PL: Einführung in die Polarisation

Zur Einführung in die Polarisation existieren zwei Moodlekurse. Es gibt einen Moodlekurs für die Unterstufe und einen für die Oberstufe. Der Aufbau für die Experimente ist größtenteils der Gleiche, weswegen es nur einen Wiki Artikel dazu gibt.

Struktur

Das Schülerlabor ist grundsätzlich als Stationenarbeit gedacht. Es muss jedoch darauf geachtet werden, welche Materialien vorhanden sind und deswegen auch welche Stationen gleichzeitig bearbeitet werden können. Die Station zu 3D-Kinotechnik mit zirkularer Polarisation und die Phänomene sind größtenteils nur einfach vorhanden.

Einstieg

Bild des Zauberrohrs mit Tischtennisball.

Also Einstieg kann das "Zauberrohr" vorgeführt werden. Dies ist ein Glasrohr mit zwei gekreuzten Polarisationsfolien, die sich in einem Bereich überschneiden. Dieser Bereich erscheint dunkel und sieht aus wie eine Barriere. Wird ein Tischtennisball durch das Rohr gerollt, so würde der Betrachter erwarten, dass die Barriere ihn aufhält. Da hier aber der Schein trügt, gelangt er hindurch.

Stationen: Physik im Kino

Station: 3D-Kinotechnik mit Anaglyphentechnik

Material:

• 1 Breadboard
• Posts und Postholder mit passenden Höhen
• 2 Taschenlampen mit Halterung
• 2 Dias (rechts und links) mit Halterung
• 2 Linsen
• 2 Farbfilter (rot und cyan)
• 1 weißer Schirm

In dieser Station bauen die SuS sich den Aufbau selbst auf. Es sollte dafür gesorgt sein, dass alle Materialien zur Verfügung stehen und die Objekte bei der Justage auf die gleiche Höhe gestellt werden können. Außerdem ist es bei dieser Station wichtig, dass Taschenlampen verwendet werden, deren Helligkeit stufenweise eingestellt werden können. So kann bei Bedarf die Taschenlampe mit dem roten Farbfilter heller gestellt werden.

Tipps:

• Darauf achten, dass erst ganz am Schluss die Farbfilter aufgesteckt werden sollen. Zu Beginn sollten die Sus genug Platz zwischen Taschenlampe und Dia lassen, damit der Farbfilter raufgesteckt werden kann, ohne die Justage zu zerstören.

Station: 3D-Kinotechnik mit linearer Polarisation

Material:

• 1 Breadboard
• Posts und Postholder mit passenden Höhen
• 2 Taschenlampen mit Halterung
• 2 Dias (rechts und links) mit Halterung
• 2 Linsen
• 2 Polarisationsfilter
• 1 silberner Schirm

In dieser Station bauen die SuS sich den Aufbau selbst auf. Es sollte dafür gesorgt sein, dass alle Materialien zur Verfügung stehen und die Objekte bei der Justage auf die gleiche Höhe gestellt werden können.

Station: 3D-Kinotechnik mit zirkularer Polarisation

Material:

• 1 Breadboard
• Posts und Postholder mit passenden Höhen
• 2 Taschenlampen mit Halterung
• 2 Dias (rechts und links) mit Halterung
• 2 Linsen
• 2 Polarisationsfilter
• 2 Verzögerungsplättchen
• 1 silberner Schirm

Diese Station ist in der Justage für die SuS eher herausfordernd. Hier ist es wichtig, dass engmaschig betreut wird und Unterstützung angeboten wird.

Allgemeine Tipps für die 3D-Kino Stationen

• In der Vorbereitung darauf achten, dass Posts und Postholder für jeden Aufbau vielfach in den richtigen Höhen verfügbar sind. Viele Objekte sind unterschiedlich hoch und müssen im Aufbau auf die gleiche Höhe justiert werden können.
• Je weiter entfernt der Schirm von den Dias ist, desto größer ist das Bild und desto besser ist der 3D Effekt einstellbar.
• Das linke Dia ist mit einem roten Punkt markiert. Darauf achten, dass die zwei Dias gleich ausgerichtet und nicht gespiegelt sind.
• Beim Aufbau schon darauf achten, dass jeweils zwei Taschenlampen an einer Station sind, deren Helligkeiten zueinander passen bzw. einstellbar sind. Dies kann den 3D-Effekt maßgeblich beeinflussen.
• Schon leichte Unebenheiten bzw. Verbiegungen der Schirme können den 3D-Effekt zerstören. Falls Schirme nachgedruckt werden müssen, PETG verwenden. Für metallische Beschichte mit Alu-Zink Spray besprühen.

