Physikalisches Praktikum 4. Semester

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1 Torsten Leddig 11.Mai 2005 Mathias Arbeiter Betreuer: Dr.Enenkel Physikalisches Praktikum 4. Semester - Lichtreflexion - 1

2 Ziel Auseinandersetzung mit den Theorien der Lichtreflexion Experimentelle Anwendung und Untersuchung der Gültigkeit der Reflexionsgesetze Aufgaben: 1. Der Reflexionsgrad R = I r /I e ist in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α für linear polarisiertes Licht mit der Schwingungsebene und zur Einfallsebene für unterschiedliche Oberflächen zu ermitteln und grafisch darzustellen. Hierbei bedeuten: I r - Intensität des reflektierten Lichtes I e - Intensität des einfallenden Lichtes 2. Errechnen Sie mit dem jeweiligen Brewsterwinkel die Brechungsindizes für Glas und Wasser. 3. Berechnen Sie bei der Vorbereitung auf den Versuch die theoretischen Kurvenverläufe R = f(α) für eine rückseitig glatte und geschwärzte Glasplatte mit den Fresnel schen Formeln, stellen Sie die Werte für senkrechte und parallele Schwingungsebene grafisch dar und vergleichen Sie diese grafischen Darstellungen mit den experimentellen Kurvenverläufen. 1 Vorbetrachtung Brewstersche Gesetz: entspricht der Einfallswinkel dem sogenannten Brewsterwinkel, wird das reflektierte Licht senkrecht zur Einfallsebene vollständig polarisiert die gebrochene Welle geht hierbei verlustfrei durch das Medium gebrochener Strahl und reflektierter Strahl stehen senkrecht beim Brewsterschen Winkel tan(α B ) = n 2 n 1 2

3 Die theoretischen Kurven zeigen eindeutig, dass nur bei paralleler Polarisation der Brewsterwinkel und der damit verbundene Rückgang des Reflexionsgrades nachweisbar ist. Dies liegt daran, dass die Atome der reflektierenden Oberfläche bei parallelem Licht parallel zur Einfallsebene schwingen. Hierbei strahlen sie wie ein Dipol ab. Und sind daher nicht in der Lage in Schwingungsrichtung Strahlung zu emittieren. Während die Atome bei senkrechtem Einfall auch senkrecht zur Einfallsebene schwingen, und somit in jede Richtung entlang dieser Ebene abstrahlen können. Wird der Einfallswinkel erhöht, so wird ein immer geringerer Teil der Strahlung absorbiert, und die Kurve strebt gegen eins. 2 Aufnahme der Messwerte: der Polfilter vor dem Detektor und der Leuchtdiode sind gleichgerichtet einzustellen es werden mit jeweils einer Oberfläche zwei Messungen durchgeführt - einmal mit senkrecht und einmal mit parallel zur Einfallsebene polarisiertem Licht mit einem zusätzlichen Polfilter, auf dem eindeutig die Polarisationsrichtung gekennzeichnet ist, kann die Einstellung überprüft werden die Markierungen auf dem Polfilter entsprechen dabei der Lage es elektrischen Feldvektors evtl. muss am Nanovoltmeter der Knopf -Phase Shift - (für die Phasenverschiebung) betätigt werden, um den Maximalwert angezeigt zu bekommen je empfindlicher der Wertebereich des Nanovoltmeters eingestellt wird, desto mehr schwingt der Zeiger und die Messwerte werden ungenau deshalb muss bei sehr hoher Empfindlichkeit die Zeit-Konstante am Nanovoltmeter erhöht werden, wodurch der Messwert langsamer eingeregelt wird, jedoch genau und weniger schwankend angezeigt wird zu Bestimmung der Maximalintensität der Diode werden Detektor und Leuchtdiode einander gegeübergestellt durch leichte Variation der Lage der Lampe wird das Maximum der Intensität gesucht 3

4 2.1 Wasser parallel α U in µv α U in µv Wasser - senkrecht α U in µv

5 2.1.1 Rechnung: Das Minimum des Intensitätsverlauf bei parallel polarisiertem Licht ist leider nicht eindeutig bestimmbar, aufgrund der ungenügend genauen Messwerte. Mit Hilfe eines Polynoms dritten Grades wurde der Verlauf im Bereich des Minimums approximiert und daraus der Brewsterwinkel ermitelt. aus der Grafik ermittelter Wert für den Brewsterwinkel: α B = Auswertung: n 2 = tan(α B ) n 1 n 2 = Die experimentell ermittelte Kurve stimmt mit der theoretisch zu erwartenden gut überein. Da die reflektierte Intensität bei paralleler Polarisation unter dem Brewsterwinkel nicht auf Null abfällt, muss ein Fehler beim Einstellen der Polarisationsrichtung vorgelegen haben. Offensichtlich wurde das Licht der Leuchtdiode nicht vollständig polarisiert. Eine weitere Fehlerquelle stellt die nicht exakt ebene Wasseroberfläche dar, die ständiger Erschütterung ausgesetzt war. Der Brewsterwinkel wird nun durch den minimalen Wert der reflektierten Intensität charakterisiert. Ein akzeptierter Wert für den Brechungsindex von Wasser ist n 2 = Der Brewsterwinkel müsste eigentlich bei ungefähr 53 liegen und weicht damit um 1 ab. 5

6 2.2 normales Glas senkrecht α U in µv parallel α U in µv

7 2.2.1 Rechnung: aus der Grafik ermittelter Wert für den Brewsterwinkel: α B = 55.0 Auswertung: n 2 = tan(α B ) n 1 n 2 = Die experimentell ermittelte Kurve entspricht dem theoretisch erwartendem Verlauf. Wie beim Wasser konnte auch hier die reflektierte Leistung unter dem Brewsterwinkel nicht vollständig verhindert werden. Ein Minimum der Intensität ist jedoch eindeutig ersichtlich und nahe Null. Wie erwartet hat der Brewsterwinkel keinerlei Bedeutung, wenn wir senkrecht polarisiertes Licht verwenden. 2.3 Messingplatte: senkrecht polarisiert α U in µv parallel polarisiert α U in µv Auswertung: Da Metalle einen komplexen Brechungsindex besitzen, sind sie nicht vergleichbar mit Isolatoren. Demzufolge ist bei parallel polarisiertem Licht auch kein Absinken der Intensität auf Null zu erwarten. Dass die Kurve unregelmäßig verläuft, könnte sich durch die strukturierte und somit nicht gleichmäßige Oberfläche erklären! Bei einem Winkel von ungefähr 75 tritt ein lokales Minimum auf (bei parallel polarisiert). 7

8 2.4 Vergleich Theorie - Experiment bei der Glasplatte: Auswertung: Die experimentell ermittelten Kurven stimmen gut mit den theoretisch zu erwartenden überein. Bei der senkrechten Polarisation wurde generell ein höherer Wert gemessen, als theoretisch erwartet. 8