Kommentar für Lehrkräfte

Kommentar für Lehrkräfte
zu Modul 01:
Lichtsignale
Seit über zweitausend Jahren nutzt der Mensch Lichtsignale zur Übermittlung von Informationen über große
Entfernungen. Heute sind die meisten von uns viel stärker von optischer Telekommunikation abhängig als wir
uns vorstellen. Das Internet, wie wir es kennen, wäre ohne Lichtleitkabel auf dem Grund der Ozeane und
Lichtleitkabel, die Städte und sogar einzelne Häuser verbinden, nicht möglich. Und es gibt gute Gründe,
warum gerade Licht zur Kommunikation genutzt wird – Gründe, die direkt mit den grundlegenden
Eigenschaften von Licht zusammenhängen.
In diesem Modul dient die Nutzung von Licht zur Kommunikation als Rahmen, um Ihren Schülern die
Eigenschaften des Lichts, das Reflexionsgesetz und die Anwendung technischer Verfahren zu vermitteln.
Zusammenfassung: Indem die Schüler ein Kommunikationssystem für ein fiktives Andendorf entwickeln,
lernen sie etwas über die grundlegenden Eigenschaften von Licht. Weil sich in diesem Zusammenhang
die Frage stellt, wie man ein Lichtsignal um ein Hindernis leitet, diskutieren die Schüler Spiegel und
Reflexion. Nachdem die Schüler das Verfahren der Lichtleitung durch Totalreflexion kennen gelernt
haben, setzen sie ihr Wissen in einem Spiel um, in dem sie mit Hilfe eines Lichtleitkabels ein
Telekommunikationssystem aufbauen.
Entwickelt für:
Dauer:
Mittelstufe (ca. 12 bis 15 Jahre)
3 Unterrichtsstunden: Jede Unterrichtseinheit ist auf etwa 40 Minuten angelegt.
Das Modul besteht aus zwei Kapiteln:
 Kapitel 1: Valle de la Lumbre (1 Unterrichtsstunde) und Licht & Materie (1 Unterrichtsstunde)
 Kapitel 2: Kommunikation mit Lichtleitkabeln (1 Unterrichtsstunde)
Was die Schüler bereits wissen sollten:
 Es ist kein Vorwissen erforderlich.
Was die Schüler lernen:
Tatsachen






Warum man Licht in modernen Kommunikationssystemen verwendet,
Licht verbreitet sich gradlinig und schnell,
Licht ist farbig,
Unterschied zwischen absorbierenden, streuenden, reflektierenden und transparenten Materialien,
Reflexion und Reflexionsgesetz,
Wie Lichtleitkabel Licht leiten.
Fähigkeiten
 Teamarbeit
 Arbeiten als Ingenieur: Entwicklung technischer Lösungen, die bestimmte Anforderungen erfüllen
Dieses Modul besteht aus:
 3 Arbeitsblättern
 1 Merkblatt
Technischer Hintergrund
Lesen Sie bitte zuerst den technischen Hintergrund zu diesem Thema.
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Kapitel 1 | Valle de la Lumbre
Empfohlene Unterrichtsgliederung
Indem die Schüler ein Kommunikationssystem für ein fiktives Andendorf entwickeln, lernen
sie etwas über die grundlegenden Eigenschaften von Licht.
Dauer
in
Minuten
0 – 25
25 – 40
Hausaufgabe
0 – 20
20 – 35
35 – 40
LED-Modul
Tätigkeit
Material
ERSTE STUNDE (Valle de la Lumbre)
Gruppenarbeit: Einwicklung eines
Arbeitsblatt WS01.1 („Valle de la
Kommunikationssystems
Lumbre“)
Diskussion über die Vorteile der von den
Schülerteams entwickelten optischen
Kommunikation
Diskussion über die Eigenschaften von Licht LED-Modul
und entsprechende Experimente:
Nicht im Materialsatz enthalten:
- Licht wird vom Auge „gesehen“,
Größerer Spiegel (> DIN A4)
- Licht ist farbig und
- Licht verbreitet sich gradlinig und
schnell.
Die Weiterführung dieser Diskussion
vorbereiten
ZWEITE STUNDE (Licht & Materie)
Weitere Diskussion über die Eigenschaften
Arbeitsblatt WS01.2 („Licht trifft
von Licht:
auf Materie“)
- Licht verhält sich auf
LED-Modul, Spiegel
unterschiedlichen Objekten
Nicht im Materialsatz enthalten:
unterschiedlich
Objekte mit unterschiedlichen
Umgehung eines Hindernisses: Reflexion
„Problem mit vielen Spiegeln“
Oberflächen
LED-Modul, Spiegel
LED-Modul, Spiegel
Spiegel
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Kapitel 1 | Valle de la Lumbre
ERSTE STUNDE
Beschreibung des empfohlenen Unterrichtsaufbaus
1. DAS PROBLEM
Entwicklung eines Kommunikationssystems ohne Elektrizität
Erklären Sie Ihren Schülern, dass sie in dieser Stunde ein Kommunikationssystem entwickeln
sollen - allerdings ohne Elektrizität zu verwenden. Erzählen Sie ihnen dann als Hintergrund
für die Gruppenarbeit die folgende Geschichte:
In einem entlegenen Tal der südamerikanischen Anden hat sich die Bevölkerung entschlossen,
ohne Elektrizität zu leben. Vor einigen Jahren wollte die Regierung das Tal für den Bau eines
Wasserkraftwerks fluten. Als die Menschen dagegen protestierten, verteidigte die Regierung
das Vorhaben damit, dass auch die Menschen im Tal Elektrizität nutzen. Daraufhin schworen
alle Einwohner der drei in dem Tal liegenden Dörfer, nie wieder Elektrizität in irgendeiner
Form zu verwenden. Das Kraftwerk wurde dann in einem anderen Tal gebaut.
