Polarisation - Ansätze einer phänomenologischen Betrachtung

Polarisation - Ansätze einer phänomenologischen Betrachtung
Abb.1: Aufbau eines einfachen Saccharimeters ohne Probe
Kurzbeschreibung
Bei dem Versuch geht es darum sich mit dem Thema der Polarisation und der Untersuchung von optisch aktiven Eigenschaften von Zuckerlösungen auseinanderzusetzen. Dies soll durch eine phänomenologische Herangehensweise geschehen.
Kategorien
Optik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für:	Sek. II und teilweise Sek. I
Basiskonzept:	Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform	Schülergruppenexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie	3
Anspruch des Aufbaus	leicht bis mittel
Informationen
Name:	Konstantin De Nobile
Kontakt:	${\text{k.denobile}}$@${\text{hu-berlin.de}}$
Uni:	Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in:	Daniel Zechlin

Motivation

Das Phänomen der Polarisation von Licht ist mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen. Hierfür sind Polarisationsfolien oder andere Polarisatoren notwendig, um einen für das menschliche Auge sichtbaren Effekt zu erzeugen. Solche Effekte können dann zum Beispiel bei Spiegelungen an Fensterscheiben oder auch am Himmel beobachtet werden. Dort ist das Licht nämlich schon in gewissem Maße polarisiert. Weiterhin wird in der Technik auf Polarisatoren zurückgegriffen. Sie werden zum Beispiel bei der Fotografie eingesetzt um unerwünschte Reflexionen zu vermeiden oder auch bei LCDs (Liquid Crystal Display dt. Flüssigkristallanzeige). Letzteres kann als Ausgangspunkt für diesen Versuch genommen werden. Hier wird nämlich mit Hilfe einer Zuckerlösung, welche analog zur Flüssigkristallschicht beim LCD betrachtet werden kann, eine unterschiedliche Drehung der Polarisationsebenen erzeugt. Dieser Vorgang ist essenziell für die Funktionsweise eines LCD.

Anmerkungen

In diesem Artikel soll es darum gehen die optischen Eigenschaften einer Zuckerlösung zu Untersuchen. Zusätzlich wird auf die Intensitätsveränderung des Lichts beim Einsatz von zwei Polarisationsfolien eingegangen. Dabei wird die phänomenologische Herangehensweise als Grundlage genommen. Es werden also keine Modelle, Gesetze oder andere physikalische Vorkenntnisse vorausgesetzt oder herangezogen um bestimmte Vorgänge oder Phänomene zu erklären. Es wird lediglich auf die beobachtbaren und teilweise auch messbaren Vorgänge zurückgegriffen, um daraus Regeln abzuleiten die im günstigsten Fall auch eine allgemeine Gültigkeit besitzen.
Für umfangreichere Informationen, Hintergründe und vertiefende Lektüre sind die folgenden Quellen hilfreich:
Didaktik der Physik an der Hu-Berlin: Anfangsoptik und Lichtwegkonzepte
Grebe-Ellis, J. (2005): Grundzüge einer Phänomenologie der Polarisation. Entwicklung einer phänomenologischen Beschreibung der Polarisation als Grundlage für Curricula zur Polarisation in Schule und Hochschule. Dissertation. 290 S.
Müller, Marc (2017): Zu einer Grammatik der Natur – Aspekte einer philosophischen Fundierung des phänomenologischen Naturzugangs. Dissertation. 310S.

Didaktischer Teil

Das Thema Polarisation wird im alten Rahmenlehrplänen für die Sekundarstufe II nur an zwei Stellen am Rande erwähnt, als erstes im "Leitthema: Licht – physikalisch gesehen" (Seite VIII) und als zweites im Abschnitt 4.2 "Elektromagnetische Schwingungen und Wellen". Die Rechtfertigung für eine Verwendung des Versuchs im Unterricht ist von der inhaltlichen Ebene also nicht gegeben.
Der Vorgestellte Versuch wird daher unter phänomenologischen Gesichtspunkten betrachtet um die Vielseitigkeit und die Nützlichkeit für den Unterricht darzustellen. Es wird dabei nacheinander auf die drei Phasen der Versuchsdurchführung eingegangen.

