Grundpraktikum 2 Protokoll zum 16. Versuch Polarisation I

Werbung
Grundpraktikum 2
Protokoll zum 16. Versuch
Polarisation I
Durchführungsdatum des Versuchs : 19.4.2007
Verfasser des Protokolls :
Andreas Tröls
Matrikelnummer : 0555196
Studienkennzahl : 810
Winkler Klemens
Matrikelnummer : 0555991
Studienkennzahl : 810
Versuchszubehör:
Optische Bank, Beleuchtung, diverse Linsen
Polarisator, Analysator, λ/2 Plättchen, λ/4 Plättchen
Küvette, Zuckerlösung
GRUNDVERSUCH 1 - Allgemeines
1.1 Polarisationsfilter :
Dieser Grundversuch dient zum Kennen lernen der Eigenschaften von Polarisator und
Analysator. Der Versuchsaufbau sieht wie folgt aus :
Zuerst bleibt der Polarisator fix und der Analysator wird im , bzw. gegen den Uhrzeigersinn
gedreht. Man beobachtet die Helligkeitsänderung am Schirm.
Anschließend ist der Analysator fix und man bewegt den Polarisator.
Der ganze Versuch wird im Anschluss mit einem roten Farbfilter wiederholt der zwischen
dem Kondensor und dem Polarisator platziert wird.
Bei einer Drehung des Analysators im Uhrzeigersinn kann man bei 90° und bei 270° die
Intensitätsminima , und bei 180° und 360° die Intensitätsmaxima feststellen. Natürlich verhält
es sich bei einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn genauso.
Bei Drehung des Polarisators bei feststehendem Analysator wurden die Minima und Maxima
ebenfalls bei denselben Winkeln beobachtet egal ob mit oder gegen den Uhrzeigersinn.
Bei Wiederholung des Versuchs mit dem rotem Farbfilter konnten wir ebenfalls keine
Änderung des Intensitätsverhaltens feststellen.
1.2 Polarisation bei Reflexion (Brewstersches Gesetz) :
Der Versuch hat folgende Anordnung :
Hier sucht man jene Stellung des Polarisators und den Einfallswinkel ψ bei dem die Intensität
des reflektierten Strahles annähernd null wird. Dieser Winkel ist der Winkel maximaler
Polarisation ψP. Daraus kann man sich mit folgender Formel den Brechungsindex n der Platte
ausrechnen :
tan ψP = n
Bei einer vollen Drehung findet man 2 Stellen an denen die Intensität des reflektierten Lichtes
minimal ist. Wir wählten als Referenzpunkt jenen Punkt der an der Wand gegenüber der
optischen Bank liegt (hinter uns an der Wand).
Bei uns ergab der Winkel ψP = 55°. Die zugehörige Polarisatorstellung war 94° aus der
Nullstellung im Uhrzeigersinn verdreht.
Daraus ergibt sich ein Brechungsindex n = 1,42 für die Glasplatte.
(das ist ca. der Brechungsindex von Flussspat / Calciumfluorid, dieser beträgt 1,43)
Nun schätzen wir den Messfehler bei der Winkelmessung auf die Bestimmung des
Brechungsindex ab. Die Winkelteilung ist bis auf ca 2° genau abzulesen.
Nach dem Gauß´schen Fehlerfortpflanzungsgesetz ergibt sich:
Δn = (dn/dψP ) * ΔψP
n = tan ψP
Δn = 1 / cos^2 (ψP) * ΔψP
ΔψP = 2° = 0,034906585 Rad
Δn = 1 / 0,328989928 * 0,034906585 = 0,106102291
Der Maximale Fehler der Brechzahl n bei einer Ablesegenauigkeit von 2 ° beträgt also
0,106102291.
1.3 Polarisationsfilter mit λ/4 und λ/2 Plättchen :
In diesem Versuch untersuchen wir die Eigenschaften der beiden oben genannten Plättchen.
Der Versuchsaufbau sieht wie folgt aus :
a)
Zwischen Polarisator und Analysator haben wir ein λ/4 bzw. λ/2 Plättchen angebracht und
die Intensität des transmittierten Lichtes unter folgenden Bedingungen beobachtet :
Für λ/4 Plättchen :
- Das Plättchen wird zwischen gekreuzten Nicols angebracht und parallel bzw. senkrecht zum
Polarisator orientiert. Wir beobachten dabei die Intensität des transmittierten Lichtes.
Steht das Plättchen parallel zu P bleibt der Schirm dunkel
Steht das Plättchen senkrecht auf P ist es ebenfalls dunkel
- Das Plättchen wird parallel zum Polarisator orientiert. Wir beobachten die
Intensitätsänderung bei Drehung des Analysators.
