Handout zur Veranstaltung Demonstrationsexperimente
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Handout zur Veranstaltung Demonstrationsexperimente Didaktik der Physik Universität Bayreuth Sabine Winetzhammer Vortrag vom 03.11.2006 Geometrische Optik: Lichtzerlegung, Regenbogen 1 1 1.1 1.1.1 Geometrische Optik: Lichtzerlegung, Regenbogen Versuchsbeschreibung Versuchsbeschreibung des ersten Versuchs Der Versuch, der die Schülerinnen und Schüler in das Thema Dispersion einführt ist wie folgt aufgebaut: Ein Plexiglas-Behälter mit rechteckiger Grundfläche wird mit reinem Wasser gefüllt. Dieser wird auf einen Overhead-Projektor gestellt. Es wird kurz auf den Strahlengang im OHP, z.B. anhand obiger Abbildung, eingegangen. Der OHP wird eingeschaltet und der Raum verdunkelt. Die Schüler sehen, wenn das Wasser im Behältnis zu Ruhe gekommen ist, vier Regenbögen, falls die Grundfläche des Gefäßes kleiner ist als die Projektionsfläche. Ist das Gefäß breiter oder länger als die Projektionsfläche entstehen nur noch zwei Regenbögen, da durch die, über die Projektionsfläche hinaus ragenden, Seitenflächen des Gefäses kein Licht mehr einfällt. Die Regenbögen lassen sich erklären indem man den Strahlengang des Lichtes aus dem OHP durch das Plexiglasbecken genauer betrachtet. An jeder Seitenwand des Behälters wird das Licht gebrochen. Diese Brechung ist je nach Wellenlänge des Lichts unterschiedlich stark. Der nach vorne an die Wand geworfene Regenbogen wird zunächst durch das leuchtstärkere Bild des OHP überdeckt, das durch Abnehmen des Spiegels des OHP sichtbar gemacht wird. Da dies nicht bei allen Geräten ohne Spezialwerkzeug möglich ist, kann man auch 2 den Spiegel ganz nach oben klappen, sodass das Bild an die Decke zeigt, bzw. den Spiegel des Projektors abdecken und somit den Lichtstrahl ausblenden. Jetzt wird der Boden des Behälters mit schwarzem Karton abgedeckt. Alternativ kann das Gefäß auch oben abgedeckt, bzw. ein Deckel angebracht werden. Die Schüler beobachten keinen Unterschied in Bezug auf die Regenbögen. Sie stellen fest, dass das Licht, dass zum Entstehen des Regenbogens führt nicht das direkt unter dem Behältnis ist. Also muss das von der Seite in den Behälter einfallende Licht für die Regenbögen verantwortlich sein. Da das Licht hier von allen Seiten einfällt, überlagern sich die Lichtstrahlen, sodass Farbadditon auftritt und damit kein spektral-reiner Regenbogen zustande kommt. Die Form des Regenbogens (also bogenförmig) ist durch den Strahlengang im OHP bedingt, genauer: nur durch die Linse in der Auflagefläche . Im letzten Teil des Versuches wird aus einem schwarzer Karton, der so groß ist wie die Projektionsflche,, mittig eine rechteckige Fläche, die etwas länger und breiter (je ca. 0, 5 cm) als die Grundfläche des Gefäßes ist, ausgeschnitten. Dieser wird so auf die Projektionsfläche des OHP gelegt, dass der Ausschnitt relativ mittig in der Projektionsebene liegt. Das mit reinem Wasser gefüllte Gefäß wird nun mittig in die ausgeschnittene Fläche gestellt. Noch sind alle Regenbögen zu sehen. Wird nun der Karton so verschoben, dass er an einer Seite des Gefäßes anliegt, so fällt von dieser Seite kein Licht mehr in das Gefäß ein. Die Schüler beobachten nun das Verschwinden des gegenüberliegenden Regenbogens. Wiederholt man diesen Vorgang auf jeder Seite des Gefäßes, ist es einfacher den Strahlengang