Die Menschen in dem Tal sind aber nicht gegen Technologie an sich. Um der Regierung zu
zeigen, dass sie ohne Elektrizität mindestens ebenso gut leben können, wie die Menschen in
der Hauptstadt – wenn nicht besser – erfanden Sie viele technische Meisterleistungen, wie
Wassermühlen, die sehr komplexe Maschinen antreiben, oder extrem genaue mechanische
Uhren, um nur einige zu nennen.
Dann trafen sich die Ältesten der drei Dörfer und entschieden, ihre drei Dörfer durch ein
schnelles Kommunikationssystem zu verbinden - ein erster Versuch mit Vögeln war ein völliges
Desaster (die Vögel wurden von Kondoren angegriffen). Längere Nachrichten konnten per
Brief verschickt werden, allerdings dauerte das einen halben Tag. Wichtige Themen sollten
jedoch schnell, zuverlässig und zu jeder Tages- und Nachtzeit übermittelt werden können.
Außerdem wurde beschlossen, dass das System niemanden stören und die Umwelt nicht
schädigen sollte. Da die Älteren sich nicht auf ein System einigen konnten, schrieben sie die
Kriterien auf, die das System erfüllen sollte, und forderten alle Bewohner des Tals auf, an
einem Wettbewerb teilzunehmen. Das System, das den Wettbewerb gewinnt, wird umgesetzt
und der Name des Erfinders wird in den Giebel des Hauses eingeritzt, in dem der Ältestenrat
sich trifft - die höchste Ehre, die es im Tal gibt.
Geben Sie jeder Gruppe ein Exemplar des Arbeitsblatts „Valle de la Lumbre“ (WS01.1), Abb.
1.1. Lassen Sie die Schüler in Gruppen eine Lösung für das Problem der Talbewohner
entwickeln. Geben Sie den Gruppen vorher eine Frist, z.B. 15 Minuten zur Entwicklung der
Lösung und 2 Minuten zur Vorstellung der Lösung vor der Klasse.1
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1)
Das Szenario simuliert eine typische Situation, die ihnen in ihrem späteren Berufsleben begegnen wird: Die
Schüler müssen innerhalb einer Frist eine Lösung entwickeln, die den vorgegebenen Kriterien entspricht und
sich gegen andere Lösungen im Wettbewerb um die Zustimmung des Kunden oder Chefs durchsetzen muss.
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Erklären Sie Ihren Schülern auch, dass es nicht nur eine „richtige“ Lösung gibt. Nachdem jede
Gruppe ihre Lösung vorgestellt hat, lassen Sie die Schüler über die Vor- und Nachteile jedes
Systems diskutieren. Welche Lösung ist die beste und sollte den Dorfältesten präsentiert
werden? Oder lassen Sie zwei oder mehr Vorschläge zu einer besseren Lösung verbinden?
Abb. 1.1: Brief an alle Mitbewohner des Valle de la Lumbre (Arbeitsblatt WS01.1).
2. WARUM LICHTSIGNALE?
Eigenschaften des Lichts
Wahrscheinlich entwickelten Ihre Schüler eine oder mehrere Lösungen, die direkt oder
indirekt Licht zur Übertragung von Nachrichten nutzen, z.B. Flaggen, Licht- oder Rauchsignale
von Feuern oder Spiegel zur Reflexion von Sonnenlicht. Mit Fragen wie „womit empfangen
Sie das Signal?“ (normalerweise das menschliche Auge) führen Sie Ihre Schüler zur
Erkenntnis, dass das Signal tatsächlich mit Hilfe von Licht übertragen wird. Fordern Sie die
Schüler auf zu erklären, warum sie in ihrem Kommunikationssystem Licht verwenden, und
nutzen Sie die Antworten, um zusammenzutragen, was Ihre Schüler bereits über Licht
wissen. Fassen Sie das Ergebnis der Diskussion auf der Tafel in Form kurzer Aussagen (z. B.
„Licht breitet sich in geraden Linien aus“) zusammen.
Erweitern Sie die Diskussion um zu erklären warum manche Lichteigenschaften beim Bezug
auf ihr Kommunikationssystem positive und manche negative Auswirkung haben:
Licht wird vom Auge „gesehen“
Bezug zum Kommunikationssystem zwischen den Dörfern: Die Erfassung von Lichtsignalen
ist schnell und einfach, auch ohne elektrische Geräte.
Fragen Sie die Schüler, ob das menschliche Auge sieht, weil Licht von Objekten kommt und
ins Auge eindringt oder weil Licht vom Auge auf das Objekt geworfen wird. Können die
Schüler diese Aussage beweisen?
Es ist ein verbreiteter Irrglaube unter Schülern, dass das Sehvermögen durch Strahlen
entsteht, die das Auge aussendet. Achten Sie daher darauf, dass die Schüler das Licht immer
von der Lichtquelle (oder vom beleuchteten Objekt) zum Auge verfolgen, wenn sie (z. B. in
den unten beschriebenen Experimenten) den Weg des Lichts verfolgen.
