Lindenbauer
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PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM WS 2002/03 Geometrische Optik II (4. Klasse AHS) Versuche am: 31. Oktober 2002 07. November 2002 Lindenbauer Edith 0055478 Ennsdorf am 13. November 2002 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 2 Inhaltsverzeichnis 1) Wann wird dieses Thema unterrichtet? 3 2) Aufteilung Unter-/Oberstufe 3 3) Benötigtes Vorwissen 3 4) Lernziele 4 5) Lerninhalt 4 6) Versuche 14 a) Versuchsanordnung b) Versuchsdurchführung c) Zeit d) Theoretischer Hintergrund e) Experimentelle Schwierigkeiten und deren Behebung f) Anmerkungen 7) Arbeitsblätter 26 8) Anmerkungen 29 9) Literaturverzeichnis 29 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 3 1) Wann wird dieses Thema unterrichtet? Das Thema Geometrische Optik II beschäftigt sich mit folgenden Bereichen: Brechung, Totalreflexion, das menschliche Auge, Fernrohre. Es wird laut Lehrplan in der 4. und 6. Klasse des Realgymnasiums unterrichtet. 2) Aufteilung Unter-/Oberstufe Dieses Protokoll beschäftigt sich mit dem Thema „Geometrische Optik“, wie es in der Unterstufe unterrichtet werden kann. Folgende Versuche, die in der Unterstufe durchgeführt werden können, sind in diesem Protokoll enthalten: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Die Brechung beim Übergang Wasser – Luft (1 Lichtstrahl) Die Brechung beim Übergang Wasser – Luft (mehrere Lichtstrahlen) Brechungsgesetz mit dem Halbzylinder; Totalreflexion Das Umlenk- und Umkehrprisma Bildkonstruktion an Sammellinsen Bildkonstruktion an Zerstreuungslinsen Der Lerninhalt, der zu diesem Thema in der Unterstufe unterrichtet wird, ist im Kapitel 5 angeführt. Versuche zu den Themen „Augenfehler und deren Korrektur“ sowie „Linsenfehler“ sind im Oberstufenprotokoll zu finden. Ich möchte dazu darauf hinweisen, dass man Versuche zu dem Thema „Augenfehler und deren Korrektur“ (das betrifft die Themen „Weitsichtigkeit“ und „Kurzsichtigkeit“) entsprechend aufbereitet auch in der Unterstufe durchführen kann. In der Oberstufe wird aus den Themenbereichen „Brechung, Totalreflexion, das menschliche Auge, Fernrohr“ folgendes unterrichtet (dabei habe ich mich an folgendem Schulbuch orientiert: 1) 1. 2. 3. 4. Reflexionsgesetz, Brechungsgesetz, Totalreflexion Strahlengang durch: die planparallele Platte, das Prisma, die Lichtleitung Sammellinse, Zerstreuungslinse Strahlengang durch das Auge, die Brille 3) Benötigtes Vorwissen Physikalisch: Das Thema Optik wird in der 4. Klasse das erste Mal behandelt. Somit sind aus der 2. und 3. Klasse keine physikalischen Vorkenntnisse vorhanden. Bevor man jedoch das Thema „Geometrische Optik II“ in der 4. Klasse unterrichtet, sollte man folgende Bereiche aus dem Gebiet der Optik behandeln (bei der Zusammenstellung der nachfolgenden Punkte habe ich mich an folgenden Schulbücher orientiert: 2 , 3 ): 1 Sexl, Raab, Streeruwitz: Physik 2 (3. Auflage (1999)) Verlag ÖBV & HPT GmbH & Co KG, Wien, S. 140 - 148 2 Paill, Schmut, Wahlmüller: Physik 4 (1991) Verlag E. Dorner Ges.m.b.H., Wien, S. 45 - 51 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 4 Lichtausbreitung (Licht bereitet sich geradlinig aus, die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes) Reflexion des Lichtes, der ebene Spiegel (Reflexionsgesetz, das Bild beim ebenen Spiegel) Gekrümmte Spiegel (Konkav- und Konvexspiegel, die drei Hauptstrahlen) Mathematisch: Die notwendigen mathematischen Vorkenntnisse sind das Kennen und Messen von Winkeln. Dies beherrschen Schüler der 4. Klasse bereits. 4) Lernziele Ich möchte den Schülern anhand der Versuche zum Thema „Geometrische Optik II“ die nachstehend angeführten Wissensbereiche vermitteln bzw. die angeführten Fragen behandeln (dabei habe ich mich an jenen Schulbücher orientiert, die ich auch für die Zusammenstellung des Lerninhalts verwendet habe – siehe Kapitel 5: Lerninhalt). Die Schüler sollen diese Themen verstehen und ihr Wissen danach auch selbständig anwenden können. Lichtbrechung Unterschied zwischen optisch dichten und optisch dünnen Medien; Brechung von Licht beim Übergang zwischen verschieden dichten Medien; notwendige Begriffe (Ein- und Ausfallswinkel, Brechungswinkel, Lot, û); Totalreflexion Was ist Totalreflexion?; Totalreflexion in Natur und Technik; Linsen Unterschied zwischen Sammel- und Zerstreuungslinsen; Begriffe (optische Achse, Brennpunkt, Brennweite, û); Strahlengang der Hauptstrahlen bei Linsen; Bilder mit Linsen (Welche Bilder entstehen in Abhängigkeit von der Gegenstandsweite?, Selbstkonstruktion von Bildern); Das menschliche Auge Wie entsteht das Bild im Auge?; Augenfehler und deren Korrektur; Lupe, Mikroskop, Fotoapparat, Fernrohr Aufbau und Funktionsweise der einzelnen optischen Geräte; 5) Lerninhalt Der Lerninhalt ist so dargestellt, dass er (mit zusätzlicher Erklärung durch den Lehrer) für Schüler der 4. Klasse verständlich ist. Weitere Informationen, die nur für den Lehrer gedacht sind (und somit für einen Schüler in diesem Alter nicht verständlich ist), werden besonders gekennzeichnet. 