht man nun den Polarisator zwischen Glasscheibe und Schirm um 90 Grad und wiederholt die verschiedenen Winkeleinstellungen, ist das Lichtbündel folglich durchgehend gut sichtbar.

Sicherheitshinweise

Es ist darauf zu achten, dass das von der Halogenlampe erzeugte Licht weder direkt, noch als Reflexion in die Augen der anwesenden Personen gelangt

Literatur

  1. Vgl. Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Wissenschaft Berlin & Ministerium für Bildung, Jugend und Sport des Landes Brandenburg (2015), S. 38 - 39: Rahmenlehrplan Jahrgangsstufen 1 – 10. Teil C: Physik.
  2. Vgl. Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport Berlin (2006), S. 8: Rahmenlehrplan Gymnasiale Oberstufe.
  3. Vgl. Muth, L. u. Winkelmann, J. (2014), S. 5, Veränderungen von Schülervorstellungen durch Experimentieren, Didaktik der Physik, Frühjahrstagung – Frankfurt 2014
  4. Vgl. Barth, N.; Treitz, N .(1992) - Handbuch der Experimentellen Physik, Wilfried Kuhn, Gießen
  5. Vgl. Riek, K. (2003), Dissertation: Ein Elementarisierungsansatz zur Einführung in quantenphysikalische Begriffe und Prinzipien, Fachbereich Physik der Universität Kassel
  6. Vgl. Riek, K. (2003), Dissertation: Ein Elementarisierungsansatz zur Einführung in quantenphysikalische Begriffe und Prinzipien, Fachbereich Physik der Universität Kassel
  7. Vgl. https://www.physikalische-schulexperimente.de/physo/Kategorie:Polarisation
  8. Vgl. Demtroeder, W. (2007), Experimentalphysik 2, 4. Auflage, Springer, S. 233 ff.
  9. Vgl. Barth, N.; Treitz, N .(1992) - Handbuch der Experimentellen Physik, Wilfried Kuhn, Gießen