Sie könnten die Schüler auch auffordern, sich gegenseitig in die Augen zu schauen. Warum ist
die Pupille des Gegenübers schwarz wie ein dunkles Zimmer? Sie können Ihren Schülern
erklären, dass genau wie aus einem dunklen Zimmer kein Licht austritt, auch aus dem Auge
kein Licht kommt. Licht, das auf die Rückseite des Augapfels trifft, wird dort in winzige
elektrische Signale umgewandelt, d.h. es hört auf zu existieren. Die elektrischen Signale
werden ans Hirn geschickt und dort zu einem sinnvollen Bild verarbeitet.
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Licht ist farbig
Bezug zum Kommunikationssystem zwischen den Dörfern: Werden verschiedene
Lichtfarben verwendet, so können gleichzeitig mehrere verschiedene Nachrichten ohne
Verwechslungsgefahr übertragen werden.
Die Schüler stellen womöglich weitere Fragen über Farben, für deren Beantwortung
innerhalb dieser Stunde keine Zeit bleibt. Bieten Sie den Schülern an, diese Fragen in einer
Stunde zum Thema Farben zu behandeln.
Licht verbreitet sich geradlinig
Bezug zum Kommunikationssystem zwischen den Dörfern: Das direkte Licht zwischen den
Dörfern darf nicht durch Hindernisse, wie Berge oder Wälder, blockiert werden.
Fragen Sie Ihre Schüler, wie das Licht sich bewegt - bildet es einen Bogen, wie ein geworfener
Ball, oder verbreitet es sich geradlinig? Am Experiment beweisen Sie, dass sich das Licht
geradlinig verbreitet.
Experiment 1.1
Ein Schüler hält das LED-Modul und sendet Lichtsignale, ein anderer Schüler beobachtet die
Lichtquelle aus einer Entfernung von ein paar Metern (Abb. 1.2). Fordern Sie einen dritten
Schüler auf, die Lichtquelle mit einer Hand zu verdecken und die Hand langsam so auf den
Beobachter zuzubewegen, dass die Lichtquelle verdeckt bleibt. Die anderen Schüler
beobachten den Weg der Hand und sehen, dass er eine gerade Linie zwischen der Lichtquelle
und dem Auge des Beobachters beschreibt.
Abb. 1.2: Experiment, das beweist, dass Licht sich geradlinig ausbreitet.
Experiment 1.2
Eine andere Möglichkeit, um zu zeigen, dass Licht sich geradlinig ausbreitet, besteht darin,
eine Tischlampe im abgedunkelten Zimmer so abzudecken, dass das Licht nur noch durch eine
Öffnung von circa einem halben Zentimeter Durchmesser fallen kann. Der Lichtstrahl wird
durch einen Sprühnebel (aus einer Sprühflasche zum Gießen oder Reinigen) sichtbar gemacht.
Dieses Experiment zeigt auch, dass Licht nur sichtbar ist, wenn es direkt ins Auge fällt oder
von einem anderen Objekt in unser Auge reflektiert wird. In dem Experiment mit dem
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Sprühnebel trifft das Licht auf die kleinen Wassertropfen, von denen es in allen Richtungen
gestreut und reflektiert wird, so dass ein Teil des Lichts auch ins Auge des Beobachters fällt.
Licht verbreitet sich schnell
Bezug zum Kommunikationssystem zwischen den Dörfern: Weil nichts schneller ist als Licht,
erzeugt Licht die schnellsten Kommunikationssysteme.
Einer der wichtigsten Gründe, aus dem die Schüler in ihrem Kommunikationssystem Licht
verwenden, ist vermutlich seine Schnelligkeit – genau derselbe Grund, aus dem heute
internationale Telekommunikationsnetze auf der Verwendung von Licht beruhen.
Experiment 1.3
Damit die Schüler eine Vorstellung von der Geschwindigkeit von Licht bekommen, stellen Sie
an einem Ende des Zimmers einen Spiegel auf und bitten Sie zwei oder drei Schüler, sich am
anderen Ende des Zimmers so hinzustellen, dass sie sich selbst im Spiegel sehen. Geben Sie
dann jedem der Schüler ein RGB-LED-Modul aus dem Materialsatz und lassen Sie sie
schätzen, wie viel Zeit vergeht zwischen dem Moment, in dem sie eine Taste am Modul
drücken, und dem Moment, in dem sie im Spiegel sehen, dass ein Licht aufleuchtet. Dies ist
eine relative einfache Wiederholung von Galileos Experiment zur Messung der
Lichtgeschwindigkeit. Aber Sie können anhand des Experiments die Grundzüge der
Ausbreitung und Wahrnehmung von Licht erläutern.
Die Schüler, die das Experiment durchführen, werden (höchstwahrscheinlich) aussagen,
dass das Licht sich so schnell zum Spiegel und wieder zurück zu ihren Augen bewegt, dass
sie die dafür benötigte Zeitspanne nicht messen können.
Um die Lichtgeschwindigkeit anschaulicher zu machen, können Sie sie mit der
Schallgeschwindigkeit vergleichen: Nur spezielle Flugzeuge fliegen schneller als der Schall.
Fragen Sie die Schüler, ob sie schon einmal bemerkt haben, dass man bei Gewitter einen Blitz
nicht zur gleichen Zeit sieht, zu der man den Donner hört. Die Schüler werden vermutlich
wissen, dass sie zuerst den Blitz sehen und dann den Donner hören. Dies beweist, dass
Licht viel (circa 874.000 Mal) schneller ist als Schall.