Phase 1 - Polarisationsfolien

Polarisationsfolien sind in den meisten Physiksammlungen zu finden, meistens auch in größeren Mengen. Dieser Teil des Versuchs eignet sich daher auch als Schülerexperiment in kleinen Gruppen (2-3 SuS) und wird losgelöst vom Versuchsaufbau durchgeführt. Er auch schon von SuS ab der 7.Klasse durchgeführt werden.
Sonniges Wetter ist eine gute Voraussetzung, weil dadurch stärkere Spiegelungen auftreten und der wolkenfreie Himmel betrachtet werden kann. Der Auftrag für die SuS ist es, dass sie ihre Umgebung durch die Polarisationsfolien betrachten. Durch diese offene Aufgabenstellung werden verschiedene Dinge von den SuS abverlangt. Sie müssen sich mit etwas (wahrscheinlich) unbekanntem auseinandersetzen. Dabei ist es hilfreich systematisch vorzugehen um Auftretende Phänomene bestimmten Faktoren zuordnen zu können. Weiterhin ist ein gewisses Maß an Kreativität notwendig um überhaupt in der Lage zu sein mit Hilfe der Polarisationsfolie einen Effekt zu erzeugen. Auch wenn das Thema Polarisation nicht im Unterricht behandelt wird, so können mit diesem einfachen Handversuch viele andere Kompetenzen gefördert werden. Für viele SuS wird das große Maß an Freiheit zu Überforderung führen. In solchen Fällen können sie durch Differenzierungsmaßnahmen unterstützt werden. Es bietet sich an Dinge zu nennen, die sie durch die Polarisationsfolie betrachten sollen (z.B. Lampen, Himmel, Spiegelungen, Displays, Fenster). Außerdem können Handlungshinweise z.B. das drehen der Polarisationsfolie oder die Änderung des Betrachtungswinkels genannt werden.
Als Heranführung an den Versuch kann den SuS eine zweite Polarisationsfolie gegeben werden. Dadurch können sie bereits erfahren, was für Effekte beim Zusammenspiel mit zwei Polarisationsfolien auftreten.
Wenn die SuS erste Eindrücke gesammelt haben können sie dazu übergehen im Versuchsaufbau die Veränderung der Helligkeit auf dem Schirm quantitativ zu untersuchen. Allerdings wird es für die unteren Stufen der Sek I zu anspruchsvoll, wenn es darum geht die gewonnenen Daten grafisch Darzustellen und in einem weiteren Schritt daraus Gesetzmäßigkeiten abzuleiten. Daher sollten ab diesem Punkt nur Leistungsstarke SuS der Klasse 9 bzw. SuS ab Klasse 10 mit den Versuchen konfrontiert werden.

Phase 2 - Wasser und Zuckerlösungen

In dieser Phase geht es darum die optischen Eigenschaften von zuckerhaltigen Flüssigkeiten zu untersuchen. Ziel ist es, dass die SuS verschiedene Faktoren erkennen, welche einen Einfluss haben. Abhängig von der Experimentiererfahrung und dem Leistungslevel muss die Offenheit der Aufgabe(n) angepasst werden. Da es hauptsächlich um das Experimentieren geht sind offene Aufgaben besser geeignet. Die SuS haben dadurch vielseitige Möglichkeiten sich auszuprobieren und Dinge zu erfahren. Auch wenn am Ende nicht das von der Lehrkraft vorgegebene Ziel erreicht wurde, haben die SuS sicher an anderer Stelle etwas dazugelernt und ihre Experimentierfertigkeiten erweitert.
Faktoren welche die SuS untersuchen können sind die Schichtdicke und die Konzentration der Zuckerlösung. Außerdem können sie ihre Getränke untersuchen und schauen ob diese auch Effekte erzeugen. Die Effekte können mit den Inhaltsstoffen abgeglichen werden, um erste Schlüsse bezüglich des Einflusses der Zuckerkonzentration zu ziehen.
Um in dieser Phase zu nützlichen Erkenntnissen zu gelangen ist ein gut strukturiertes Vorgehen erforderlich. Allerdings kann diese Phase noch größtenteils zum Ausprobieren genutzt werden, weil in der nächsten Phase das Vorgehen sehr genau vorgegeben ist. Dadurch ist es sehr wahrscheinlich, dass die gewünschten Ergebnisse erzielt werden.