3 Albrecht u. a.: Von der Physik 4 (für AHS) (1999) Verlag E. Dorner GmbH, Wien, S. 44 - 52 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 5 (Bei der Zusammenstellung des Lerninhalts habe ich mich an folgenden Schulbüchern orientiert: 4, 5, 6, 7) Lichtbrechung Ein Trinkhalm im Glas erscheint auf der Höhe des Flüssigkeitsspiegels „geknickt“. Auch scheinen gerade Zweige, die teilweise ins Wasser ragen, einen Knick zu haben. Die Ursache dafür ist eine Erscheinung, die man Lichtbrechung nennt. Ein lichtdurchlässiger Stoff wird als optisches Medium bezeichnet. Die Lichtgeschwindigkeit ist nicht in jedem Medium gleich, z. B.: Lichtgeschwindigkeit in Luft Wasser Glas ca. 300 000 km / s ca. 225 000 km / s ca. 200 000 km / s Grenzen zwei Stoffe aneinander, so ist der Stoff, in dem die Lichtgeschwindigkeit größer ist, der optisch dünnere. Entsprechend ist der Stoff, in dem die Lichtgeschwindigkeit kleiner ist, der optisch dichtere. Je kleiner die Lichtgeschwindigkeit, umso größer die optische Dichte. Die Ursache für die Lichtbrechung ist die unterschiedliche Lichtgeschwindigkeit in verschieden dichten optischen Medien. Hier kann nun folgender Versuch durchgeführt werden: „Brechung beim Übergang Wasser – Luft (1 Lichtstrahl)“ (siehe: Kapitel 6 (Versuche)). Anhand dieses Versuches werden die untenstehenden Begriffe sowie das Brechungsgesetz diskutiert. Die Zone zwischen dem dünneren und dem dichteren Medium heißt Grenzfläche. Eine Normale auf die Grenzfläche nennt man das Lot. Einfallswinkel und Brechungswinkel werden jeweils zwischen Lot und Lichtstrahl gemessen. Der Brechungswinkel ist der Winkel zwischen Lot und gebrochenem Lichtstrahl. Das Brechungsgesetz Beim Übergang von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium werden die Lichtstrahlen zum Lot hin gebrochen. Beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium werden die Lichtstrahlen vom Lot weg gebrochen. Ein lotrecht einfallender Lichtstrahl wird nicht abgelenkt. Die planparallele Glasplatte Ein Lichtstrahl, der schräg auf eine planparallele Platte auftrifft, wird zweimal gebrochen (beim Eintritt in die Platte zum Lot und beim Austritt vom Lot weg). Die Brechung vom Lot 4 Paill, Schmut, Wahlmüller: Physik 4, ebda. S. 52 - 61 Albrecht u. a.: Von der Physik 4 (für AHS), ebda. S. 53 - 59 6 Ludick, Dopler, Hinterbuchinger, Reitinger: Begegnung mit Physik 4 (1. Auflage (1991)) Veritas-Verlag, S. 72 - 84 7 Fürnstahl, Wolfbauer, Becker, Obendrauf: Physik heute 4 (für AHS) (3. Auflage (1994)) Veritas-Verlag, Linz, S. 86 - 95 5 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 6 und zum Lot erfolgt um denselben Betrag. Deshalb erhält der Lichtstahl seine alte Richtung, ist aber parallel verschoben. (Abbildung aus: 8) Die Lichtstrahlen werden zweimal gebrochen. Der Gegenstand erscheint parallel verschoben. Totalreflexion Zur Einführung in dieses Thema kann hier folgender Versuch durchgeführt werden: „Brechung beim Übergang Wasser – Luft (mehrere Lichtstrahlen)“ (siehe: Kapitel 6 (Versuche)). Anhand dieses Versuches wird der Effekt der Totalreflexion mit den Schülern besprochen und der untenstehende Lerninhalt erarbeitet. Beim Übergang vom optisch dichteren Medium ins optisch dünnere kann es zu einem besonderen Effekt kommen: ab einem bestimmten Winkel tritt der Lichtstrahl nicht mehr aus dem optisch dichteren Medium aus, sondern wird an der Grenzfläche total reflektiert. Man spricht von Totalreflexion. Der kleinste Winkel, bei dem Totalreflexion eintritt, heißt Grenzwinkel der Totalreflexion. Der Grenzwinkel hängt von der Dichte der beteiligten optischen Medien ab. Trifft ein Lichtstrahl auf ein optisch dünneres Medium, so wird er an der Grenzfläche vollständig reflektiert, wenn der Einfallswinkel größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion. Für den Übergang Glas – Luft beträgt der Grenzwinkel rund 42°. 8 Albrecht u. a.: Von der Physik 4 (für AHS), ebda. S 53 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 7 Beispiele für Totalreflexion in Natur und Technik: Luftspiegelungen (z.B. Fata Morgana): (Abbildung aus: 9) Knapp oberhalb der Straße erwärmt sich die Luftschicht sehr stark. Heiße Luft ist optisch dünner als kalte Luft. Durch Totalreflexion kann nun z. B. blaues Himmelslicht ins Auge gelangen. Lichtleiter (Abbildung aus: 10) Als Lichtleiter werden dünne, biegsame Glasfasern verwendet. Das Licht, das in den Anfang des Lichtleiters hineingestrahlt wird, fällt nun so flach ein, dass es die Glasfaser wegen der Totalreflexion nicht mehr verlassen kann. Über Lichtleiter (Glasfaserkabel) können auch Informationen (Bild, Ton) übertragen werden. (In einem Lichtleiter beträgt der Einfallswinkel eines Lichtstrahls normalerweise ca. 45° - da der Grenzwinkel der Totalreflexion für den Übergang Glas – Luft ca. 42° beträgt, wird der Lichtstrahl totalreflektiert.) Lichtleiter finden auch in der Medizin Anwendung: Dem Patienten wird ein Lichtleiter (ein sogenanntes Gastroskopiergerät) durch die Speiseröhre in den Magen eingeführt. Der Arzt kann dann die Innenwände des Magens genau untersuchen und nach Magengeschwüren absuchen. Optische Prismen Hier kann folgender Versuch durchgeführt werden: „Das Umlenk- und Umkehrprisma“ (siehe: Kapitel 6 (Versuche)). Viele optische Geräte (z. B. die Spiegelreflexkamera) enthalten optische Prismen. Ihre Aufgabe ist es, Lichtstrahlen durch Totalreflexion in eine andere Richtung zu lenken. Dadurch können z. B. Bilder aufgerichtet werden. (Abbildung aus: 11) 9 Albrecht u. a.: Von der Physik 4 (für AHS), ebda. S 54 Paill, Schmut, Wahlmüller: Physik 4, ebda. S. 53 10 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 8 Optische Linsen Linsen sind der Hauptbestandteil vieler optischer Geräte. Sie sind durchsichtige Körper mit gekrümmter Oberfläche, die aus Glas oder Kunststoff hergestellt werden. Sammellinsen (Konvexlinsen) Sammellinsen sind in der Mitte dicker als am Rand. Das Licht wird beim Durchgang durch die Linse zweimal gebrochen. Zur Vereinfachung der Bildkonstruktion denkt man sich die zweimalige Brechung durch eine einzige in der Hauptebene ersetzt. (Abbildung aus: 12) (Abbildung aus: 13) Wir betrachten künftig dünne Linsen, deren linke und rechte Fläche gleiche Krümmung haben. Die Hauptebene liegt dann in der Mitte dieser Linsen. In diesem Fall gilt auch, dass die beiden Brennpunkte der Sammellinse von der Hauptebene gleich weit entfernt sind. Der Strahlenverlauf Hier kann folgender Versuch durchgeführt werden: „Bildkonstruktion an Sammellinsen“ (siehe: Kapitel 6 (Versuche)). Achsenparallele Strahlen werden von der Sammellinse so gebrochen, dass sie durch den Brennpunkt gehen. Brennpunktstrahlen verlaufen nach der Brechung parallel zur optischen Achse. Mittelpunktstrahlen gehen ungebrochen durch die Linse durch. 