Eine weitere anschauliche Erklärung ist die Tatsache, dass das Licht, wenn es sich entlang der
Erdoberfläche um die Erde verbreitet, die Erde in einer Sekunde 7,48 Mal umrunden kann.
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Kapitel 1 | Licht & Materie
ZWEITE STUNDE
Beschreibung des empfohlenen Unterrichtsaufbaus
Wiederholen Sie kurz alle Eigenschaften des Lichtes, die die Schüler in der ersten Stunde
„entdeckt“ haben und schreiben Sie sie wieder an die Tafel. Weitere Eigenschaften:
Licht verhält sich auf unterschiedlichen Objekten unterschiedlich
Bezug zum Kommunikationssystem zwischen den Dörfern: Optische Kommunikation kann
durch Hindernisse oder Nebel unterbrochen werden.
Weil sich das Licht geradlinig ausbreitet, wird es daran gehindert, sein Ziel zu erreichen,
sobald sich ein Hindernis in der direkten Sichtverbindungslinie zwischen Sender und
Empfänger befindet. Das ist ein großer Nachteil der optischen Kommunikation. Aber wie
verhält sich Licht, wenn es auf ein derartiges Objekt trifft? Zeigen Sie auf unterschiedliche
Objekte im Klassenzimmer, wie die Wand, ein Fenster, eine glänzende Plastikoberfläche,
einen schwarzen Gegenstand oder ein weißes Blatt Papier und fragen Sie die Schüler, was
Licht macht, wenn es auf diese Oberflächen trifft.
Experiment 1.4
Teilen Sie dann das Arbeitsblatt „Licht trifft auf Materie“ (WS01.2) aus. Punkt 1 in diesem
Arbeitsblatt hilft den Schülern, selbst zu entdecken, was geschieht, wenn Licht auf
unterschiedliche Oberflächen trifft (Abb. 1.3). Lassen Sie den Schülern ausreichend Zeit für
freies Arbeiten (und Spielen) und fordern Sie sie auf, ihre Beobachtungen aus den drei
Blickrichtungen aufzuschreiben.
Abb. 1.3: Experiment Setup: Licht verhält sich auf unterschiedlichen Objekten unterschiedlich
(Arbeitsblatt „Licht trifft auf Materie“ (WS01.2)).
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Bei der Einordnung unterschiedlicher Oberflächen in Kategorien (Punkt 2 im Arbeitsblatt
WS01.2) benötigen die Schüler vermutlich Ihre Hilfe. Lassen Sie ihnen Zeit, eigene Kategorien
zu entwickeln und leiten Sie sie durch gezielte Fragen dahin. Ein mögliches System zur
Einordnung von Oberflächen ist:




Absorbierend
Streuend
Reflektierend
Transparent/durchsichtig
3. NICHTS IST SO SCHLIMM, WIE ES AM ANFANG AUSSIEHT
Anwendungen von Lichteigenschaften in Kommunikationssystemen
Umgehung eines Hindernisses
Aus dem Experiment 1.4 haben die Schüler gelernt, dass Licht, wenn es auf unterschiedliche
Oberflächen trifft, sich unterschiedlich verhält. Basierend auf den Ergebnissen vom Punkt 2
helfen Sie den Schülern zu verstehen, dass reflektierende Oberflächen dazu genutzt werden
können, um Licht um ein Hindernis herum zu leiten.
Im Rückbezug auf die ursprüngliche Aufgabe, die Entwicklung eines Kommunikationssystems
für das „Valle de la Lumbre”, können Sie die Schüler fragen, wie sie Lichtsignale um einen
großen Felsen lenken können, der den direkten Blickkontakt zwischen zwei Dörfern
verhindert (Punkt 3 im Arbeitsblatt WS01.2). Wahrscheinlich werden sie vorschlagen, einen
Spiegel zu verwenden, um „um den Fels herum zu sehen“. Fragen Sie die Schüler, wie sie dem
Ältestenrat erklären, wo der Spiegel aufgestellt und wie er ausgerichtet werden muss.
Spielen Sie die Situation im folgenden Experiment nach:
Experiment 1.5
Stellen Sie zwei Gegenstände, welche die Dörfer darstellen, an gegenüberliegenden Enden
eines Tischs auf und stellen Sie einen Gegenstand, z. B. Ihre Tasche dazwischen (Abb. 1.4). Die
Gegenstände sollten so aufgestellt werden, dass zwei Schüler später auf Tischhöhe von einem
„Dorf" zum anderen sehen können, um zu kontrollieren, ob der Spiegel richtig angeordnet ist.
Abb. 1.4: Aufbau auf dem Lehrertisch für den Spiegelversuch.
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… aber wo sollte der Spiegel hin?
Bitten Sie die Schüler, Ihnen klare Anweisungen zu geben, wie der Spiegel auf dem Tisch
angeordnet werden soll, damit zwischen den beiden „Dörfern“ Lichtsignale möglich sind. Als
Tipp können Sie die Schüler fragen, welche Anforderungen die Position des Spiegels erfüllen
muss (= der Spiegel muss von beiden „Dörfern“ aus zu sehen sein). Wenn die Schüler
funktionierende Anweisungen formulieren konnten, lassen Sie sie versuchen, Lichtsignale in
beide Richtungen zwischen den Dörfern zu senden. Fragen Sie die Schüler, ob es eine
allgemeine Regel ist, dass der Strahlengang umkehrbar ist. Helfen Sie ihnen das
Reflexionsgesetz selbst zu entdecken.