im Behälter nachzuvollziehen. Um das Verständnis für den Strahlengang zu sichern, ist eine Schemazeichnung hilfreich. Die folgende Schemazeichnung vernachlässigt die Lichtzerlegung an der Grenzschicht Luft- Glas, da diese aufgrund der geringen Wanddicke sehr klein ist. 3 1.1.2 Versuchsbeschreibung des zweiten Versuchs Der zweite Versuch zum Thema zeigt die Zerlegung von Licht an einem Prisma. Dazu wird eine Lampe benötigt, die möglichst den kompletten sichtbaren Spektralbereich abdeckt. Davor wird ein Kondensor* eingebaut, zur Erzeugung parallelen Lichts. Dieses wird durch einen Spalt auf das Prisma gelenkt. Der Spalt dient dazu, das ein möglichst dünner Lichtstrahl am Prisma ankommt. Dies ist die einzige Möglichkeit, einen spektral reinen Regenbogen zu erzeugen. Ist das Lichbündel zu breit, entsteht ein “verwaschener“ Regenbogen. Zur besseren Sichtbarkeit muss auch hier der Raum abgedunkelt sein. Der Aufbau ist schematisch durch folgende Zeichnung verdeutlicht: Die Schüler beobachten wieder eine Zerlegung des Lichts in seine Spektralfarben. Diese ist jetzt jedoch nicht mehr wie beim Regenbogen (lang und leicht gekrümmt), sondern es wird lediglich die Spektralfarben-Folge auf dem Schirm sichtbar. Sie können daraus schließen, dass Licht auch beim Durchgang durch Festkörper in seine Spektralfarben zerlegt werden kann. * Def.: Kondensor Beleuchtungslinsensystem, das aus zwei (oder mehr) plankonvexen Linsen besteht, deren gewölbte Flächen einander zugekehrt sind. Der Kondensor erhöht die Lichtausbeute der Beleuchtung durch strenge Bündelung und Richtung des Lichts und sorgt für die gleichmäßige Ausleuchtung des Bildfeldes. Mit einem Kondensor können verschiedene Lichtkegelformen erzeugt werden. Der Kondensor, der hier benötigt wird, besteht aus einer Zylinderlinse (in der Leuchtbox s.u.). Der hier verwendete Kondensor erzeugt annähernd paralleles Licht. 4 1.1.3 Versuchsbeschreibung des dritten Versuchs Versuch Nr.3 wird ein Regenbogen mit Hilfe einer wassergefüllten Glaskugel erzeugt. Ein Lichtstahl aus einer Leuchtbox (= Markenname für ein optisches Gerät mit einer Lampe und einem Kondensor s.o.), in die ein Spalt eingebaut wurde, wird dabei auf ein mit Wasser gefülltes kugelförmiges Gefäß gerichtet. Nun wird der Raum verdunkelt und das Gefäß verschoben, bis auf einem Schirm (z.B. aus Karton) ein Regenbogen aufgefangen werden kann. Dies sieht in der Praxis folgendermaßen aus: Die Schüler beobachten einen Regenbogen, dessen Farbverlauf vertikal verläuft (siehe Abb.) . 1.2 Lernvoraussetzungen 1. Lernvoraussetzungen in der 5. Klasse (G8): • Die Schüler kennen Lichtquellen. 2. Lernvoraussetzungen in der 7.Klasse(G8): • Die Schüler kennen Lichtquellen. • Die Schüler kennen die Grundannahmen des Modells der geometrischen Optik (Abbilden mit Linsen / Brechung [evtl. schon aus K7] ). • Die Schüler wissen wie reelle Bilder entstehen (z.B. auf einem Schirm). Anmerkung: Es kann passieren, dass die Schüler in der 5. Klasse keine Physik gemacht haben. In diesem Fall gelten die Lernvoraussetzungen von Klasse 5. 5 3. Lernvoraussetzungen in der 9. Klasse(G9): • Die Schüler kennen Lichtquellen. • Die Schüler kennen die Grundannahmen des Modells der geometrischen Optik (Abbilden mit Linsen / Brechung von weißem Licht [evtl. schon aus K9] ). • Die Schüler wissen wie reelle Bilder entstehen (z.B. auf einem Schirm). • Sie wissen wie die Abbildung von Bildern auf der Netzhaut im Auge entsteht. 