11 12 13 Fürnstahl, Wolfbauer, Becker, Obendrauf: Physik heute 4 (für AHS), ebda. S. 88 Paill, Schmut, Wahlmüller: Physik 4, ebda. S. 54 Albrecht u. a.: Von der Physik 4 (für AHS), S. 55 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 9 (Abbildung aus: 14) Bilder mit der Sammellinse Lage des Gegenstandes innerhalb der Brennweite zwischen einfacher und doppelter Brennweite außerhalb der doppelten Brennweite Lage des Bildes vor der Linse hinter der Linse, außerhalb der doppelten Brennweite hinter der Linse, zwischen einfacher und doppelter Brennweite Beschaffenheit des Bildes vergrößert, aufrecht, virtuell vergrößert, verkehrt, reell verkleinert, verkehrt, reell Zerstreuungslinsen (Konkavlinsen) Zerstreuungslinsen sind in der Mitte dünner als am Rand. Achsenparallele Strahlen werden nach dem Durchgang durch die Linse so gebrochen, als ob sie von einem Punkt (dem scheinbaren Brennpunkt oder Zerstreuungspunkt) kämen. Der Strahlenverlauf Hier kann folgender Versuch durchgeführt werden: „Bildkonstruktion an Zerstreuungslinsen“ (siehe: Kapitel 6 (Versuche)). Parallelstrahlen verlaufen nach der Brechung so, als ob sie vom Zerstreuungspunkt (Z2) kämen. Strahlen in Richtung Zerstreuungspunkt (Z1) werden achsenparallel gebrochen. Mittelpunktstrahlen werden nicht gebrochen. (Abbildung aus: 15) 14 15 Albrecht u. a.: Von der Physik 4 (für AHS), S. 55 Albrecht u. a.: Von der Physik 4 (für AHS), S. 56 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 10 Der Abstand von Z1 und Z2 von der Hauptebene wird als Brennweite bezeichnet und ist für dünne Linsen mit gleicher Krümmung auf beiden Seiten gleich groß. Bilder mit der Zerstreuungslinse Zerstreuungslinsen erzeugen virtuelle, aufrechte, verkleinerte Bilder, die immer auf der gleichen Seite wie der Gegenstand liegen. Mit den 3 Hauptstrahlen (Brennpunktstrahl, Parallelstrahl und Mittelpunktstrahl – diese müssten schon bei den Spiegeln behandelt worden sein), kann man den Bildpunkt eines Gegenstandspunktes ermitteln. Das menschliche Auge (Abbildung aus: 16) In der Iris befindet sich die Pupille, deren Größe sich verändern kann. Das durch sie einfallende Licht gelangt über Hornhaut, Vorderkammer, Sammellinse und Glaskörper auf den lichtempfindlichen Teil der Netzhaut. Dort entsteht ein umgekehrtes, reelles und verkleinertes Bild. Wenn man sich an die Bilder der Linsen erinnert, dann ist der Ort, wo das Bild entsteht, abhängig von der Entfernung des Gegenstandes von der Linse. Das Auge aber sieht verschieden weit entfernte Gegenstände immer scharf. Damit beim Auge das Bild immer auf der Netzhaut entsteht, wird durch den Ringmuskel, der um die Linse gelegt ist, die Krümmung der Augenlinse (und damit die Brennweite) verändert. Durch verschiedene Brennweiten von Linsen kann man aber den Ort der Bildentstehung verschieben. Durch die stärkere Krümmung der Augenlinse wird die Brennweite verkürzt. 16 Albrecht u. a.: Von der Physik 4 (für AHS), S. 57 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 11 Weit entfernte Gegenstände werden durch eine flache Linse (entspannter Ringmuskel) auf der Netzhaut abgebildet. In der Nähe befindliche Gegenstände werden durch stark gewölbte (angespannte Ringmuskel) Augenlinsen abgebildet. Augenfehler und Korrektur Kurzsichtigkeit Bei Kurzsichtigkeit ist der Augapfel zu lang und somit die Brennweite der Augenlinse zu klein. Kurzsichtigkeit wird durch eine vorgesetzte Zerstreuungslinse behoben. Durch die vorgesetzte Zerstreuungslinse werden die Lichtstrahlen zerstreut – die Sammellinse (die Augenlinse) sammelt nun die Lichtstrahlen auf der Netzhaut. (Abbildung aus: 17) Weitsichtigkeit Bei Weitsichtigkeit ist der Augapfel zu kurz und somit die Brennweite der Augenlinse zu groß. Weitsichtigkeit wird durch eine vorgesetzte Sammellinse behoben. Durch die vorgesetzte Sammellinse werden die Lichtstrahlen zusammengeführt – nun entsteht das Bild durch die Augenlinse an der richtigen Stelle. (Abbildung aus: 18) Astigmatismus Astigmatismus liegt vor, wenn die Hornhaut nicht exakt kugelförmig ist, sondern unterschiedlich starke Krümmungen aufweist. Das führt dazu, dass das Bild eines Punktgegenstandes als kurze Linie wahrgenommen wird. Der Astigmatismus lässt sich mit Brillengläsern korrigieren, deren Form eher zylinderförmig als kugelförmig ist. Die Lupe (Die Funktionsweise der Lupe wird für das Fernrohr benötigt.) Der Winkel, unter dem du einen Gegenstand siehst, heißt Sehwinkel. Je näher der Gegenstand an das Auge rückt, umso größer wird der Sehwinkel und umso größer siehst du den Gegenstand (siehe untenstehende Abbildung aus: 19). Allerdings können wir einen Gegenstand nicht beliebig nahe an das Auge heranbringen. Die geringste Entfernung, bei der das Auge noch scharf sehen kann, beträgt 10 bis 15 cm. Mit Hilfe einer Lupe lässt sich der Sehwinkel vergrößern. Eine Lupe ist eine Sammellinse mit kleiner Brennweite. Diese liefert 17 18 Ludick, Dopler, Hinterbuchinger, Reitinger: Begegnung mit Physik 4, ebda. S. 79 Ludick, Dopler, Hinterbuchinger, Reitinger: Begegnung mit Physik 4, ebda. S. 80 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 12 aufrechte, vergrößerte, virtuelle Bilder, wenn die Gegenstandsweite nicht größer als die Brennweite ist. (Abbildung aus: 19) Diese Abbildung zeigt den Sehwinkel. Dieser ist größer, wenn der Gegenstand näher am Auge ist. (Abbildung aus: 20) Diese Abbildung zeigt, wie die Vergrößerung mittels Lupe funktioniert. Das Fernrohr Fernrohre haben neue Kenntnisse der Menschen über das Weltall ermöglicht und zu neuen Vorstellungen über die Entstehung der Welt geführt. Das erste Fernrohr wurde 1608 in Holland erfunden. Das astronomische Fernrohr (Keplersches Fernrohr) Das astronomische Fernrohr wurde von Johannes Kepler (1571 – 1630) erfunden. Es besteht aus zwei Sammellinsen (oder Linsensystemen). Jene Sammellinse, die sich näher am Gegenstand befindet, nennt man Objektiv und jene, die näher am Auge liegt, nennt man Okular (oculus, lat. = Auge). Das Objektiv (große Brennweite) erzeugt ein wirkliches, verkleinertes, umgekehrtes Zwischenbild. Das Okular (kleine Brennweite) ist eine Lupe, durch die dieses Zwischenbild vergrößert wird. (Abbildung aus: 21) 19 20 Paill, Schmut, Wahlmüller: Physik 4, ebda. S. 60 Paill, Schmut, Wahlmüller: Physik 4, ebda. S. 60 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 13 Das astronomische Fernrohr liefert umgekehrte Bilder. (Bei astronomischen Betrachtungen stört es nicht, wenn die Bilder umgekehrt sind.) Das Galileische Fernrohr Bei einem Galileischen Fernrohr verwendet man anstelle einer Sammellinse eine Zerstreuungslinse als Okular. Dieses Fernrohr liefert deshalb aufrechte Bilder. Das Mikroskop Damit man sehr kleine Dinge betrachten kann, benötigt man ein Mikroskop. Ein Mikroskop besteht aus zwei Sammellinsen (bzw. Linsensystemen). Das Objektiv (kleine Brennweite) erzeugt ein reelles, vergrößertes, verkehrtes Zwischenbild. Das Okular (große Brennweite) ist eine Lupe, durch welche dieses Zwischenbild nochmals vergrößert wird. (Abbildung aus: 22) Der Fotoapparat (Wenn man den Fotoapparat in der Schule behandelt, sollte man unbedingt selbst einen mitnehmen, um den Schülern die einzelnen Bauteile genau und anschaulich erklären zu können.) Schema eines Fotoapparates (Abbildung aus: 23) 21 22 23 Paill, Schmut, Wahlmüller: Physik 4, ebda. S. 61 Paill, Schmut, Wahlmüller: Physik 4, ebda. S. 60 Paill, Schmut, Wahlmüller: Physik 4, ebda. S. 58 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 14 Das Objektiv eines Fotoapparates besteht aus einem Linsensystem. Es entwirft ein verkehrtes, reelles, verkleinertes Bild (wie eine Sammellinse). Dass man statt einer einzelnen Linse ein Linsensystem verwendet, liegt darin begründet, dass man Abbildungsfehler, die jede Linse produziert, ausgleichen kann. Wie erhält man beim Fotografieren ein scharfes Bild? Die Bildweite (Abstand des Bildes von der Linse) hängt von der Entfernung des Gegenstandes von der Linse ab. Durch Verschieben der Objektivlinse(n) verändert man die Gegenstands- und Bildweite so, dass das scharfe Bild dort entsteht, wo sich der Film befindet. Die Blende Die Blende beim Fotoapparat entspricht der Pupille beim Auge. Sie ist in das Objektiv eingebaut; mit ihr kann man die Linsenöffnung vergrößern und verkleinern. Von der Blendenöffnung hängt die Schärfentiefe ab. Große Schärfentiefe bedeutet, dass auch noch Gegenstände vor und hinter der eingestellten Entfernung scharfgestellt werden. Bei kleiner Blendenöffnung ist die Schärfentiefe groß. Bei großer Blendenöffnung ist die Schärfentiefe geringer. Der Verschluss Die Linsenöffnung ist normalerweise verschlossen. Nur während der Aufnahme kann Licht durch die Linsenöffnung auf den Film fallen. Man spricht von der Belichtung des Films. Die Dauer des Lichteinfalls wird als Belichtungszeit bezeichnet. Je kleiner die Blendenöffnung und je kürzer die Belichtungszeit, umso kleiner ist die einfallende Lichtmenge. 6) Versuche Die folgenden Versuche sind zur Durchführung für den Lehrer gedacht. Als Lehrer muss man folgende Punkte beachten bevor man die Versuche durchführt: Bevor man diese Versuche durchführt, muss man sich darüber informieren, welche Materialien für diese Versuche zur Verfügung stehen Manchmal sind nicht genau die angegebenen Materialien verfügbar (z. B. Linsen mit bestimmten Brennweiten, ...) Zum Großteil können die Versuche mit ähnlichem Material durchgeführt werden. Man muss flexibel sein, da man auch in den Schulen damit rechnen muss, dass nicht alle gewünschten Materialien vorhanden sind. Die angeführten Zeitangaben bei den Versuchen beziehen sich darauf, wenn der Lehrer den Versuch durchführt. Die Zeit, die für das Zusammensuchen der Materialien benötigt wird, ist jedoch nicht eingerechnet. Wir haben als Stromversorgung ein Netzgerät verwendet. 1. Versuch: „Die Brechung beim Übergang Wasser – Luft (1 Lichtstrahl)“ Wir wollen bei diesem Versuch die Richtungsänderung eines Lichtstrahls beim Übergang von Wasser in Luft qualitativ untersuchen. Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 15 a) Versuchsanordnung Material: Stromversorgung 2 Verbindungsleitungen 1 Kombiexperimentierleuchte Wasserwanne mit Einsatz Metallring mit Hebel (mit einem Schlitz) Wasser Foto 1: Auf diesem Foto ist ein Teil des Versuchsaufbaus zu sehen. b) Versuchsdurchführung Vorbereitung: Wir füllen die Wasserwanne mit Wasser, stecken den Metallring (mit einem Schlitz) auf den Einsatz und geben den Einsatz in die Wasserwanne. Die Experimentierleuchte wird mit der Stromversorgung verbunden und so hinter die Wasserwanne gestellt, dass das Licht genau in die runde Öffnung strahlt. Wenn die Wasserwanne zu niedrig steht, stellt man sie einfach auf eine Unterlage. Dadurch, dass wir den Ring mit einem Schlitz verwendet haben, ist nun auf der Vorderseite der Wasserwanne genau ein Lichtstrahl bei seinem Übergang von Wasser in Luft zu sehen. 1. Versuch: Mit dem Hebel wird der Schlitz des Metallringes so verstellt, dass der Lichtstrahl senkrecht auf die Wasseroberfläche auftrifft. (Siehe auch: Foto 2) Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 16 Foto 2: Der Lichtstrahl trifft senkrecht auf die Wasseroberfläche und wird nicht abgelenkt. 2. Versuch: Nun wird der Schlitz so verstellt, dass der Lichtstrahl unter einem bestimmten Winkel (z. B. 30°) auf die Wasseroberfläche trifft. Anschließend vergrößern wir den Einfallswinkel etwas. (Siehe Foto 1 und Foto 3). Foto 3: Der Lichtstrahl wird vom Lot weg gebrochen. 3. Versuch: Der Einfallswinkel wird auf ca. 50° vergrößert. Was passiert nun? (Siehe Foto 4) Foto 4: Der Lichtstrahl wird totalreflektiert. Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 17 Erkenntnisse: 1. Ein Lichtstrahl, der senkrecht auf die Wasseroberfläche auftrifft, wird nicht abgelenkt. 2. Ein Lichtstrahl, der unter einem bestimmten Einfallswinkel auf die Wasseroberfläche auftrifft, wird vom Lot weg gebrochen. 3. Wenn der Einfallswinkel vergrößert wird, vergrößert sich auch der Brechungswinkel. 4. Ab einem bestimmten Winkel (dem Grenzwinkel der Totalreflexion) tritt der Lichtstrahl nicht mehr aus dem Wasser aus, sondern wird an der Grenzfläche total reflektiert. (Der Grenzwinkel beträgt für den Übergang von Wasser in Luft ca. 48,6°.) c) Zeit Für diesen Versuch benötigt man zum Aufbau und zur Durchführung ca. 10 Minuten (ohne Zusammensuchen der einzelnen Materialien). d) Theoretischer Hintergrund Siehe Kapitel 5, Seite 5: Lichtbrechung Siehe Kapitel 5; Seite 6: Totalreflexion e) Experimentelle Schwierigkeiten und deren Behebung Dieser Versuch ist gut gelungen. Beim Vorführen in der Klasse sollte man jedoch einige Dinge beachten: Man muss die Klasse gut verdunkeln können. Der Versuch muss so aufgebaut werden, dass er von allen Schülern in der Klasse gut gesehen werden kann. Es würde sehr viel Unruhe verursachen, wenn alle Schüler nach vorne kommen müssen. Wenn man den Einfallswinkel des Lichtstrahls durch Verschieben des Schlitzes ändert, kann es zu einer Verringerung der Intensität des Lichtstrahls kommen. Das lässt sich normalerweise einfach dadurch beheben, dass man die Position der Experimentierleuchte etwas verändert. f) Anmerkungen Wenn man diesen Versuch zum Thema Brechung durchführt (wie oben in Kapitel „Lerninhalt“ angeführt) kann der dritte Versuch vorerst weggelassen werden. Man kann diesen Versuch auch dazu verwenden, um das Thema Brechung zu wiederholen und das Thema Totalreflexion einzuführen. Ansonsten finde ich, dass dieser Versuch gut geeignet ist, Schülern die Brechung des Lichts anschaulich zu erklären. 2. Versuch: „Die Brechung beim Übergang Wasser – Luft (mehrere Lichtstrahlen)“ a) Versuchsanordnung Material: Stromversorgung 2 Verbindungsleitungen Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 18 1 Kombiexperimentierleuchte Wasserwanne mit Einsatz Metallring mit Hebel (mit mehreren Schlitzen) Wasser Foto 5: der Versuchsaufbau b) Versuchsdurchführung Vorbereitung: Wir füllen die Wasserwanne mit Wasser, stecken den Metallring (mit mehreren Schlitzen) auf den Einsatz und geben den Einsatz in die Wasserwanne. Die Experimentierleuchte wird mit der Stromversorgung verbunden und so hinter die Wasserwanne gestellt, dass das Licht genau in die runde Öffnung strahlt. Wenn die Wasserwanne zu niedrig steht, stellt man sie einfach auf eine Unterlage. Dadurch, dass wir den Ring mit mehreren Schlitzen verwendet haben, sind nun auf der Vorderseite der Wasserwanne mehrere Lichtstrahlen beim Übergang von Wasser in Luft gleichzeitig zu sehen. Versuch: Mit dem Hebel werden die Schlitze im Metallring so eingestellt, dass ein Lichtstrahl senkrecht auf die Wasseroberfläche auftritt, einige Strahlen gebrochen werden und zumindest ein Lichtstrahl total reflektiert wird. Erkenntnisse (wie beim Versuch 1): 1. Ein Lichtstrahl, der senkrecht auf die Wasseroberfläche auftrifft, wird nicht abgelenkt. 2. Ein Lichtstrahl, der unter einem bestimmten Einfallswinkel auf die Wasseroberfläche auftrifft, wird vom Lot weg gebrochen. Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 19 3. Wenn der Einfallswinkel vergrößert wird, vergrößert sich auch der Brechungswinkel. 4. Ab einem bestimmten Winkel (dem Grenzwinkel der Totalreflexion) tritt der Lichtstrahl nicht mehr aus dem Wasser aus, sondern wird an der Grenzfläche total reflektiert. (Der Grenzwinkel beträgt für den Übergang von Wasser in Luft ca. 48,6°.) c) Zeit Für diesen Versuch benötigt man zum Aufbau und zur Durchführung ca. 10 Minuten (ohne Zusammensuchen der einzelnen Materialien). d) Theoretischer Hintergrund Siehe Kapitel 5, Seite 5: Lichtbrechung Siehe Kapitel 5; Seite 6: Totalreflexion e) Experimentelle Schwierigkeiten und deren Behebung Hier sind auch jene Punkte zu erwähnen, die bereits beim 1. Versuche (siehe Kapitel 6, S. 17) angeführt wurden. Da man die Position der Schlitze bei diesem Versuch nicht ändert, muss man jedoch nur zu Beginn darauf achten, dass die einzelnen Lichtstrahlen gut sichtbar sind. f) Anmerkungen Dieser Versuch ist bei uns sehr gut gelungen und ist meiner Meinung auch sehr anschaulich für die Schüler. Diesen Versuch kann man einerseits dazu verwenden, um das Thema Brechung zu behandeln. Er eignet sich auch gut, um das Thema Brechung zu wiederholen und gleichzeitig das Thema Totalreflexion einzuführen. 