Experiment 1.6
Die Schüler sollten das Arbeitsblatt WS01.2: „Licht trifft auf Materie“ (Punkt 1) und ein
reflektierendes Objekt (z.B. Spiegel) verwenden, um das Verhalten von Reflexion genauer zu
erforschen. Sie sollten Linien auf dem Arbeitsblatt, wo sich der Strahl ausbreitet, zeichnen und
versuchen das Reflexionsgesetz eigenständig zu entdecken (Abb. 1.5).
Abb. 1.5: Experiment: Reflexion.
4. REFLEXIONSGESETZ
Aus Experiment 1.6 sollten die Schüler dann selber das Reflexionsgesetz ableiten können:
Der Einfallswinkel ist gleich groß wie der Reflexionswinkel: i = r
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Zeichnen Sie eine einfache Zeichnung an die Tafel, wie das Reflexionsgesetz funktioniert
(Abbildung 1.6).
Abb. 1.6. Reflexionsgesetz.
… und wie sollte der Spiegel ausgerichtet sein?
Experiment 1.7
Im nächsten Schritt lassen Sie die Schüler den Spiegel um den Mittelpunkt des Halbkreises
drehen, um festzustellen, dass der Reflexionswinkel auch beim anders ausgerichteten
Spiegel immer gleich groß bleibt wie der Einfallswinkel (Abb. 1.7a,b).
Abb. 1.7a: Reflexionsgesetz Experiment: Einfallswinkel ist gleich Reflexionswinkel.
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Abb. 1.7b: Reflexionsgesetz Experiment: Einfallswinkel ist gleich Reflexionswinkel.
Die Schüler sollen dann dieses Gesetz anwenden als allgemeine Regel für die korrekte
Positionierung und Ausrichtung des Spiegels, wenn die Objekte auf dem Tisch anders
angeordnet wären.
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Ein Beispiel:
Original Situation
Veränderte Situation
1) Die Position des Spiegels: Der Spiegel muss von
beiden Dörfern gesehen werden.
2) Die Ausrichtung des Spiegels: Da der Einfallswinkel
dem Reflexionswinkel entspricht (i = r), muss nun
der Spiegel durch Drehen so ausgerichtet werden,
dass das Lichtsignal des linken Dorfes auch im rechten
Dorf ankommt.
Abb. 1.8: Festlegen der richtigen Position und Ausrichtung des Spiegels.
5. PROBLEM MIT VIELEN SPIEGELN
Wenn man viele Spiegel verwendet, wird der Lichtstrahl immer schwächer bis er ganz
verschwindet
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Nachdem die Schüler das Reflexionsgesetz an einem Spiegel angewandt haben, lassen Sie sie
Lichtsignale mit zwei und später mit drei Spiegeln reflektieren.
Experiment 1.8
Eine Schülergruppe schickt Lichtsignale an den Nachbartisch. Von dort aus werden diese zum
nächsten Tisch geleitet und so weiter. Nach wie vielen Spiegeln können die Schüler das Signal
noch sehen? Die Schüler werden schnell erkennen, dass die Aufgabe immer schwieriger wird,
je mehr Spiegel man verwendet. Kündigen Sie an, dass Sie ihnen in der nächsten Stunde einen
Trick zeigen, mit dem man Licht um beliebig viele Ecken leiten kann.
Abb. 1.9: Problem mit vielen Spiegeln.
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Hintergrundinformationen
Verschiedene Formen optischer Kommunikation
Der Sehsinn und die optische Kommunikation sind eng miteinander verbunden. Optische
Kommunikation ist daher nicht auf Menschen beschränkt, sondern wird von den meisten
Tieren mit Sehsinn genutzt. Typische Formen nonverbaler Kommunikation sind Farben (z.B.
wenn ein Insekt zeigt, dass es giftig ist, oder bei Menschen dunkle Kleidung als Ausdruck der
Trauer), Gestik und Mimik.
Menschen haben viele optische Kommunikationsverfahren über große Entfernungen
entwickelt. Beispiele sind Leuchtfeuer, Rauchsignale, Flaggen, Heliographen und optische
Telegrafie.
Heliographen verwenden einen Spiegel zur Reflexion von Sonnenlicht zu einem entfernten
Beobachter über 50 km oder mehr hinweg. Durch Abdecken oder Bewegen des Spiegels
werden Lichtblitze erzeugt und beispielsweise Nachrichten im Morsecode übertragen.
Optische Telegrafen sind hohe, weithin sichtbare Vorrichtungen mit Flaggen oder
Signalarmen. Die Stellung der Flaggen oder Signalarme kodiert das Signal. Optische
Telegrafenlinien sind Ketten aus vielen Relaisstationen, an denen Signale von einem
Telegrafen gelesen und an die nächste Station weitergeleitet wurden.
Heute funktioniert optische Kommunikation meistens mit Lichtleittechnologien, wie
Lichtleitkabeln, die Signale über hunderte von Kilometern leiten können.
Mögliche Fragen der Schüler
Warum wird das LED-Modul verwendet, wenn die Verwendung von Elektrizität abgelehnt
wird?
Das Kommunikationssystem sollte ohne Elektrizität auskommen, damit die Schüler optische
Verfahren für das Kommunikationssystem entwickeln. Bei den Experimenten im
Klassenzimmer ist es sicherer und einfacher, LED-Module als Lichtquelle zu verwenden, als
beispielsweise Kerzen.