Phase 3 - Farbfilter

Bei der Durchführung dieser Phase gibt es keinen Spielraum. Es ist der letzte Schritt für einen quantitativen Nachweis von der Abhängigkeit der Schichtdicke und der Konzentration der Zuckerlösung. Im Gegensatz zu den ersten beiden Phasen ist hier keine Kreativität und Organisationsfähigkeit gefragt. In diesem Abschnitt ist eine exakte Durchführung notwendig um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten. Dies ist wahrscheinlich die Kompetenz, welche am häufigsten von den SuS im Unterricht abverlangt wird. Wie anfangs beschrieben hat dieses Thema kaum eine Rechtfertigung durch den Rahmenlerhplan. Daher kann die Durchführung dieser Phase auch vernachlässigt werden. Es wird ausreichend andere Möglichkeiten geben bei denen die SuS diese Kompetenz ausbauen können. Der Vollständigkeit halber und um den Versuch abzurunden wurde diese Phase trotzdem beschrieben.

Versuchsanleitung

Die Beschreibungen beziehen sich auf den kompletten Versuchsaufbau, welcher in Phase 3 benötigt wird. In den anderen Phasen handelt es sich um reduzierte Aufbauten. An entsprechender Stelle wird darauf hingewiesen und die Reduzierungen werden erläutert.

Materialien

• Kleinspannungs-Netgerät von Leybold Didactis mit den Stufen 0V, 3V, 6V, 9V, 12V Medium:Netzgerät.JPG
• 2x Stromkabel
• Schiene für Stativfüße mit cm-Skala, Länge 1m
• 7x kurze Halter (Schaftlänge ca. 4,3cm), davon 5x mit breitem Sockel (50mm) und 2x mit schmalem Sockel (35mm)
• 1x mittlerer Halter (Schaftlänge ca. 7,5cm, breiter Sockel)
• 1x langer Halter (Schaftlänge ca. 10,5cm, breiter Sockel) Medium:Halter.JPG
• Experimentierleuchte mit passender Linse Medium:Experimentierleuchte.JPG
• Lochblende mit verstellbarem Durchmesser Medium:Lochblende.JPG
• 2x Drehbare lineare Polarisationsfolie mit Gradskala Medium:Polarisationsfilter drehbar.JPG
• Halterung für Farbfilter Medium:HalterungFF.JPG
• Farbfilter Rot, Grün und Blau Medium:FarbfilterBGR.JPG
• 2x Linse +150mm Medium:Linse150.JPG
• Halter mit Abstellfläche für Proben Medium:Probenhalter.JPG
• Schirm (weiss) Medium:Schirm weiss.JPG
• 2x Glasquader oben geöffnet für Zuckerlösung (Außenmaße L: 85mm, B: 35mm, H: 90mm) Medium:Glasquader.JPG
• 2x Glaszylinder 500ml Medium:Glaszylinder.JPG
• In Wasser gelöste Saccharose (Haushaltszucker) im Verhältnis 1:1

Aufbau und Vorbereitung

Die Zuckerlösung sollte mindestens einen Tag lang ruhen, damit der Zucker genug Zeit hat sich vollständig im Wasser zu lösen. Dadurch wird sichergestellt, dass keine größeren Zuckerkristalle mehr vorhanden, welche ungewünschte Effekte auf das Licht haben.

Auf der Schiene, auf der die Halterungen befestigt werden, befindet sich eine Längenskala. Die folgenden Angaben sind immer von der hinteren (zur Lampe zeigend) Kante der Halterung gemessen. Um ein gutes Bild auf dem Schirm zu erzeugen ist es wichtig, dass die Abstände der Linsen stimmen. Es muss also berücksichtigt werden ob ein breite Halterung (Sockelbreite 50mm) oder eine schmale Halterung (Sockelbreite 35mm) verwendet wird. Außerdem ist es sinnvoll darauf zu achten, dass sich die Feststellschrauben alle auf der gleichen Seite befinden. Das vereinfacht eine spätere Justierung.