3. Versuch: „Brechungsgesetz mit dem Halbzylinder; Totalreflexion“ (Versuch entnommen aus: 24, 25; Abbildung entnommen aus: 24) a) Versuchsanordnung Material: Stromversorgung 2 Verbindungsleitungen optische Bank 1 Kombiexperimentierleuchte 1 Blende mit einem Schlitz 1 Blendenhalter 1 optische Scheibe 1 Modellkörper, halbkreisförmig Reiter für Experimentierleuchte, Blendenhalter und optische Scheibe 24 25 M. Bernhard, S. Jezik: Experimente zur Schulphysik - Geometrische Optik, Dispersion, Interferenz, Beugung, Polarisation (1. Auflage (1978)), Wien; O 3.5 Bretschneider, Scholz: Die Physik in Versuchen – Optik Verlag Industrie-Druck GmbH, Göttingen, O. 2.4.2 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 20 Anstelle der Blende mit einem Schlitz kann auch eine Blende mit mehreren Schlitzen verwendet werden. Die übrigen Schlitze brauchen nur mit einem Papierstreifen abgedeckt werden. Der Versuchsaufbau, den wir bei diesem Versuch verwendet haben, unterscheidet sich etwas von der obigen Abbildung (diese dient nur der besseren Vorstellbarkeit). Wir haben die Blende nicht auf der Experimentierleuchte, sondern auf einem Blendenhalter befestigt und diesen zwischen Leuchte und optischer Scheibe auf der optischen Bank mit einem Reiter befestigt. b) Versuchsdurchführung Vorbereitung: Die Experimentierleuchte wird mit einem Reiter auf der optischen Bank befestigt und an die Stromversorgung angeschlossen. Die Blende mit einem Schlitz wird auf dem Blendenhalter befestigt und mit einem Reiter auf der optischen Bank angebracht. Am Ende der Anordnung wird die optische Scheibe mit einem Reiter auf die optische Bank gestellt. In der Mitte der optischen Scheibe haltert man gemäß obiger Abbildung den halbkreisförmigen Modellkörper. 1. Versuch: Wir messen zu vorgegebenen Einfallswinkeln im Glas die Brechungswinkel in Luft. Einfallswinkel (in Glas) Brechungswinkel (in Luft) 20° 30° 30° 47° 35° 58° 38° 65° 2. Versuch: Wir drehen die Scheibe weiter von 38 auf 44 Grad Einfallswinkel. Was fällt auf? Bei ca. 43° wird der Lichtstrahl total reflektiert. Erkenntnisse: 1. Beim Übergang von Glas in Luft ist der Brechungswinkel in Luft stets größer als der Einfallswinkel in Glas (es erfolgt Brechung vom Lot). 2. Es gibt einen Grenzwinkel in Glas, bei dessen Überschreitung keine Brechung auftritt, sondern das Licht an der Grenzfläche reflektiert wird (Totalreflexion). 3. Der Grenzwinkel der Totalreflexion beträgt beim Übergang von Glas in Luft 42° (Bei uns kam es zu einem kleinen Messfehler). Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 21 (Hinweis: Man könnte theoretisch noch den Brechungsindex von Glas ausrechnen, doch sollte man dies erst in der Oberstufe durchführen. Die Berechnung des Brechungsindex ist daher nur im Oberstufenprotokoll zu finden.)) c) Zeit Für diesen Versuch benötigt man zum Aufbau und zur Durchführung ca. 10 Minuten (ohne Zusammensuchen der einzelnen Materialien). d) Theoretischer Hintergrund Siehe Kapitel 5, Seite 5: Lichtbrechung Siehe Kapitel 5; Seite 6: Totalreflexion e) Experimentelle Schwierigkeiten und deren Behebung Dieser Versuch ist gut gelungen. Beim Vorführen in der Klasse sollte man wiederum einige Dinge beachten: Man muss die Klasse gut verdunkeln können. Der Versuch sollte so aufgebaut werden, dass er von allen Schülern in der Klasse gut gesehen werden kann. Es würde sehr viel Unruhe verursachen, wenn alle Schüler nach vorne kommen müssen. Dabei ist auch wichtig, dass alle Schüler die Winkeleinteilung der optischen Scheibe sehen können. Wenn dies nicht von überall in der Klasse möglich ist, ist es besser, die Schüler nach vorne kommen zu lassen. f) Anmerkungen Diesen Versuch kann man (wie die ersten beiden Versuche) einerseits dazu verwenden, um das Thema Brechung zu behandeln. Er eignet sich auch gut, um das Thema Brechung zu wiederholen und gleichzeitig das Thema Totalreflexion einzuführen. Bevor man diesen Versuch durchführt, sollten die Schüler bereits mit der Tatsache vertraut sein, dass das Lot auf eine kreisförmige Oberfläche entlang vom Radius des Kreises verläuft. Ansonsten wird unter Umständen die Frage gestellt, warum der Lichtstrahl nicht gebrochen wird, wenn er in den Halbzylinder eintritt - die Erklärung dieser Frage würde vom Wesentlichen des Versuches ablenken. 4. Versuch: „Das Umlenk- und Umkehrprisma“ (Versuch und Abbildung entnommen aus: 26) Weil der Grenzwinkel der Totalreflexion bei Glas 42° beträgt, ist er bei 45° Einfallswinkel bereits überschritten und Licht wird total reflektiert. a) Versuchsanordnung Material: Stromversorgung 2 Verbindungsleitungen 26 M. Bernhard, S. Jezik: Experimente zur Schulphysik, ebda. O 3.6 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 22 optische Bank 1 Kombiexperimentierleuchte ev. 1 Sammellinse 1 Blende mit 2 Schlitzen 1 Blendenhalter 1 optische Scheibe 1 Modellkörper, Prisma 90 Grad Reiter für Experimentierleuchte, Blendenhalter, Sammellinse und optische Scheibe Anstelle der Blende mit 2 Schlitzen kann auch eine Blende mit mehreren Schlitzen verwendet werden. Die übrigen Schlitze brauchen nur mit einem Papierstreifen abgedeckt werden. Die obige Abbildung ist nur eine Skizze. Der genaue Versuchsaufbau wird im nächsten Punkt beschrieben. b) Versuchsdurchführung Vorbereitung: Die Experimentierleuchte wird mit einem Reiter auf der optischen Bank befestigt und an die Stromversorgung angeschlossen. Die Blende mit zwei Schlitzen wird auf dem Blendenhalter befestigt und mit einem Reiter auf der optischen Bank angebracht. Am Ende der Anordnung wird die optische Scheibe mit einem Reiter auf die optische Bank gestellt. In der Mitte der optischen Scheibe haltert man das Prisma. Um zwei parallele Strahlen zu erhalten, befestigt man vor der Blende eine Sammellinse mit einem Reiter auf der optischen Bank. Man muss dabei ausprobieren, welche Brennweite die Sammellinse haben soll, um im jeweiligen Fall parallele Strahlen zu erhalten. 