Welche Masse hat Licht?
Licht hat keine Masse, es kann sich aber so verhalten, als ob es etwas wiegen würde. Dies ist
jedoch keine Eigenschaft des Lichts, sondern die Folge der physikalischen Effekte, die Einstein
mit seiner Relativitätstheorie beschrieben hat. Große Massen, wie die Sonne, können den
Raum um sich herum krümmen, so dass das Licht (das sich geradlinig durch den gekrümmten
Raum ausbreitet) gebeugt wird. Aus diesem Grund kann man während einer
Sonnenfinsternis Sterne sehen, die sich eigentlich hinter der Sonne befinden.
Gibt es Tarnkappen?
Bevor Sie die Frage beantworten, können Sie die Schüler fragen, wodurch ein Gegenstand
sichtbar wird: Licht von einer Lichtquelle, wie der Sonne, einer Lampe oder reflektierenden
Oberfläche, trifft auf den Gegenstand und wird von diesem reflektiert oder gestreut. Wenn
ein Teil dieses Lichts unser Auge erreicht, oder wenn Licht, das von hinter dem Gegenstand
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kommt und von dem wir erwarten, dass es unser Auge erreicht, durch den Gegenstand
blockiert wird, sehen wir den Gegenstand.
Tarnkappen werden meist von Helden in Märchen und in Science-Fiction-Geschichten
verwendet. Wissenschaftlern gelingt es immer besser, diesen Effekt im Labor nachzuahmen.
Licht trifft auf diese Tarnkappen, wird um das Objekt herum gebeugt und setzt seinen Weg
dahinter (beinahe) so fort, als wäre kein Hindernis vorhanden. Dabei ist der Gegenstand
jedoch nur für einen Beobachter unsichtbar, dessen Augen nur eine bestimmte Wellenlänge
(Farbe) mit einer bestimmten Polarisierung sehen können (deshalb werden die Beobachter
aufgefordert, den Kopf nicht zu drehen).
Eine interessante Frage (die auch zeigt, ob die Schüler das Prinzip des Sehvermögens
verstanden haben) ist „was sieht man vom Inneren der Tarnkappe aus?“ Da das gesamte
Licht um die Tarnkappe herum gebeugt wird, ist es innen vollständig dunkel und man sieht
nichts - ein Nachteil, der vermutlich den gewerblichen Erfolg der Tarnkappe auf dem Markt
schmälern dürfte.
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Kapitel 2 |Kommunikation mit Lichtleitkabeln
Empfohlene Unterrichtsgliederung
Die Schüler lernen, wie Totalreflexion genutzt wird, um Licht durch ein Lichtleitkabel zu
leiten. Als Teil eines Spiels entwickeln Sie dann einen eigenen Lichtsignalcode und verwenden
ihn, um mit Hilfe eines Lichtleitkabels Nachrichten zu übermitteln.
Dauer
in
Minuten
0 – 10
Tätigkeit
Material
DRITTE STUNDE (Kommunikation mit Lichtleitkabeln)
Totalreflexion
Merkblatt FS01.1 („Lichtleitfaser“)
Lichtleitung in Lichtleitkabeln
Laser, Lichtleitkabel aus Polymer
10 – 35
Spiel zur Kommunikation mit
Lichtleitkabeln
35 – 40
Nachbearbeitung der
Unterrichtsstunde
LED-Modul
Laser
Nicht im Materialsatz enthalten:
Glas, Wasser, Milch
Lichtleitkabel aus Polymer
LED-Modul
Arbeitsblatt WS01.3 („Sag es mit Licht“)
Merkblatt FS01.1 („Lichtleitfaser“)
Lichtleitkabel aus Polymer
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Kapitel 2 |Kommunikation mit Lichtleitkabeln
DRITTE STUNDE
Beschreibung des empfohlenen Unterrichtsaufbaus
Vorbereitung
Bitte orientieren Sie sich an Text und Bildern unter der Überschrift „Totalreflexion“. Zur
Vorbereitung dieser Experimente sollten sie am besten vor der Stunde ein paar Tests
durchführen, um zu sehen, welche Menge Milch im Wasser den besten visuellen Effekt
erzielt.
Überlegen Sie sich mindestens zwei gleichlange, gebräuchliche Wörter (z.B. mit je 10
Buchstaben) und schreiben Sie sie auf.
1. TOTALREFLEXION
Ihre Anwendung beim Leiten des Lichtes im Wasser
Erinnern Sie die Schüler an die Probleme, die sie beim Leiten von Licht mit Hilfe von
mehreren Spiegeln, hatten. In dieser Stunde zeigen Sie ihnen einen Trick, mit dem Sie
Lichtsignale über hunderte von Kilometern leiten können. Davor aber wiederholen Sie, mit
Hilfe vom Merkblatt FS01.1 („Lichtleitfaser“), kurz alles, was die Schüler über das Licht und
seine Eingeschalten gelernt haben.
Experiment 1.9
Nehmen Sie ein langes, gerades Glas oder etwas Ähnliches und füllen Sie es mit Wasser.
Geben Sie eine sehr kleine Menge (ungefähr einen Tropfen) Milch oder Tusche ins Wasser und
richten Sie den Laserstrahl so in das Glas, wie auf dem Bild 1.10 dargestellt:
Abb. 1.10: Illustration der Totalreflexion.