Die Lampe wird auf einer kleinen breiten Halterung bei 10cm befestigt.
Die Lochblende kommt ebenfalls auf eine kleine breite Halterung und wird bei 20cm befestigt (direkt vor die Linse der Lampe).
Die Halterung für die Farbfilter wird auf einer breiten langen Halterung bei 26cm befestigt.
Die folgenden fünf Teile werden auf schmalen kleinen Halterungen befestigt:

• erste Polarisationsfolie (Linearpolarisator) bei 34cm
• erste Linse bei 40cm
• Probenhalter bei 54cm
• zweite Linse bei 73cm
• zweite Polarisationsfolie (Linearanalysator) bei 80cm

Der Schirm wird auf einem breiten kleinen Halter befestigt bei 95cm, also am ende der Schiene.

Für die Durchführung des Versuchs muss der Raum komplett abgedunkelt sein. Es ist hilfreich immer eine Taschenlampe zur Hand zu haben, damit man nicht ständig zum Lichtschalter laufen muss.
Der Lichtstrahl, welcher aus der Lochblende kommt sollte möglichst parallel zum Experimentiertisch verlaufen. Dadurch ist es einfacher die Höhe der anderen Bauteile, durch die der Lichtstrahl möglichst ungehindert hindurchtreten soll, anzupassen. Außerdem sollte ein Glasquader auf den Probenhalter gestellt werden um zu schauen ob der Lichtstrahl Sollte die Abbildung auf dem Schirm noch nicht zufriedenstellend sein, können die Linsen, der Probenhalter und/oder der Schirm verschoben werden um ein besseres Ergebnis zu erhalten.

Durchführung

In diesem Teil wird ein möglicher Weg der Durchführung des Versuchs vorgestellt. Gerade bei einer phänomenologischen Herangehensweise sind der Kreativität keine Grenzen gesetzt. Es ist also erwünscht, dass auch viele andere Möglichkeiten ausprobiert werden.

Phase 1 - Polarisationsfolien:

Zu Beginn sollen die SuS an die Wirkungsweise von Polarisationsfolien herangeführt werden. Dafür reicht es die Lampe einzuschalten, die Lochblende davor zu stellen und die beiden drehbaren Polarisationsfolien in den Aufbau zu stellen. Auf die restlichen Bestandteile kann vorerst verzichtet werden. Die Positionen der Polarisationsfolien können vernachlässigt werden.
Durch drehen einer der beiden Polarisationsfolien können die SuS mehrere Dinge herausfinden.

1. Die Intensität des Lichtflecks auf dem Schirm ändert sich.
2. Es gibt eine Stellung mit maximaler Intensität.
3. Es gibt eine Stellung mit minimaler Intensität (nahezu komplette Auslöschung des Lichtflecks).
4. Die Änderung tritt in Zyklen von 180° auf.

Möglichkeit zur Erweiterung: Mit Hilfe eines Luxmeters kann die Abhängigkeit der Intensität vom Drehwinkel aufgenommen werden. Wenn alle 5° eine Messung durchgeführt wird erhält man einen Fit in dem die Regelmäßigkeit sehr gut zu erkennen ist. Für einen Fit eignet sich die Formel: $y=a\cdot cos^{2}(b)$.

Phase 2 - Wasser und Zuckerlösung:

Jetzt müssen auch die Linsen und der Probenhalter mit in den Versuchsaufbau eingebaut werden. Es geht darum herauszufinden welche optisch aktiven Eigenschaften die verschiedenen Flüssigkeiten haben und welche weiteren Einflussfaktoren vorhanden sind. Der Ablauf ist immer der gleiche. Zuerst wird eine Probe in den Lichtstrahl gestellt und anschließend wird eine der beiden Polarisationsfolien langsam um mindestens 180° gedreht.
Zum Einstieg bietet es sich an normales Leitungswasser zu nehmen. Dadurch wird gezeigt, dass keine optisch aktiven Eigenschaften vorhanden sind. Im nächsten Schritt wird das Wasser gegen eine Zuckerlösung ausgetauscht. Es wurde eine Zuckerlösung mit dem Verhältnis 1:1 verwendet. Es bietet sich an auch weitere Lösungen mit anderen Mischungsverhältnissen vorzubereiten. Außerdem sollten mindestens zwei Glasquader vorhanden sein um auch die Schichtdicke der Probe variieren zu können. Der Einfluss dieser beiden Parameter kann hier nachgelesen werden: Saccharimetrie.