1.3 1.3.1 Lernziele zu den Versuchen Grobziele • Die Schüler sollen wissen, dass es das Phänomen der Lichtzerlegung gibt. • Sie sollen erkennen, dass Lichtzerlegung Naturerscheinungen wie den Regenbogen erklärt. 1.3.2 Feinziele 1. Die Schüler sollen verstehen, dass Licht bei der Lichtzerlegung in seine Spektralfarben zerlegt wird. 2. Sie sollen wissen, dass die Lichtzerlegung mit wassergefüllten Gefäßen funktioniert. 3. Sie sollen wissen, dass die Lichtzerlegung auch mit durchsichtigen Körpern erreicht werden kann. 4. Die Schüler sollen wissen, dass ein durch ein Prisma erzeugtes Spektrum eine andere geometrische Form hat als das einer mit Wasser gefüllten Glaskugel (vgl. V2+3). 1.4 Bezug zu einem übergeordneten Unterrichtsthema Die Versuchsreihe ist im G8 zur Unterrichtseinheit Optik im Fach Natur und Technik, in der 5. und 7. Klasse, einzuordnen. In diesem Zusammenhang werden die geradlinige Ausbreitung von Licht, Bilder bei Spiegeln und Linsen und Farben durchgenommen. (genaueres siehe http://server.co101.spacenet.de/ 6 isb.co101.spacenet.de/contentserv/3.1/g8.de/index.php) Im G9 kommt dieses Thema in der Einführung in die Strahlenoptik in der 9. Jahrgangsstufe zur Sprache. Dabei werden die Grunderscheinungen das Lichts, die Abbildung durch Sammellinsen, optische Instrumente sowie die Dispersion und Farben von Licht behandelt. (genaueres siehe http://www.isb.bayern.de/isb/index.asp ) 1.5 Weitere Lernziele, die die gesamte Unterrichtseinheit thematisch erschließen Die Unterrichtseinheit hier ist “Farbe“ , dabei sind folgende Ziele gesetzt: • Verständnis für die Farbwahrnehmung • Wissen, in welcher Farbabfolge die Spektralfarben auftreten. • Wissen, dass man (Licht-)Farben nicht nur Mischen kann, sondern auch wieder aufspalten. • Farbigkeit als Stoffeigenschaft 1.6 Experimentelle Alternativen Lichtzerlegung kann man anhand von vielen Beispielen zeigen. Man kann z.B. das Prisma durch einen halbkreis-förmigen Glaskörper, eine Glaskugel oder ein Plexiglaseck ersetzen. Zudem kann Dispersion an den verschiedensten optischen Gittern wie Strichgittern, Reflexionsgittern, bis hin zu einer Effektbrille oder auch an einer CD beobachtet werden. Dabei eignen sich die Effektbrillen (Brillen, die statt Gläsern feine Gitter haben) wiederrum als Einstieg. Dabei ist darauf zu achten, dass Dispersion bei Gittern nur anhand der Wellenoptik verstenden werden kann. Das mit Wasser gefüllte Gefäß aus Versuch 3 kann durch andere Gefäße ersetzt werden. Zudem können Linsenfehler zu Dispersion führen (chromatische Abberation). Weiterhin kann man durch Dispersion zeigen, dass nicht alle Lampen den gleichen Spektralbereich besitzen, indem man die Spektren durch eine der genannten Methoden sichtbar macht. (Näheres zu allen Anregungen siehe “Arbeitsblätter zu Natur und Technik“, Jahrgangsstufe 5 Didaktik der Physik, Uni Bayreuth) Möchte man Dispersion in der geometrischen Optik zeigen, benötigt man zwei schmalbandige Filter (z.B. rot und violett). Diese werden nacheinander zwischen 7 eine Lichtquelle mit parallelem Licht und z.B. einem Prisma eingebracht. Man betrachtet mit den Schülern die verschiedenen Ablenkwinkel des farbigen Lichts. 1.7 Mögliche bzw. notwendige Modifikationen des Demonstrationsexperiments bei Einsatz als Gruppenexperiment Der zweite und dritte Versuch kann gut zum Gruppenexperiment abgeändert werden, da man lediglich einige Glaskörper, bzw. Gefäße, mit welchen Dispersion möglich ist, Lichtquellen sowie Spalte an die Schüler verteilen muss und diese selbstständig arbeiten und damit etwas ausprobieren können Sie eignen sich besonders in einer Experimentierstunde in der auch Brechung und der Übergang von Licht in andere Medien, sowie Dispersion durch Gitter untersucht werden. 1.8 Elementarisierungen In allen Versuchen wird nur das Modell der geometrischen Optik verwendet. Also wird Licht nur als sich geradlinig ausbreitender Strahl, nicht als Welle oder etwa Teilchen behandelt. 1.9 Unterrichtsverfahren Typ: Modifiziertes Normalverfahren nach Mothes • Ausgangssachverhalt: Die Schüler sehen einen Regenbogen • Problemgewinnung: Wie entsteht dieser Regenbogen/ dieses Spektrum • Meinungsbildung: siehe letzten Punkt • Versuchsplanung: Die Schüler haben die Versuche in der vorangegangenen Stunde mit Hilfe des Lehrers erarbeitet. • Versuche: siehe oben • Rückkehr zur Erlebniswirklichkeit: natürlicher Regenbogen 1.9.1 Sozialformen In der Versuchsphase einer Schulstunde mit diesen Experimenten gibt es folgende Sozialformen: • Lehrervortrag 8 • Demonstrationsexperiment 1.9.2 Lehrform(en) und Lernformen (=Aktionsformen) • Lehrform: darbietende Form Der Lehrer zeigt das Demonstrationsexperiment und erklärt im Lehrervortrag die Lichtzerlegung. • Lernform: aufnehmende, rezipierende Form Die Schüler hören zu. 1.9.3 Motivationssituationen oder Einstiegssituation Als Einstieg in die Thematik bietet sich besonders der hier als erstes gezeigte Versuch an. Einerseits, weil er den Bezug zur Realität herstellt, da jeder Schüler schon einmal einen Regenbogen gesehen hat und sich gefragt haben könnte, wie er entsteht. Andererseits bietet es sich an, da man den Regenbogen bereits an die Wand werfen kann während die Schüler den Physiksaal betreten. 9 1.10 Sicherung der Lernziele Die Lernziele werden durch den folgenden Hefteintrag gesichert: 10 1.11 Lernzielkontrollen Eine Form der Lernzielkontrolle ist die klassische Abfrage in der folgenden Physikstunde. Jedoch ist dies bei dieser Thematik nie die einzige Möglichkeit: In der darauffolgenden Stunde bekommen die Schüler Optik-Baukästen (Lichtquelle, verschiedene Glaskörper,... ), mit welchen sie die Experimente der vorangegangenen Stunde nachstellen und ähnliche Experimente selbst aufbauen können (Transfer). Wenn man etwas mehr Zeit investieren möchte ist es auch möglich die Schüler mit Simulationssoftware zur Entstehung eines Regenbogens “spielen“ zu lassen, wie sie unter http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/download/window.htm http://www.physik.uni-muenchen.de/didaktik zu finden sind. Dabei kann man gut beobachten wie gut die Schüler den Stoff umsetzen können. Weiterhin muss man auch während der Stunde bereits kontrollieren, ob die Schüler den Stoff verstehen indem man gezielt (Verständnis-) Fragen stellt. 1.12 Präkonzepte, Misskonzepte mögliche Präkonzepte: • Die Schüler haben alle bereits einen Regenbogen gesehen und wissen, dass dieser aus verschiedenen Farben besteht. Sie denken, dass der Regenbogen ein Objekt am Himmel ist, auf dass sie zu laufen können und irgendwann erreichen. • Die Schüler denken, dass farbiges Licht nur mit Hilfe von farbigen Lampen (Farbfiltern) erreicht werden kann. 11