Erklären Sie, dass die Wasseroberfläche wie ein Spiegel funktioniert, wenn das Licht in einem
großen Einfallswinkel auf die Oberfläche trifft (je kleiner der Einfallswinkel ist, umso mehr
Licht geht durch die Oberfläche hindurch: Brechungsgesetz). Um zu zeigen, dass diese
Reflexion denselben Gesetzen gehorcht, wie die Reflexion auf einem Metallspiegel, erhöhen
Sie den Einfallswinkel und zeigen sie, dass er dem Reflexionswinkel entspricht.
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Fragen Sie die Schüler, was passiert, wenn Sie den Strahl, wie in Abb. 1.11 dargestellt, ins Glas
richten. Dann demonstrieren Sie den Effekt:
Abb. 1.11: Mehrfache interne Reflexion.
Zeigen Sie, wenn möglich, den Schülern, dass der Laserstrahl im Inneren des Glases
mehrmals reflektiert wird. Fragen Sie sie, wohin das Licht geleitet würde, wenn das Glas sehr
lang (z. B. zwei Meter lang) wäre. Führen Sie sie zu der Erkenntnis, dass der Strahl das Glas
erst verlässt, wenn er auf den Boden trifft. Wenn die Schüler feststellen, dass der Lichtstrahl
immer schwächer wird, loben Sie sie für ihre gute Beobachtungsgabe und erklären Sie, dass
dieses Problem ohne Milch im Wasser viel geringer wäre. Ohne Milch könnte man aber den
Strahl nicht so gut sehen. Damit der Strahl sichtbar wird, muss er durch kleine Milchtropfen
gestreut werden. Dadurch wird er aber auch schwächer. Außerdem geht ein Teil des Lichts
auch bei der Reflexion verloren, wenn der Einfallswinkel nicht groß genug ist.
2. GLASFASERN
Dünn wie ein menschliches Haar, leiten Glasfasern die Lichtsignale über hunderte
Kilometer
Fragen Sie die Schüler, wie man diesen Effekt zur Sendung von Lichtsignalen nutzen könnte
und lassen Sie sie kurz die dabei auftretenden technischen Probleme diskutieren. Zeigen Sie
ihnen das Polymer-Lichtleitkabel aus dem Materialsatz. Erklären Sie, dass der Effekt genau
derselbe ist, wie im Wasserglas, nur dass das Lichtleitkabel sehr lang, dünn und, weil es aus
Kunststoff besteht, auch biegsam ist. Fragen Sie sie, was ihrer Meinung nach passiert, wenn
Licht in ein Ende des Kabels geleitet wird und lassen Sie sie es dann versuchen:
Experiment 1.10
Geben Sie zwei Schülern, die an entgegengesetzten Seiten des Klassenzimmers sitzen, jeweils
ein Ende des Lichtleitkabels und einem der beiden auch das LED-Modul. Lassen Sie den ersten
Schüler das Licht mit dem LED-Modul in die Glasfaser im Lichtleitkabel leiten und fragen Sie
den zweiten Schüler, ob er das Licht am anderen Ende der Glasfaser sehen kann (Abb. 1.12).
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Abb. 1.12: Leiten des Lichtes im Lichtleiter.
Damit die Schüler verstehen, wie die Glasfaser im Lichtleitkabel das Licht führt, können Sie
eine einfache Zeichnung an die Tafel zeichnen (Abb. 1.13 links). Erklären Sie den Schülern,
dass die Glasfaser aus 2 verschieden Polymer Materialien besteht, wobei der innere Kern
(Core) das Licht leitet und das umhüllende Polymer Material (Cladding) als Spiegel dient, und
das Licht in den Kern immer wieder ohne Verluste zurückreflektiert. Der schwarze Mantel
(Overcoat) außen herum dient nur als Schutz für die Glasfaser (Abb. 1.13 rechts).
Abb. 1.13: Licht, das mit Hilfe der Totalreflexion in einem Kern der Glasfaser geleitet wird
(links) und Lichtleitkabel (rechts).
3. KOMMUNIKATION MIT LICHTLEITKABELN
Moderne optische Netzwerke verwenden das gleiche Prinzip, um unsere Nachrichten an
Freunde zu bringen
Wenn die Schüler das Prinzip verstanden haben, wie Licht durch das Lichtleitkabel geführt
wird, können Sie ihnen die letzte Aufgabe in diesem Modul erklären: die Entwicklung ihres
eigenen Codes zum Verschicken von Nachrichten durch das Lichtleitkabel.
Experiment 1.11
Wir empfehlen, die Klasse in zwei Teams einzuteilen, die gegeneinander antreten. Ziel ist es,
ein Wort aus 10 Buchstaben möglichst schnell durch das Lichtleitkabel zu übermitteln (Abb.
1.13). Dazu muss jedes der Teams einen eigenen Code entwickeln.
1. Geben Sie jedem der Teams das Arbeitsblatt mit den Spielregeln (Arbeitsblatt
WS01.3: „Sag es mit Licht“) und zwei LED-Module. Erklären Sie, dass sie nur 15
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Minuten Zeit haben, um den Code zu entwickeln und in zwei Exemplaren
aufzuschreiben: eines für den Sender und eines für den Empfänger.
2. Bereiten Sie als Nachricht zwei Blätter vor, auf denen jeweils ein Wort mit 10
Buchstaben steht. Falten Sie die Blätter, damit kein Schüler das Wort sieht.
3. Sammeln Sie nach 15 Minuten die Codes ein. Die Schüler beider Teams müssen sich
jeweils in eine Sendergruppe und eine Empfängergruppe teilen.