Polarisationsphänomene

Station: Polarisation in der Natur

Polarisation durch Streuung

Material:

• kleines Breadboard
• Posts und Postholder
• Laser
• linearer Polarisationsfilter klein
• linearer Polarisationsfilter groß
• Becken
• Wasser + Isopropanol-Mastix
• Erhöhung
• Schirm

In dieser Station können die SuS die Höhen etc selbst aufbauen und justieren. Die milchige Lösung sollte allerdings schon vorbereitet sein. Dafür etwa 1cm des Beckens befüllen und 3-4 Tropfen der Iso-Mastix Lösung hinzufügen. Gut verrühren. Bei Bedarf kann mehr Iso-Mastix hinzugefügt werden.

Tipps:

• Das Licht des Lasers ist elliptisch polarisiert, das heißt je nach Ausrichtung des Lasers sehen wir diesen mehr oder weniger gut von der Seite. Dreht deshalb in der Vorbereitung den Laser so, dass ihr ihn von der Seite so hell wie möglich seht. So können die Schüler:innen den größten Kontrast durch Drehen des Polarisationsfilters erreicht werden.
• Diese Station ist durch die Dipolstrahlung schwierig und fällt vielen SuS schwer. Hier empfiehlt es sich engmaschig zu betreuen und bei den Erklärungen (am Modell) zu helfen.
• Zum Durchschauen einen großen Polarisationsfilter (Rahmen) nehmen, damit Fehler durch Verdrehen vermieden werden können.
• Wenn zu wenig Breadboards zur Verfügung stehen, ist es auch mit optischen Schienen möglich.

Wikinger auf der Suche nach der Sonne

Die Durchführung draußen ist bei klarem Himmel bis leichter Bewölkung möglich. Bei geschlossener Wolkendecken ist kein Effekt beobachtbar.

Das Experiment so früh wie möglich durchführen. Solange die Sonne noch hinter den Gebäuden ist, ist der Effekt am Besten. Danach ist auch noch möglich, jedoch wird es immer schlechter je näher die Sonne dem Zenit kommt. Sobald die Sonne zu hoch steht, stören Reflexionen und andere Effekte.

Beobachtungsort:

"Schwing"-Brücke auf dem Campus kurz vor dem Internationalen Zentrum (IZ)

Anleitungen um die Markierungen anzubringen:

1. Linie auf Papier aufzeichnen.
2. Kalkspat auf Linie legen.
3. Kalkspat drehen, bis Linie nicht mehr doppelt zu sehen ist, sondern nur noch entlang sich selbst verschoben ist.
4. Dunkle Markierung (Hauptschnitt) anbringen.
5. Auf entgegen gesetzter Seite Markierung senkrecht dazu anbringen.

Polarisierte Sicht

Für den Rosenkäfer ist kein Aufbau nötig. Es sollten verschiedene (lineare, rechts und linkszirkulare) Polarisationsfilter zur Verfügung gestellt werden.

Für den Schmetterling ist ein Stativ nötig, um die Taschenlampe in einem Winkel von 60° zu befestigen.

Der Aufbau um den Schmetterling zu beobachten sollte schon größtenteils fertig sein. Den Kasten über dem Schmetterling erst abnehmen, wenn tatsächlich beobachtet wird und direkt danach wieder fixieren. Unbedingt vorsichtig sein! Der Schmetterling ist sehr fragil!

Station: Flüssigkristalle und ihre Anwendungen

Dieses Kapitel ist nur für den Kurs der Oberstufe gedacht.

Bildschirm

Hier muss nur der Bildschirm mit dem Raspberry Pi verbunden werden. Die passende Polarisationsfolie muss bereit gelegt werden.

Kontrolle eines Pixels

Material:

• Laser
• 2 kleine Polarisationsfilter
• Flüssigkristallzelle
• Adapter um Kabelklemmen an Bananenkabel zu befestigen
• Koaxialkabel
• Spannungsquelle
• Photodiode
• Oszilloskop

für Teil 2: + weißer Bildschirm

Aufbau wie auf dem Bild aufbauen. Alle Kabel anschließen, sodass die SuS nur die Polarisationsfilter verdrehen bzw. die Spannung hochdrehen müssen. Spannung auf der kleinen Einstellung bis ca 2,5 V hochdrehen. Hier ist zu betonen, dass die SuS darauf achten niemanden mit dem Laser zu treffen und ihn auszuschalten, sobald sie ihn nicht mehr benötigen.