Wir haben ein Minimum bei 0° und bei 180° . Intensitätsmaxima beobachten wir bei 90° und
270° . In den 4 Bereichen dazwischen beobachten wir einen fließenden Übergang dieser
Zustände.
- Das Plättchen wird senkrecht zum Polarisator orientiert. Wir beobachten die
Intensitätsänderung bei Drehung des Analysators.
Wir sehen ein Maximum bei 0° und bei 180°. Minima beobachten wir bei 90° und bei 270°.
Die Stellen der Minima und Maxima sind somit gegenüber der letzten Plättchenstellung um
90° verdreht , was ja logisch ist da wir auch das λ/4 Plättchen um 90° gedreht haben.
- Wir beobachten die Intensitätsänderung für einen Winkel von 30° bis 45° zwischen dem
Plättchen und dem Polarisator bei Drehung des Analysators.
Bei 30° ist das Licht elliptisch polarisiert. Wir sehen Maxima bei 90° und 270° sowie Minima
bei 180° und 0°
Bei 45° haben wir zirkular polarisiertes Licht. Am Schirm beobachten wir dass sich auf der
Fläche des Plättchens bei Drehung des Analysators nichts verändert. Außerhalb der
Plättchenfläche erkennen wir die üblichen Anordnungen von Minima und Maxima alle 90°.
Für λ/2 Plättchen :
Fällt polarisiertes Licht auf ein im Winkel α gegen die Polarisatorebene verdrehtes λ/2
Plättchen dreht dieses die Polarisationsebene um 2 α
- Das Plättchen wird zwischen gekreuzten Nicols angebracht und parallel bzw. senkrecht zum
Polarisator orientiert. Wir beobachten dabei die Intensität des transmittierten Lichtes.
Steht das Plättchen parallel zu P bleibt der Schirm dunkel
Steht das Plättchen senkrecht auf P ist es ebenfalls dunkel
- Das Plättchen wird parallel zum Polarisator orientiert. Wir beobachten die
Intensitätsänderung bei Drehung des Analysators.
Minima bei 0° und 90°
Maxima bei 180° und 270°
- Das Plättchen wird senkrecht zum Polarisator orientiert. Wir beobachten die
Intensitätsänderung bei Drehung des Analysators.
Wie oben
- Wir beobachten die Intensitätsänderung für einen Winkel von 30° bis 45° zwischen dem
Plättchen und dem Polarisator bei Drehung des Analysators.
Bei 30° gibt es Minima bei 135° und 315° und Maxima bei 45° und 225°
Bei 45° gibt es Minima bei 113° und 300° und Maxima bei 23° und 203°
- ZIRKULARPOLARISATOR:
Einen Polarisationsfilter und ein um 45° dazu gedrehtes λ/4 Plättchen nennt man in diesem
Verbund einen Zirkularpolarisator. Dieser wandelt jedes auf ihn einfallende Licht in zirkular
polarisiertes Licht um. Da wir diese Messung leider vergessen haben erkläre ich es hier wie es
theoretisch aussehen müsste:
Aus dem Aufbau des ZP geht hervor dass es sich um nichts anderes handelt als um einen
Polarisator hinter dem in 45° Winkel ein λ/4 Plättchen aufgestellt ist. Somit müssten die
Beobachtungen dieses Versuchs exakt die Selben sein wie der Versuch mit dem λ/4 Plättchen
von vorhin.
Bei Drehung der Einbaurichtung lässt sich der ZP als Linearer Polarisator verwenden.
1.4 Doppelbrechende Körper im polarisierten Licht :
Versuchsaufbau :
Durchführung ohne Farbfilter :
Am drehbaren Blendenhalter werden verschiedene anisotrope Körper angebracht. Der
Polarisator bleibt dabei fest. Wir beobachten die entstehenden Erscheinungen durch
Verdrehen des Gegenstandes bzw. des Analysators :
- unregelmäßig gespaltene Glimmerprobe
Man erkennt leichtes Farbspiel an den gebrochenen Flächen. Dreht man den Gegenstand wird
er heller und dunkler , dreht man den Analysator invertiert dieser das Bild (Negativbildung)
- Glimmerplättchen
Je nach Drehwinkel beobachten wir hier andere Farben.
Reihenfolge : orange-grün-orange-blau-grün-gelb-orange
In de Außenbereichen der Probe sorgt der Analysator wieder für eine Invertierung der
Lichtintensitäten.