Folgende Erfahrungen können die SuS in dieser Phase sammeln:

1. Leitungswasser hat keine optisch aktiven Eigenschaften.
2. Zuckerlösungen haben optisch aktive Eigenschaften.
3. Bei der Drehung der Polarisationsfolie sind auf dem Schirm unterschiedliche Farben zu sehen.
4. Je höher der Zuckeranteil im Mischungsverhältnis desto größer der Effekt. (Bei einer gesättigten Zuckerlösung - ein Teil Wasser zu zwei Teilen Zucker - ist natürlich die Grenze erreicht.)
5. Die Schichtdicke der Zuckerlösung hat einen Einfluss (wird in der nächsten Phase genauer betrachtet).

Beispielhafter Farbverlauf
Beim ersten Bild waren die Polarisator und Analysator um 90° zu einander gedreht. Es handelt sich um die oben beschriebene Zuckerlösung mit dem Verhältnis von ca. 1:1. Der Analysator wurde für jedes Bild um 5° weitergedreht. Das letzte Bild wurde gemacht als der Analysator um 180° gedreht war. Es ist also identisch mit dem Ausgangsbild.

Medium:5gradDrehung400ms.gif

Phase 3 - Farbfilter:

In der letzten Phase wird der Einfluss der Schichtdicke mit Hilfe von Farbfiltern genauer untersucht. Ziel ist es den unterschiedlichen Drehwinkel der Farben durch die Zuckerlösung zu erkennen. Die Halterung für die Farbfilter muss dafür in den Versuchsaufbau eingefügt werden. Für diesen Versuch sollte eine Zuckerlösung mit einem Verhältnis von mindestens 1:1 verwendet werden, weil sonst die Effekte zu undeutlich sind. In dieser Phase ist es wichtig, dass der folgende Ablauf eingehalten wird.

1. Die Polarisationsfolien ohne Probe und ohne Farbfilter so einstellen, dass möglichst kein Lichtfleck auf dem Schirm zu sehen ist.
2. Von einer Polarisationsfolie (Analysator) den Winkel notieren und die Stellung (Drehwinkel) der Anderen (Polarisator) nicht mehr verändern.
3. Einen Farbfilter in die Halterung einfügen und einen Glasquader mit Zuckerlösung auf den Halter stellen.
4. Den Analysator so weit drehen, dass der Lichtfleck auf dem Schirm ein Intensitätsminimum hat.
5. Drehwinkel ablesen und in Kombination mit der Farbe des Farbfilters in einer Tabelle notieren.
6. Schritte 1-5 für die Doppelte Schichtdicke (2x Glasquader) und mit den anderen beiden Farbfiltern wiederholen.

Folgende Erkenntnisse können die SuS in dieser Phase sammeln und vertiefen:

1. Es gibt unterschiedliche Drehwinkel für die verschiedenen Farben.
2. Diese Drehwinkel sind abhängig von der Schichtdicke der Zuckerlösung.
3. Die Abhängigkeit ist linear, bei doppelter Schichtdicke verdoppelt sich auch der Drehwinkel.
4. Die Zuckerlösung spaltet die einzelnen Farben des Lichts auf.

Beispielmessung ohne Fehlerbetrachtung

Farbe	Schichtdicke	Drehwinkel in °
rot	einfach	7
grün	einfach	17
blau	einfach	19
rot	doppelt	15
grün	doppelt	30
blau	doppelt	37

Die einfache Schichtdicke entspricht der Breite eines Glasquaders.

Sicherheitshinweise

1. Alle Glasbehälter sollten auf einem separaten Tisch gestellt werden, solange sie nicht benutzt werden.
2. Beim hantieren mit Wasser und Elektrizität ist immer darauf zu achten, diese strikt von einander zu trennen.
3. Wenn mit der Zuckerlösung gekleckert wird, am besten sofort aufwischen. Sie klebt sehr stark.