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Physik · Schwingungen und Wellen
Polarisation als Beweis für Transversalwellen: unpolarisiertes und polarisiertes Licht, Polarisator und Analysator, Gesetz von Malus, Brewster-Winkel und das Polarimeter.
Polarisation gibt es nur bei Transversalwellen. Sie legt fest, in welcher Ebene die Schwingung liegt, bei Licht die Ebene des elektrischen Feldes.
Beim Licht steht das Magnetfeld senkrecht zum elektrischen Feld. Die Polarisationsrichtung ist die Richtung des elektrischen Feldes. Schall ist longitudinal und lässt sich nicht polarisieren.
Sonnenlicht ist unpolarisiert: Das E-Feld schwingt in allen Richtungen senkrecht zum Strahl, wie ein Seil, das du in alle Richtungen schüttelst. Linear polarisiert schwingt nur in einer Ebene. Bei zirkular oder elliptisch polarisiertem Licht dreht sich der E-Vektor um die Strahlachse.
Ein Polarisationsfilter lässt nur die Feldkomponente parallel zu seiner Durchlassrichtung durch. Aus unpolarisiertem Licht macht ein idealer Filter linear polarisiertes Licht mit der halben Intensität.
Ein zweiter Filter, der Analysator, prüft das Licht. Für linear polarisiertes Licht gilt das Gesetz von Malus:
Interaktives Modell
Deine AufgabeDrehe den Analysator ohne Probe: Bei welchem Winkel ist es dunkel, bei 45° wie hell? Wiederhole es mit der Zuckerlösung – um wie viel verschiebt sich die Dunkelstellung?
I = I₀ · cos²θθ: Winkel zwischen Polarisationsrichtung und Durchlassrichtung
Mit drei Filtern geht es trotz gekreuzter Enden: Filter bei 0°, 45° und 90° lassen von I₀ unpolarisiert ½, dann ¼, dann ⅛ übrig. Ohne den mittleren Filter wäre es dunkel.
| Weg | Was passiert |
|---|---|
| Filter | lässt eine Ebene durch |
| Reflexion | am Brewster-Winkel vollständig polarisiert |
| Streuung | Himmelslicht teilweise polarisiert |
| Doppelbrechung | Kristall teilt in zwei polarisierte Strahlen |
Am Brewster-Winkel schwingt das reflektierte Licht parallel zur Oberfläche, und reflektierter und gebrochener Strahl stehen senkrecht zueinander. Es gilt tan θB = n₂/n₁, an Wasser etwa 53°. Brewster-Winkel und Totalreflexion sind zwei verschiedene Effekte.
Polarisationssonnenbrillen lassen nur vertikal schwingendes Licht durch und blocken so das horizontal polarisierte Blendlicht von Wasser und Straße.
Manche Stoffe drehen die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht, etwa Zuckerlösungen. Sie sind optisch aktiv und chiral. Der Drehwinkel α wächst mit Konzentration c und Weglänge l.
α = [α] · c · l[α]: spezifische Drehung, hängt von Stoff, Wellenlänge und Temperatur ab
Im Polarimeter misst du α und schließt auf c. Weil [α] von der Wellenlänge abhängt, brauchst du monochromatisches Licht.
Beim Halbschattenpolarimeter polarisiert ein Hilfsprisma eine Hälfte des Lichtbündels geringfügig anders. Du stellst den Analysator so ein, dass beide Hälften des Gesichtsfelds gleich hell sind.
Beschriftbare Abbildung
Deine AufgabeVerfolge den Strahlengang und deute Hilfsprisma und Helligkeitsabgleich. Wie ergibt sich die optische Drehung aus Leer- und Probenstellung?
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