- Zellophanstücke
Man erkennt wieder verschiedene Farben wobei hier in bestimmten Stellungen die Farben
intensiver sind als in Anderen, Der Analysator trägt etwas dazu bei , invertiert aber
hauptsächlich wieder einmal nur die Helligkeit der Außenbereiche des Bildes.
- Tesaband
Verschiedene Farben sind sichtbar. Je nach Dicke des Tesabandes Andere. Der Unterschied
ob der Gegenstand parallel oder gekreuzt zum Analysator liegt , liegt darin das sich die
Reihenfolge der Farben umkehrt.
- Kunststofflineal
Man betrachtet farbige Linien . Wir nehmen an das dies Spannungsbereiche im Material sind.
Je nach Analysatorstellung sieht man die Farben mehr oder weniger intensiv. (Es gibt auch
Analysatorstellungen bei denen man bei richtiger Stellung des Gegenstandes gar keine Farben
sieht.)
Das Ganze wiederholen wir nun mit dem Farbfilter F zwischen Kondensor und Polarisator.
Man betrachtet hier eigentlich keine so intensive Farbänderung wie ohne den Farbfilter , doch
uns kam der Intensitätswechsel zwischen hell und dunkel viel stärker vor. Man sieht hier
besser wie die einzelnen Schichten der Proben ihre Helligkeit bei Drehung ändern.
GRUNDVERSUCH 2 – Saccharimetrie
2.1 Halbschattenpolarimeter nach Lippich :
Wir wiederholen den Grundversuch 1 wobei wir den Polarisator durch das
Halbschattenpolarimeter nach Lippich ersetzen (mit und ohne Farbfilter). Hierbei finden wir 2
Winkel bei denen beide Bildhälften in etwa gleich hell erscheinen.
Bei Drehung des Polarisators : Bei 90° dunkel , bei 180° hell. Die obere Hälfte erreichte ihr
Intensitätsminimum etwas früher als die untere. Dazwischen gibt es Punkte bei denen obere
und untere Hälfte gleich hell sind. Diese wollen wir aber erst beim nächsten Teilversuch
ermitteln.
Mit Farbfilter kommt man übrigens zum selben Ergebnis. Das HSP war leider nicht drehbar
angebracht also konnten wir nur den Polarisator drehen obwohl die Versuchsanweisung eine
Drehung des HSP´s verlangt hätte.
2.2 Bestimmung des Drehwinkels optisch aktiver Flüssigkeiten :
Mithilfe des Halbschattenpolarisators bestimmen wir die Drehung der Schwingungsebene des
polarisierten Lichtes beim Durchgang durch eine optisch aktive Flüssigkeit (Zuckerlösung).
Versuchsaufbau :
Es gibt 2 geschlossene Küvetten die mit Zuckerlösung gefüllt sind. Jene bei der die
Konzentration bekannt ist dient zur Bestimmung des spezifischen Drehwinkels α. Die Andere
ist mit einer Lösung unbekannter Konzentration gefüllt.
Zuerst suchen wir ohne eingesetzte Zuckerlösung den Winkel bei dem beide Hälften des
Halbschattenpolarimeters gleich hell sind (Referenzwinkel). Dann wird die Zuckerlösung in
den Strahlengang gestellt und so weit nachjustiert bis die Hälften wieder gleiche Helligkeit
haben. Der Differenzwinkel ist der gesuchte Halbschattenwinkel.
Die Konzentration der Zuckerlösungen lässt sich durch die Formel α = α0 .L .C bestimmen.
Wir bestimmen den Winkel ohne Lösung bei dem beide Bildhälften gleich hell sind. Dieser
Winkel ist bei uns 88° und dient als Referenzwinkel für die folgenden Messungen.
Beide Zuckerlösungen waren linksdrehend. Um dies festzustellen dreht man das
Halbschattenpolarimeter und verfolgt am Schirm die Abfolge der Farben. Ist die Reihenfolge
der erscheinenden Farben dieselbe wie sie im Sonnenspektrum vorkommt ist die gedrehte
Richtung die Drehrichtung der Lösung.
Von Zuckerlösung B war C bekannt : C = 25g /100ml
Die Länge der Proben kürzt sich später aus der Gleichung raus. Trotzdem : L = 20 cm
Der erste Halbschattenwinkel für Lösung B betrug 32 °. Daraus errechnen wir uns den
spezifischen Drehwinkel α0 = 0,64°
a0 = 32 / (2*25) = 0,64
Der Halbschattenwinkel für die Lösung A betrug 43°
C = 43 / (0,64 * 2) = 33,59g/100ml
Mit dieser Konzentration kann man sich zur Kontrolle noch mal den spez. Drehwinkel
ausrechnen. Wieder gibt er ca. 0,64°.
Herunterladen