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Physik-LK · Skript 4 · Wellenoptik

Polarisation und Malussches Gesetz

Licht ist eine Transversalwelle. Ein Polfilter lässt nur die Komponente des elektrischen Feldes durch, die parallel zu seiner Durchlassrichtung schwingt. Von unpolarisiertem Licht kommt hinter dem ersten Filter A die Hälfte an, das Licht ist danach linear polarisiert. Ist der nächste Filter B um den Winkel θ gegen A gedreht, gilt das Malussche Gesetz I(θ) = I0 · cos²(θ) mit der Intensität I0 hinter Filter A (in der Formelsammlung heißt der Winkel φ).

So gehst du vor

  1. 1Setze Filter A und B ein, Filter C zunächst nicht. Drehe die Filter am farbigen Griff oder mit den Reglern.
  2. 2Stelle Filter A auf 0° und dreh Filter B in Schritten von 15° von 0° bis 180° (oder bis 360°).
  3. 3Tippe bei jeder Stellung „θ und I in die Tabelle“. Der Sensor schwankt ein wenig: Lies einen mittleren Wert ab, notfalls korrigiere ihn in der Tabelle.
  4. 4Schalte die Ansicht auf I über cos²(θ) um und werte aus.
  5. 5Dann die Überraschung: A auf 0°, B auf 90°, und jetzt Filter C bei 45° dazwischen.
Lichtsensor I
0,00 W·m−2
Winkel θ von A bis B
0 °

Reale Polfilter: Parallel zur Durchlassrichtung lassen sie 98 % durch, senkrecht dazu einen kleinen Rest. Auch das Raumlicht trifft den Sensor.

Lichtquelle

Filter A

0 °

Filter B

0 °

Messreihe: I über θ

Ansicht

Nur Filter A und B, Filter C herausnehmen. Die Kurve erscheint mit der Auswertung.

Nr.Winkel θ in °Intensität I in W·m−2
030609012015018002468101214θ in °I in W · m−2

Zusatz: Polarisation durch Reflexion, Brewster-Winkel

Unpolarisiertes Licht wird an einer Glas- oder Wasseroberfläche reflektiert. Beim Brewster-Winkel θB mit tan(θB) = n2n1 ist das reflektierte Licht vollständig linear polarisiert, und zwar senkrecht zur Einfallsebene. Ein Polfilter vor dem Sensor zeigt das: Steht seine Durchlassrichtung in der Einfallsebene (90°), wird es beim Brewster-Winkel dunkel.

Lichtsensor I
0,00 W·m−2
Einfallswinkel α₁
40,0 °

Oberfläche

Einfallswinkel α1

40,0 °

Durchlassrichtung des Polfilters

90 °

0°: senkrecht zur Einfallsebene (waagrecht an der Oberfläche), 90°: in der Einfallsebene.

Polfilter und seine Stellung während der Messreihe nicht ändern. Die berechneten Kurven erscheinen mit der Auswertung.

Nr.Einfallswinkel α1 in °Intensität I in W·m−2
0102030405060708090012345678910α1 in °I in W · m−2

Aufträge

  1. Nur Filter A, Lampe: Wie hängt die Intensität am Sensor vom Winkel von A ab? Vergleiche mit der Messung ganz ohne Filter.
  2. Filter A und B: Nimm eine Messreihe von 0° bis 180° auf und zeige mit der Ansicht I über cos²(θ), dass das Malussche Gesetz gilt. Bestimme I0.
  3. Woher kommt der Achsenabschnitt? Wiederhole die Messung bei gekreuzten Filtern mit abgedunkeltem Raum.
  4. A auf 0°, B auf 90°: dunkel. Setze Filter C bei 45° dazwischen. Erkläre, warum jetzt Licht ankommt, und berechne den erwarteten Anteil II0. Bei welchem Winkel von C ist es hinter B am hellsten?
  5. Wie in der Skriptaufgabe „Malussches Gesetz anwenden“: A auf 0°, B auf 60°, dann C bei 30° dazwischen. Vergleiche Rechnung und Messung.
  6. Laser X ist schon polarisiert. Bestimme mit Filter B allein seine Schwingungsebene. Löse erst danach auf.
  7. Zusatz (Brewster): Bestimme die Brechzahl von Glas X aus dem Brewster-Winkel.

Theorie: Wellenoptik-Skript, Kapitel „Polarisation“, Abschnitte „Polarisationsfilter und das Malussche Gesetz“ und „Anwendungen im Alltag“.

Üben in Minærva Noctua

Fragen und Aufgaben zu den passenden Abschnitten im Skript: