Polarisation. Kommentar für Lehrkräfte. zu Modul 5: Zusammenfassung: In diesem Modul lernen die Schüler, wie die Polarisationsebene linear

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1 Kommentar für Lehrkräfte zu Modul 5: Polarisation Polarisation ist eine grundlegende Eigenschaft des Lichts und durch das Verständnis ihrer Funktionsweise können Forscher diesen Effekt für verschiedenste Anwendungen nutzbar machen. Polarisation wird in vielen pharmazeutischen Anwendungen sowie in Fernseh- und Computerbildschirmen eingesetzt und sogar Anglerbrillen beruhen auf dieser Eigenschaft. Polarisation ist nicht nur interessant, sondern auch sehr nützlich. Zusammenfassung: In diesem Modul lernen die Schüler, wie die Polarisationsebene linear polarisierten Lichts gedreht wird und wie Polarisatoren funktionieren. Außerdem lernen sie, wie man ein Polarimeter baut und die Drehung der Polarisationsebene durch eine Zuckerlösung misst. Das Modul besteht aus einem Kapitel: Verdrehtes Licht: Nutzung von Polarisatoren zur Drehung der Polarisationsebene von Licht und zum Bau eines Polarimeters Entwickelt für: Oberstufe (ca. 16 bis 18 Jahre) Dauer: Diese Modul benötigt eine Unterrichtsstunde von ca. 40 min. Was die Schüler bereits wissen sollten: Licht verhält sich wie Wellen Was die Schüler lernen: Grundlegendes Wissen über polarisiertes Licht Wie Polarisatoren funktionieren Drehung der Polarisationsebene von Licht Aufbau eines Polarimeters Nutzung der Polarisation in LCD- Bildschirmen Dieses Modul umfasst: 1 Arbeitsblatt 1 Merkblatt Teacher notes on Polarisation page 1 of 6

2 Kapitel 1 Verdrehtes Licht Empfohlene Unterrichtsgliederung In diesem Kapitel erforschen die Schüler die Polarisation des Lichts und die Verwendung verschiedener Materialien zur Drehung der Polarisationsebene. Außerdem bauen die Schüler ihr eigenes Zucker- Polarimeter und untersuchen den Effekt unterschiedlich hoher Konzentrationen von Zuckerlösungen auf die Polarisation von Licht. Durch Anwendung dieser Verfahren lernen sie, wie die grundlegende Eigenschaft der Polarisation in unterschiedlichsten Anwendungen und bahnbrechenden Erfindungen, wie dem LCD- Bildschirm, genutzt werden kann. Dauer in Minuten Tätigkeit Hausauf- gabe Lesen der Sicherheitsvorschriften für Laser Material 0-5 Einleitung: Lesen des ersten Teils des Arbeitsblatts WS Durcharbeiten der Fragen 1-5 im Arbeitsblatt WS11.1 Sicherheitsvorschriften für Laser Lesen der Teile 6-7 und Bau eines Polarimeters 2 Polarisatoren 1 Lasermodul Nicht enthalten: 1 durchsichtiger Becher / Glas Wäscheklammern zur Befestigung der Polarisatoren Wasser Zucker (1-2 Teelöffel) Durcharbeiten der Erklärung von LCD- Bildschirmen im FS11.1, Linsen Merkblatt Beschreibung des empfohlenen Unterrichtsaufbaus Polarisatoren und ihre Funktion Nachdem die Schüler den ersten Teil des Arbeitsblatts durchgelesen haben, benötigen sie vielleicht Ihre Hilfe, um das Prinzip der Vektorzerlegung von Wellen zu verstehen. Bitte erklären Sie den Schülern die Vektorzerlegung entweder mit einer Schnur oder durch eine Skizze an der Tafel. Das Wichtigste ist, die Schüler dazu zu bringen, sich die Lösungen der Aufgaben 1-5 durch logisches Denken zu erschließen. Dazu können Sie mit der Klasse ein Spiel spielen, indem Sie die Fragen der Schüler nicht direkt beantworten, sondern den Schülern stattdessen eine Gegenfrage stellen. Dies regt die Schüler dazu an, ihre Fragen sehr genau zu formulieren und sich mehrere mögliche Antworten auf Ihre Fragen zu überlegen. Damit gewinnen die Schüler Einsichten in das Prinzip von Entdeckungen und verbessern ihr Verständnis wissenschaftlicher Schlussfolgerungen. Wenn die Schüler die Teile 1-2 auf dem Arbeitsblatt bearbeitet haben, gehen Sie von Gruppe zu Gruppe und prüfen und besprechen die Beobachtungen der Schüler. Nachdem alle Gruppen verschiedene Objekte in ihrer Umgebung durch die Polarisatoren beobachtet haben, lassen Sie die Schüler die Aufgaben 3 und 4 lösen. In diesen Experimenten sollten die Schüler zunächst feststellen, dass sie das Licht absorbieren können, wenn sie die Polarisatoren um neunzig Grad versetzt (quer) zueinander halten, (sie sehen Schwarz) und dann plötzlich wieder etwas sehen können, wenn sie einen dritten Polarisator zwischen die beiden überkreuzt gehaltenen Polarisatoren halten. Teacher notes on Polarisation page 2 of 6

3 Nachdem die Schüler diesen Effekt festgestellt haben, lassen Sie sie Teil 6 durcharbeiten und feststellen, ob sie einen ähnlichen Effekt beobachten können, wenn andere durchsichtige Materialien zwischen den überkreuzten Polarisatoren gehalten werden. Die Schüler sollen erkennen, dass der dritte Polarisator und die Kunststoffe die Polarisationsebene des Lichts nach dem ersten Polarisator so drehen, dass der zweite Polarisator das Licht wieder durchlässt. Lassen Sie die Schüler Teil 6 des Arbeitsblatts durcharbeiten und die Effekte an den Bildschirmen ihrer Handys testen. Fordern Sie die Schüler auf, ihre bisherigen Ideen zusammenzufassen und eine Hypothese zu entwickeln, wie LCD- Bildschirme funktionieren. Dazu sollen die Schüler sich überlegen, warum das Licht, das aus den Handybildschirmen kommt, polarisiert ist und in welche Richtung es polarisiert ist. Kündigen Sie an, dass im Merkblatt die Funktion von LCD- Bildschirmen erklärt wird und die Schüler dann kontrollieren können, ob ihre Hypothese stimmt. Anschließend können die Schüler Teil 7 durchlesen. Erklären Sie den Schülern, dass sie nun untersuchen werden, wie bestimmte Materialien die Polarisationsebene des Lichts drehen und um wie viel. Dazu sollen die Schüler ein Zucker- Polarimeter bauen. Ein Polarimeter ist eine Vorrichtung, mit der man den Drehwinkel messen kann, um den polarisiertes Licht, das durch eine optisch aktive Substanz geleitet wird, gedreht wird. Wenn die Schüler noch nie mit diesen Lasern gearbeitet haben, ist es wichtig, dass sie das Arbeitsblatt mit den Vorschriften zur Lasersicherheit gelesen, verstanden und unterschrieben haben. Aber auch, wenn die Schüler den Umgang mit Lasern bereits kennen, sollten Sie diese Vorschriften vor der Ausgabe der Laser nochmals durchgehen, da der sichere Umgang mit Lasern zu den Fähigkeiten gehört, welche die Schüler in diesem Modul lernen sollen. Lassen Sie die Schüler Teil 8 des Arbeitsblatts durchlesen und ihren eigenen Versuchsaufbau entwickeln. Der auf dem Arbeitsblatt dargestellte Aufbau ist nur eine von mehreren Möglichkeiten zum Bau eines Polarisators. Vielleicht finden die Schüler ein besseres Verfahren! Einer der Polarisatoren sollte sicher befestigt sein, so dass er während des Experiments nicht umfallen kann. Die Schüler müssen den zweiten Polarisator drehen und so den Winkel ermitteln, bei dem der Lichtstrahl vollständig absorbiert wird. Zur Auflösung des Zuckers genügt heißes Wasser aus der Leitung. Wenn kein heißes Wasser verfügbar ist, können die Schüler lauwarmes Leitungswasser verwenden, dann löst sich der Zucker allerdings langsamer auf. Lassen Sie die Schüler zunächst nur wenig Wasser verwenden, weil die Drehung der Polarisationsrichtung nur bei stark konzentrierten Lösungen erkennbar ist. Die Schüler können den Versuch auch zuerst mit reinem Wasser (ohne Zucker) machen, und testen, ob dies die Polarisationsrichtung beeinflusst. Regen Sie diesen Versuch aber nur an, wenn die Schüler vorher selbst eine entsprechende Frage gestellt haben. Nachdem die Schüler Teil 8 abgeschlossen haben, lassen Sie sie Teil 9 durchlesen und eine Hypothese entwickeln. Sie können von Gruppe zu Gruppe gehen und die entwickelten Hypothesen kontrollieren. Fragen Sie die Schüler gezielt, wodurch ihrer Ansicht nach die Drehung entsteht (nur durch den Zucker, nur durch das Wasser oder die Mischung beider). Merkblatt Das Merkblatt erklärt die Funktion von LCD- Bildschirmen und wie der Effekt der Polarisation für diese Bildschirme genutzt wird. Im Abschnitt Hintergrundinformationen finden Sie weitere Informationen zu diesem Thema, die Sie Ihren Schülern bei der Besprechung des Merkblatts vermitteln können. Fordern Sie die Schüler auf, noch einmal an das Experiment mit den Bildschirmen ihrer Handys (oder Laptops) in Punkt 7 des Arbeitsblatts zu denken. Dabei konnten die Schüler feststellen, dass das vom Bildschirm kommende Licht in eine bestimmte Richtung polarisiert war. Die meisten Schüler wissen vermutlich bereits vor dem Experiment etwas über LCD- Bildschirme und haben vielleicht sogar ein LCD- Gerät zu Hause. Fordern Sie die Schüler auf, ihre Hypothese, wie das Drehen von Licht in LCD- Bildschirmen genutzt wird, mit der im Merkblatt ausgeführten Erklärung zu vergleichen. Teacher notes on Polarisation page 3 of 6

4 Hintergrundinformationen Flüssigkristalle Flüssigkristalle sind Substanzen, die sowohl Eigenschaften von Feststoffen als auch von Flüssigkeiten aufweisen. Ein Flüssigkristall kann beispielsweise auf makroskopischer Ebene flüssig sein, auf mikroskopischer Ebene können sich seine Moleküle jedoch wie Kristalle verhalten. Flüssigkristalle wurden im Jahr 1888 vom österreichischen Botaniker und Chemiker Friedrich Reinitzer entdeckt, als dieser mit Hilfe des Physikers Otto Lehmann die physikochemischen Eigenschaften von Ester- Derivaten von Cholesterin (heute bekannt als cholesterische Flüssigkristalle) untersuchte. Reinitzer entdeckte drei wichtige Eigenschaften cholesterischer Flüssigkristalle: Sie besitzen zwei Schmelzpunkte, sie reflektieren zirkular polarisiertes Licht und sie können die Polarisationsrichtung von Licht drehen. Seine Forschungen wurden von Lehmann fortgesetzt, der erkannte, dass er ein neues Phänomen entdeckt hatte und in der Lage war, dieses weiter zu erforschen. Er untersuchte mehrere Moleküle und veröffentlichte seine Ergebnisse Ende August 1889 in der Zeitschrift für Physikalische Chemie. Lehmanns Arbeit wurde vom deutschen Chemiker Daniel Vorländer fortgesetzt und stark erweitert, der zwischen dem Anfang des 20. Jahrhunderts und seiner Pensionierung im Jahr 1935 die meisten bekannten Flüssigkristalle synthetisierte. Flüssigkristalle waren jedoch ein wissenschaftliches Randgebiet und blieben ungefähr 80 Jahre eine wissenschaftliche Spielerei. Der nächste Schritt zur kommerziellen Nutzung von Flüssigkristallen war die Synthetisierung chemisch stabiler Substanzen (Cyanobiphenyl- Verbindungen) mit niedrigen Schmelztemperaturen durch Georg Gray. Die LCD- Technologie Jeder Bildpunkt in einem LCD besteht aus Molekülschichten, die sich zwischen zwei transparenten Elektroden und zwei Polarisationsfiltern befinden, deren Polarisationsebene um 90 verdreht ist. Ohne die Flüssigkristalle zwischen den Polarisationsfiltern würde das Licht, das durch den ersten Filter fällt, vom zweiten Filter vollständig absorbiert. Die Oberfläche der Elektroden wird so behandelt, dass die Moleküle der Flüssigkristalle in eine bestimmte Richtung ausgerichtet werden. In manchen Fällen wird dazu mit einem Tuch in einer bestimmten Richtung über eine dünne Polymerschicht gerieben. Dadurch werden die Flüssigkristalle in der der Oberfläche am nächsten liegenden Schicht in Reiberichtung ausgerichtet. Die Elektroden bestehen aus einem transparenten Leiter mit der Bezeichnung Indium- Zinn- Oxid (ITO). Wenn keine elektrische Spannung angelegt wird, wird die Ausrichtung der Flüssigkristalle durch die Ausrichtung auf der Oberfläche der Elektroden bestimmt. In einer nematischen Drehzelle (siehe unten) ist die Ausrichtung der Moleküle an den beiden Elektroden um 90 zueinander verdreht, so dass die Moleküle eine schraubenförmige oder verdrehte Struktur bilden. Dies bestimmt den Grad, um den die Polarisationsrichtung von einfallendem Licht gedreht wird, und die Anzeige ist im Ruhezustand grau. Wird eine Spannung angelegt, hebt sich die Verdrehung der Flüssigkristallmoleküle in der Mitte der Schicht auf, einfallendes Licht fällt gerade durch die Schicht und wird vom zweiten Polarisationsfilter absorbiert. Dementsprechend sieht der Bildpunkt schwarz aus. Auf diese Weise, kann die Helligkeit jedes Bildpunkts durch die Stärke der jeweils angelegten Spannung gesteuert werden. Normale Bildschirme bestehen allerdings aus sehr vielen Bildpunkten und es ist nicht möglich, die Spannung für jeden einzelnen Bildpunkt zu steuern. Daher wird der Bildschirm im Multiplexbetrieb angesteuert. Dabei werden die Bildpunkte in Spalten zusammengefasst, die jeweils durch eine eigene Spannungsquelle angesteuert werden. Andererseits werden die Elektroden in Zeilen zusammengefasst, die jeweils eine eigene Spannungssenke erhalten. Die Gruppen werden so angeordnet, dass jeder einzelne Bildpunkt durch eine einzigartige Kombination von Quelle und Senke angesteuert wird. Mit Hilfe von Elektronik und Software werden die Senken und Quellen dann für jeden Bildpunkt gezielt angesteuert. Passiv- Matrix- Displays und Aktiv- Matrix- Displays Bildschirme in älteren Laptops, PDAs oder elektronischen Waagen oder auch im ersten Nintendo GameBoy sind Passiv- Matrix- Displays mit STN oder DNST- Technologie. In Passiv- Matrix- Displays ist jede Bildpunktzeile oder spalte mit einer einzelnen elektrischen Schaltung verbunden. Die Bildpunkte werden nach Zeilen und Spalten einzeln angesteuert. Diese Displays heißen passiv, weil der Bildpunkt seinen Zustand zwischen den einzelnen Ansteuerungen ohne aktive elektrische Ladung aufrecht erhalten muss. Bei immer größeren Bildschirmen mit Teacher notes on Polarisation page 4 of 6

5 immer mehr Bildpunkten hat diese Technik erhebliche Nachteile, wie eine langsame optische Antwort und geringe Kontraste. Heutzutage sind die meisten Bildschirme Aktiv- Matrix- Displays. Diese verfügen zusätzlich zu den Polarisations- und Farbfiltern noch über einen Dünnschichttransistor (TFT). Jeder Bildpunkt hat einen eigenen Transistor, wodurch jede Spaltenansteuerung einen Bildpunkt adressiert. Wenn eine Zeile angesteuert wird, werden alle Spalten mit einer Bildpunktreihe verbunden und die gewünschte Spannung wird an alle Spalten angelegt. Dann wird die Zeile aus- und die nächste Zeile angeschaltet. In einer Bildperiode werden alle Zeilen nacheinander angesteuert. Aktiv- Matrix- Displays sehen heller und schärfer aus als Passiv- Matrix- Displays derselben Größe. Sie haben eine schnellere optische Antwort und dadurch viel bessere Bilder. Nematische Drehzelle In der nematischen Phase weisen die stäbchenförmigen organischen Moleküle von Flüssigkristallen keine Orientierungsordnung auf und sind genauso beweglich wie in einer Flüssigkeit. Sie richten sich selbst in einer Vorzugsorientierung aus, in der ihre Längsachsen zueinander parallel stehen. Durch Anbringen einer elektrischen Spannung oder eines Magnetfelds lässt sich diese Ausrichtung leicht ändern. In einer nematischen Drehzelle wird die Ausrichtung dieser Moleküle durch Anbringen einer Spannung genau gesteuert. Dazu sind nur ein geringer Stromverbrauch und eine niedrige Betriebsspannung notwendig. Im Ruhezustand, d. h. wenn zwischen den Elektroden kein elektrisches Feld erzeugt wird, weisen die Flüssigkristallmoleküle zwischen den beiden Glasplatten eine schraubenförmige Struktur auf. Im Betriebszustand, d. h. wenn zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt wird, richten sich die Kristalle nach dem externen Feld aus (rechtes Diagramm). Dies bricht die Schraubenstruktur auf und verhindert, dass die Polarisationsrichtung des durch die Flüssigkristalle geleiteten Lichts gedreht wird. Organische Leuchtdioden vergleichen mit LCDs Heute werden in technologischen Anwendungen verstärkt organische Leuchtdioden eingesetzt. Eine organische Leuchtdiode (OLED) ist eine leuchtende Diode (LED), deren leuchtende Schicht aus organischen Verbindungen besteht, die Licht erzeugen, wenn eine Spannung angebracht wird. Diese Schicht aus organischen halbleitenden Materialien befindet sich zwischen zwei Elektroden. Im Allgemeinen ist mindestens eine dieser Elektroden transparent. Der wichtigste Unterschied zwischen OLEDs und LCDs besteht darin, dass erstere Licht erzeugen und letztere Licht blockieren. OLED- Bildschirme sind dünner und leichter als LCD- Bildschirme und haben stärkere Kontraste. Aufgrund der organischen Verbindungen in den OLEDs ist deren Lebensdauer jedoch viel geringer als die eines LCD- Bildschirms. Mögliche Fragen der Schüler Wie funktionieren polarisierte Sonnenbrillen? Wenn Licht auf die Grenze zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex trifft, wird ein Teil des Lichts reflektiert. Dieser Anteil hängt von der Polarisation und dem Einfallswinkel ab. Wenn Licht im Brewster- Winkel einfällt (ausgedrückt durch ), wird der Lichtanteil mit der Polarisation P nicht reflektiert. Wenn unpolarisiertes Licht, z. B. Sonnenlicht, im Brewster- Winkel auf eine spiegelnde Oberfläche fällt, ist das reflektierte Licht senkrecht zur Einfallsebene polarisiert (s- polarisiert). Für ein Glasmedium (n 2 1,5) in Luft (n 1 1) beträgt der Brewster- Winkel für sichtbares Licht ungefähr 56, bei der Grenze zwischen Luft und Wasser (n 2 1,33) liegt er dagegen ungefähr bei 53. Polarisierte Sonnenbrillen schützen das Auge vor diesem grellen oder reflektierten Sonnenlicht, das von Wasser oder Metall reflektiert wird. Das reflektierte Licht ist normalerweise horizontal polarisiert und die Linsen sind vertikal polarisiert, um dieses Licht zu blockieren. Wie funktionieren Polarisationsfilter in der Fotografie? Die meisten Polarisationsfilter, die in modernen Kameras verwendet werden, sind Zirkular- Polarisationsfilter. Die erste Stufe des Filters ist ein linearer Polarisationsfilter, der linear polarisiertes Licht in einer bestimmten Ebene herausfiltert. Die zweite Stufe, die aus technischen Gründen mit dem Autosensor der Kamera verbunden ist, polarisiert das Licht dann zirkular, bevor es in die Kamera eintritt. Polarisationsfilter erfüllen in der Farb- Teacher notes on Polarisation page 5 of 6

6 und in der Schwarz- Weiß- Fotografie zwei Aufgaben: Sie reduzieren die Reflektionen spiegelnder Oberflächen und sie lassen den Himmel dunkler erscheinen. Die Elektronen in den Luftmolekülen streuen das Sonnenlicht (Rayleigh- Streuung) und der blaue Anteil (kürzere Wellenlängen) des Spektrums wird stärker gestreut als der rote Anteil (längere Wellenlängen), so dass der Himmel blau wirkt. Der Polarisationsfilter in einer Farbkamera filtert den polarisierten Anteil des Lichts heraus, so dass der Kontrast zwischen dem blauen Himmel und den weißen Wolken verstärkt wird. Teacher notes on Polarisation page 6 of 6