1. Versuch: Umlenkprisma: Das Prisma wird so befestigt, dass die Lichtstrahlen normal auf die Katheten des Dreiecks auftreffen. Deshalb werden die Lichtstrahlen beim Übergang in das Prisma nicht gebrochen. An der Basis erfolgt Totalreflexion, da die Lichtstrahlen mit einem Einfallswinkel von 45° auftreffen. Ergebnis: Umlenkung um 90° 2. Versuch: Umkehrprisma: Das Prisma wird so befestigt, dass die Lichtstrahlen normal auf die Basis des Dreiecks auftreffen und deshalb nicht gebrochen werden. Auf die Katheten treffen die Lichtstrahlen jeweils mit einem Einfallswinkel von 45° auf und werden totalreflektiert. An der Basis können sie den Glaskörper schließlich wieder ungebrochen verlassen. Ergebnis: Umlenkung um 180°. Vertauschung des oberen und unteren Strahls Wir haben beim 2. Versuch nur einen Schlitz offen gelassen, da das Prisma für zwei Lichtstrahlen zu klein war. c) Zeit Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 23 Für diesen Versuch benötigt man zum Aufbau und zur Durchführung ca. 10 Minuten (ohne Zusammensuchen der einzelnen Materialien). d) Theoretischer Hintergrund Siehe Kapitel 5; Seite 6: Totalreflexion e) Experimentelle Schwierigkeiten und deren Behebung Dieser Versuch ist gut gelungen. Beim Vorführen in der Klasse sollte man wiederum einige Dinge beachten: Man muss die Klasse gut verdunkeln können. Der Versuch sollte so aufgebaut werden, dass er von allen Schülern in der Klasse gut gesehen werden kann. Es würde sehr viel Unruhe verursachen, wenn alle Schüler nach vorne kommen müssen. Es kann etwas Zeit in Anspruch nehmen, um zwei parallele Strahlen „herzustellen“. Deshalb ist es bei diesem Versuch besonders wichtig, ihn zuerst auszuprobieren, bevor man ihn in der Klasse vorführt. Am besten versucht man es mit Sammellinsen mit verschiedenen Brennweiten und durch Verändern der Position der Sammellinse. Im „Notfall“ kann man diesen Versuch auch nur mit einem Strahl durchführen. Wenn das Umlenkprisma zu klein für zwei Parallelstrahlen ist, kann man den Versuch auch mit nur einem Strahl durchführen. Die Tatsache, dass es bei zwei Strahlen zu einer Vertauschung des oberen und unteren Strahls kommt, muss man dann mit den Schülern anders behandeln (z. B. mittels einer Tafelzeichnung). f) Anmerkungen Die optische Scheibe wurde von uns nur zur Befestigung des Prismas benutzt. Man könnte das Prisma auch anders befestigen. Dieser Versuch eignet sich zur Durchführung, wenn man die Anwendungen der Totalreflexion (Lichtleiter, optische Prismen) behandelt. Die Schüler sehen dabei sehr deutlich, dass durch Totalreflexion Licht verlustfrei transportiert werden kann, Lichtstrahlen umgelenkt werden können oder Bilder aufgerichtet werden können (Hinweis: Fotoapparat). 5. Versuch: „Bildkonstruktion an Sammellinsen“ (Versuch und Abbildung entnommen aus: 27) a) Versuchsanordnung Material: Stromversorgung 2 Verbindungsleitungen optische Bank 1 Kombiexperimentierleuchte 1 Blende mit einem Schlitz 1 Blendenhalter 1 optische Scheibe 1 Modellkörper, plankonvex 27 M. Bernhard, S. Jezik: Experimente zur Schulphysik, ebda. O 4.3 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 24 Reiter für Experimentierleuchte, Blendenhalter und optische Scheibe Anstelle der Blende mit einem Schlitz kann auch eine Blende mit mehreren Schlitzen verwendet werden. Die übrigen Schlitze brauchen nur mit einem Papierstreifen abgedeckt werden. Die obige Abbildung ist nur eine Skizze. Der genaue Versuchsaufbau wird im nächsten Punkt beschrieben. b) Versuchsdurchführung Vorbereitung: Die Experimentierleuchte wird mit einem Reiter auf der optischen Bank befestigt und an die Stromversorgung angeschlossen. Die Blende mit einem Schlitz wird auf dem Blendenhalter befestigt und mit einem Reiter auf der optischen Bank angebracht. Am Ende der Anordnung wird die optische Scheibe mit einem Reiter auf die optische Bank gestellt. In der Mitte der optischen Scheibe haltert man die plankonvexe Linse normal zur optischen Achse (siehe obige Skizze). Mit Hilfe von Parallelstrahlen bestimmt man die Brennweite der Linse. Die Brennpunkte werden auf beiden Seiten der Linse mittels Bleistift (damit man sie entfernen kann) auf der optischen Scheibe eingezeichnet. Versuch: Die nachstehenden Strahlen werden erzeugt, indem man die optische Scheibe dreht. 1. Ein Parallelstrahl (parallel zur optischen Achse, etwa 1 cm von ihr entfernt (achsennah!)) fällt auf die Linse. Er wird durch den Brennpunkt gebrochen. 2. Ein Brennpunktstrahl durch den linken Brennpunkt fällt auf die Linse. Er wird achsenparallel gebrochen. 3. Ein Mittelpunktstrahl oder Hauptstrahl durch den Linsenmittelpunkt wird untersucht. Er durchsetzt die Linse ungebrochen. Erkenntnisse: 1. Ein Parallelstrahl wird nach der Brechung zu einem Brennpunktstrahl. 2. Ein Brennpunktstrahl wird nach der Brechung zu einem Parallelstrahl. 3. Ein Hauptstrahl (oder Mittelpunktstrahl) wird nicht gebrochen. c) Zeit Für diesen Versuch benötigt man zum Aufbau und zur Durchführung ca. 15 Minuten (ohne Zusammensuchen der einzelnen Materialien). d) Theoretischer Hintergrund Für Bildkonstruktionen an Sammellinsen benötigt man die Kenntnis vom Verlauf dreier besonderer Strahlen. Siehe Kapitel 5; Seite 8: Optische Linsen - Sammellinsen e) Experimentelle Schwierigkeiten und deren Behebung Beim Vorführen in der Klasse sollte man wiederum einige Dinge beachten: Man muss die Klasse gut verdunkeln können. Der Versuch sollte so aufgebaut werden, dass er von allen Schülern in der Klasse gut gesehen werden kann. Der Lichtstrahl muss gut sichtbar sein, ebenso muss man den Schülern die eingezeichneten Brennpunkte auf der optischen Scheibe zeigen. Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 25 f) Anmerkungen Dieser Versuch eignet sich gut, um Schülern die Bildkonstruktion anhand von Sammellinsen deutlich zu machen. Sie können dabei selbst den Strahlengang der Hauptstrahlen nachvollziehen. 