Für den zweiten Teil einen weißen Bildschirm als Lichtquelle nutzen. Dadurch fällt ein Polarisationsfilter weg.

Ermitteln der Schaltzeiten

Hier wird der Aufbau von "Kontrolle eines Pixels" wieder umgebaut.

Material

• Laser
• Kabel
• 2 Polarisationsfilter
• Flüssigkristallzelle
• Frequenzgenerator
• Photodiode
• Oszilloskop

Aufbau wie auf dem Bild. Hier wird ebenfalls der Aufbau von den Betreuenden gemacht, die SuS justieren gegebenenfalls nur noch bzw. messen und schauen sich die Effekte an. Hier ist zu betonen, dass die SuS darauf achten niemanden mit dem Laser zu treffen und ihn auszuschalten, sobald sie ihn nicht mehr benötigen.

Der Flüssigkristall wird nun über den Frequenzgenerator angesteuert.

Frequenzgenerator pulsen: Periode 5s, Width 100ms, Peak-to-peak voltage 2,5 V evtl Offset anpassen

Signal des Frequenzgenerators auch auf das Oszi geben, um die Schaltzeiten abzulesen.

Station: Spannungsdoppelbrechung

innere Spannungen

Material:

• Lichtbrett
• großer Polarisationsfilter im Rahmen (32x34cm)
• kleiner Polarisationsfilter im Rahmen
• Schutzbrille, Geodreieck, Plastikbox, Lineal

Belastungstests

Material:

• Lichtbrett
• großer Polarisationsfilter im Rahmen (32x34cm)
• kleiner Polarisationsfilter im Rahmen
• runder und eckiger Haken
• Stativ und Schnur, um die Haken zu befestigen
• Zwinge und Halterung, damit diese steht
• runder und eckiger Rahmen
• Breadboard mit Schienen
• 3 Brückenmodelle
• verschiedene Massestücke
• Federkraftmesser

Station: optische Aktivität

Das Rätsel um den Zucker

Material:

• optische Schiene und Reiter
• Laser
• Erhöhung
• leeres Becken
• Haushaltszucker (Saccharose)
• Löffel o.Ä. zum Verrühren
• Polarisationsfilter
• Messbecher
• Waage

Den Aufbau machen die SuS. Hier ist zu betonen, dass die SuS darauf achten niemanden mit dem Laser zu treffen und ihn auszuschalten, sobald sie ihn nicht mehr benötigen.

Tipps:

• Zucker in eine Schüssel o.Ä. umfüllen und einen Löffel verwenden, damit weniger Zucker verstreut wird.
• Die SuS ermitteln in diesem Teil die Zuckersorte. Somit sollte die Zuckerpackung nicht offen herumstehen.

Barber-Pole Effekt

Dies muss im Vorhinein angemischt und aufgebaut werden. Es stehen zwei 1m lange Rohre zur Verfügung.

Es soll jeweils 300g Zucker (Haushaltzucker, Fruktose) zu 400g Wasser angemischt werden. Dafür am Besten Wasser aufkochen, kurz abkühlen lassen und mit einem Rührfischchen mischen.

Der Versuch wird am Besten in der Bibliothek bzw. an einem möglichst dunklen Ort aufgebaut. Abdeckungen mit schwarzen Tüchern und die schwarze Seite des Schirmes helfen dem Kontrast.

Die beiden Rohre auf unterschiedlichen Höhen aufbauen, sodass sie gleichzeitig betrachtet werden können.

Station: Brewster-Winkel

Einführung

Material:

• polarisierte Sonnenbrillen
• Polarisationsfilter

Hier ist kein großer Aufbau nötig. Die Betreuenden können zum Schluss des Kapitels gemeinsam mit den SuS spiegelnde Oberflächen suchen und dort versuchen die Reflexion unsichtbar zu machen. Es eignen sich die Fenster der Bibliothek oder die Verglasung der Schränke. Hier ist es wichtig die Winkelabhängigkeit zu behandeln. Die SuS können eine Glasfront durch einen Polarisationsfilter begutachten und dabei bemerken, dass sie die Spiegelung entlang der Front immer schlechter ausblenden können.

Brewster-Winkel für Luft-Plexiglas

Material:

• Laser
• Plexiglasscheibe in drehbarer Halterung
• Schirm
• Polarisationsfilter

Diesen Aufbau machen die SuS selbstständig. Hier ist zu betonen, dass die SuS darauf achten niemanden mit dem Laser zu treffen und ihn auszuschalten, sobald sie ihn nicht mehr benötigen. index.php?title=Kategorie:Optik index.php?title=Kategorie:Optik