4. Das Team, das zuerst antritt, stellt die Sender- und die Empfängergruppe so weit
auseinander, wie das 5 m lange Kabel erlaubt. Das zweite Team setzt sich zwischen
Sender und Empfänger und kontrolliert, dass das andere Team nicht schummelt.
5. Geben Sie der Sender- und der Empfängergruppe den Code zurück.
6. Geben Sie dem Senderteam eines der Blätter mit dem 10-buchstabigen Wort, das Blatt
muss aber so lange gefaltet bleiben, bis Sie den Startschuss geben.
7. Nehmen Sie eine Stoppuhr und halten Sie eine Büroklammer hoch. Warten Sie, bis alle
still sind. Lassen Sie die Büroklammer fallen und wenn Sie das Geräusch der fallenden
Klammer deutlich hören können, starten Sie das Spiel und stoppen Sie die Zeit.
8. Während dieses Teils des Spiels muss absolute Stille herrschen.
9. Gehen Sie zur Empfängergruppe und halten Sie die Stoppuhr an, sobald diese Ihnen
ein Blatt mit dem richtig geschriebenen Wort übergibt.
10. Wenn die Nachricht falsch ist, sagen Sie dies den Schülern und geben Sie ihnen eine
angemessene Zeit, um den Fehler zu berichtigen.
11. Lassen Sie dann das zweite Team unter denselben Bedingungen spielen (Punkte 4 bis
10).
Nachbearbeitung der Stunde und Merkblatt
Lassen Sie die Schüler nach dem Spiel besprechen, ob ihre Codes funktioniert haben oder
nicht und ob eine Lösung besser war als die andere. Wodurch unterschieden sich die Codes
und welche anderen Faktoren haben das Endergebnis beeinflusst? Was würden die Schüler
anders machen, wenn sie noch einmal spielen müssten? Hat ihnen die Stunde gefallen?
Erklären Sie den Schülern, dass sie gerade wie Ingenieure gearbeitet haben: Ein Kunde - hier
die Dorfältesten – braucht eine Lösung (ein Produkt oder eine Dienstleistung) für ein
bestimmtes Problem. Der Kunde legt die Bedingungen und Spezifikationen fest, welche die
Lösung erfüllen muss - z. B. ein Telekommunikationssystem, das ohne Elektrizität
funktioniert. In einer Frist muss das Ingenieursteam eine Lösung finden, die diese
Bedingungen erfüllt. Oft gibt es mehrere konkurrierende Lösungen von verschiedenen Teams
(Unternehmen). Um den Kunden zu überzeugen, muss die Lösung den Bedürfnissen und
Erwartungen des Kunden, was z. B. Kosten, Zuverlässigkeit, Umweltfreundlichkeit usw.
angeht, möglichst nahe kommen.
Zur Entwicklung neuer technischer Lösungen müssen Ingenieure häufig mit physikalischen
Effekten „herumspielen“ (frei experimentieren) und dann die Naturgesetze erkennen und
verstehen, die diesen Effekten zugrunde liegen. Erinnern Sie gegebenenfalls die Schüler, wie
sie das Reflexionsgesetz entdeckt haben. Außerdem verbinden gute technische Lösungen
normalerweise mehrere Fachgebiete, wie im Fall der Kommunikation mit Lichtleitkabeln a)
die Physik der Totalreflexion, b) die Chemie zur Herstellung von Lichtleitkabeln und c) die
Informatik zur Kodierung, Versendung und späteren Dekodierung einer Nachricht auf einer
Weise, welche die Hardware optimal nutzt.
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Erklären Sie den Schülern, wie die Technologie, die sie gerade entwickelt haben, d.h. die
Telekommunikation mit Hilfe von Lichtleitkabeln, die Welt verändert hat (siehe Merkblatt
„Lichtleitfaser“ (FS01.1)).
Mögliche Fragen der Schüler
Wie werden Lichtleitkabel hergestellt?
Lichtleitkabel werden oft aus besonders reinem Glas hergestellt. Heute werden die Fasern
auch aus anderen Materialien, wie Polymeren und speziellen Glasgemischen gemacht. Die
grundlegende Technik zur Herstellung dieser extrem dünnen und daher biegsamen Fasern
aus Glas (oder Polymer) ist jedoch seit dem 18. Jahrhundert unverändert, in dem solche
Glasfasern zur Dekoration verwendet wurden: Der Werkstoff wird so weit erhitzt, bis er
gerade flüssig genug ist, damit ein Tropfen sich bildet und fällt. Dieser Tropfen ist mit dem
restlichen Werkstoff mit einem dünnen Faden verbunden. Indem man an diesem Faden zieht,
kann man die Dicke des Fadens bestimmen, der dann zur Faser wird. Dieses Verfahren wird
heute von Maschinen durchgeführt, welche die Stärke der Faser laufend messen und die
Geschwindigkeit der Trommel, auf die die Faser aufgewickelt wird, entsprechend steuern.
Zum Schutz erhält die Faser normalerweise einen Kunststoffüberzug.
Dieses Verfahren lässt sich mit einem einfachen Versuch illustrieren, indem man einen Löffel
Honig aus einem Glas nimmt und einen kleinen Tropfen abtropfen lässt. Durch Drehen oder
Heben des Löffels können Sie die Dicke der „Honigfaser“ steuern, die den Tropfen mit dem
Honig auf dem Löffel verbindet.
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