6. Versuch: „Bildkonstruktion an Zerstreuungslinsen“ (Versuch und Abbildung entnommen aus: 28) a) Versuchsanordnung Material: Stromversorgung 2 Verbindungsleitungen optische Bank 1 Kombiexperimentierleuchte 1 Blende mit einem Schlitz 1 Blendenhalter 1 optische Scheibe 1 Modellkörper, plankonkav Reiter für Experimentierleuchte, Blendenhalter und optische Scheibe Anstelle der Blende mit einem Schlitz kann auch eine Blende mit mehreren Schlitzen verwendet werden. Die übrigen Schlitze brauchen nur mit einem Papierstreifen abgedeckt werden. Die obige Abbildung ist nur eine Skizze. Der genaue Versuchsaufbau wird im nächsten Punkt beschrieben. b) Versuchsdurchführung Vorbereitung: Die Experimentierleuchte wird mit einem Reiter auf der optischen Bank befestigt und an die Stromversorgung angeschlossen. Die Blende mit einem Schlitz wird auf dem Blendenhalter befestigt und mit einem Reiter auf der optischen Bank angebracht. Am Ende der Anordnung wird die optische Scheibe mit einem Reiter auf die optische Bank gestellt. In der Mitte der optischen Scheibe haltert man die plankonkave Linse normal zur optischen Achse (siehe obige Skizze). Mit Hilfe von Parallelstrahlen bestimmt man die Zerstreuungspunkte der Linse. Diese werden auf beiden Seiten der Linse mittels Bleistift (damit man sie entfernen kann) auf der optischen Scheibe eingezeichnet. Versuch: Die nachstehenden Strahlen werden erzeugt, indem man die optische Scheibe dreht. 1. Ein Parallelstrahl (parallel zur optischen Achse, etwa 1 cm von ihr entfernt (achsennah!)) fällt auf die Linse. Er wird so gebrochen, als käme er aus dem Zerstreuungspunkt. 28 M. Bernhard, S. Jezik: Experimente zur Schulphysik, ebda. O 4.6 Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 26 2. Ein Brennpunktstrahl, der auf den rechten Zerstreuungspunkt zielt, fällt auf die Linse. Er wird achsenparallel gebrochen. 3. Ein Mittelpunktstrahl oder Hauptstrahl durch den Linsenmittelpunkt wird untersucht. Er durchsetzt die Linse ungebrochen. Erkenntnisse: 1. Ein Parallelstrahl wird nach der Brechung zu einem Strahl, der aus dem Zerstreuungspunkt zu kommen scheint. 2. Ein Brennpunktstrahl wird nach der Brechung zu einem Parallelstrahl. 3. Ein Hauptstrahl (oder Mittelpunktstrahl) wird nicht gebrochen. c) Zeit Für diesen Versuch benötigt man zum Aufbau und zur Durchführung ca. 15 Minuten (ohne Zusammensuchen der einzelnen Materialien). d) Theoretischer Hintergrund Für Bildkonstruktionen an Zerstreuungslinsen benötigt man die Kenntnis vom Verlauf dreier besonderer Strahlen. Siehe Kapitel 5; Seite 9: Optische Linsen – Zerstreuungslinsen. e) Experimentelle Schwierigkeiten und deren Behebung Hier sind wiederum jene Punkte zu erwähnen, die beim vorigen Versuch (Bildkonstruktion an Sammellinse) angeführt sind. f) Anmerkungen Dieser Versuch eignet sich gut, um Schülern die Bildkonstruktion anhand von Zerstreuungslinsen deutlich zu machen. Sie können dabei selbst den Strahlengang der Hauptstrahlen nachvollziehen. 7) Arbeitsblätter Dieses Protokoll enthält keine Arbeitsblätter zu den Versuchen, da die Versuche nicht zur Durchführung durch die Schüler gedacht sind. Dieser Punkt enthält anschließend zwei Arbeitsblätter zum Vertiefen der Stoffgebiete Brechung und Totalreflexion. Arbeitsblatt Lichtbrechung Aufgabe 1 Zeichne in diese Zeichnung das Lot, den Einfallswinkel () und den Brechungswinkel () ein. Aufgabe 2: Zeichne den weiteren Verlauf der Lichtstrahlen ein. (Der graue Kasten ist das optisch dichtere Medium). Beim Übergang vom optisch dünneren in das optisch dichtere Medium erfolgt eine Brechung .............. Lot. Beim Übergang von optisch dichteren in das optisch dünnere Medium erfolgt eine Brechung ............... Lot. Ein lotrecht einfallender Lichtstrahl wird .......................................................... Arbeitsblatt Totalreflexion Aufgabe 1 Vervollständige den Strahlengang bei den folgenden totalreflektierenden Prismen. Aufgabe 2 Nenne einige Beispiele für Totalreflexion in Natur und Technik. Physikalisches Schulversuchspraktikum Geometrische Optik II Seite 29 8) Anmerkungen Medien Zur Vermittlung des Stoffes können verschiedene Medien eingesetzt werden. Folien können mittels Overheadprojektor an die Wand projiziert werden. Wenn diese mit dem Computer erstellt wurden, können sie auch mittels Videobeamer an die Wand projiziert werden. Die Tafel eignet sich gut dazu, Zeichnungen Schritt für Schritt zu erstellen, sodass die Schüler dem Lehrer genau folgen können. Gerade für Bildkonstruktionen eignet sich die Tafel. Das Zeichnen an der Tafel sollte man gut beherrschen oder sich zumindest ein Lineal für die Tafel besorgen. Schließlich sollen die Bildkonstruktionen ziemlich exakt sein, damit die Schüler etwas davon lernen können. Bei diesem Thema sollte man auch das Internet einsetzen (z. B. Bilder von Luftspiegelungen). Folien Da es sich bei diesem Protokoll um das Versuchsprotokoll handelt, enthält es keine Folien. Bei der Gestaltung von Folien kann man sich jedoch am Lerninhalt (Kapitel 5) orientieren. Mitschrift der Schüler Bei der Mitschrift für die Schüler kann man sich ebenfalls am Kapitel 5 (Lerninhalt) orientieren. Eine genaue Ausführung der Mitschrift enthält dieses Protokoll ebenfalls nicht (da es sich um das Versuchsprotokoll handelt). 9) Literaturverzeichnis Ludick, Dopler, Hinterbuchinger, Reitinger (1991). Begegnung mit Physik 4. Veritas-Verlag Albrecht u. a. (1999). Von der Physik 4 (für AHS). Wien: Verlag E. Dorner GmbH Paill, Schmut, Wahlmüller (1991). Physik 4. Wien: Verlag E. Dorner GmbH Fürnstahl, Wolfbauer, Becker, Obendrauf (1994). Physik heute 4 (für AHS). Linz: VeritasVerlag M. Bernhard, S. Jezik (1978). Experimente zur Schulphysik: Geometrische Optik, Dispersion, Interferenz, Beugung, Polarisation. Wien Bretschneider, Scholz. Die Physik in Versuchen – Optik. Göttingen: Verlag Industrie-Druck GmbH Sexl, Raab, Streeruwitz (1999). Physik 2. Wien: Verlag ÖBV & HPT GmbH & Co KG
