de_TN01_lightSignals

Kommentar für Lehrkräfte
zu Modul 01:
Sag es mit Licht
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.
Das Modul besteht aus zwei Kapiteln:
 Valle de la Lumbre und Eigenschaften des Lichts (siehe Seite 2)
 Kommunikation mit Lichtleitkabeln (siehe Seite 5).
Entwickelt für:
Dauer:
Mittelstufe (ca. 12 bis 15 Jahre)
Das erste Kapitel ist für zwei Schulstunden gedacht und das zweite Kapitel für eine Stunde.
Jede Unterrichtseinheit ist auf etwa 40 Minuten angelegt.
Was die Schüler bereits wissen sollten:

Es ist kein Vorwissen erforderlich.
Was die Schüler lernen:
Tatsachen




Licht verbreitet sich gradlinig und schnell,
Unterschied zwischen absorbierenden, streuenden, reflektierenden und transparenten Materialien,
Reflexion
Wie Lichtleitkabel Licht leiten.
Fähigkeiten


Teamarbeit
Arbeiten als Ingenieur: Entwicklung technischer Lösungen, die bestimmte Anforderungen erfüllen
Dieses Modul besteht aus:


3 Arbeitsblättern
1 Merkblatt
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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
Tätigkeit
0 – 25
Gruppenarbeit: Einwicklung eines
Kommunikationssystems
Material
Erste Stunde
25 – 40
WS01.1
Diskussion über die Vorteile der von den Schülerteams
entwickelten optischen Kommunikation
Diskussion über die Eigenschaften von Licht und
entsprechende Experimente:
- Licht wird vom Auge „gesehen“ und
LED-Module
Nicht im Materialsatz enthalten:
Größerer Spiegel (> DIN A4)
-
Hausaufgabe
0 – 20
20 – 35
35 – 40
Licht verbreitet sich gradlinig und schnell.
Die Weiterführung dieser Diskussion vorbereiten
Zweite Stunde
Weitere Diskussion über die Eigenschaften von Licht:
- Licht ist farbig und
- Licht verhält sich auf unterschiedlichen Objekten
unterschiedlich
Umgehung eines Hindernisses: Reflexion
„Problem mit vielen Spiegeln“
WS02.2,
LED-Module, Spiegel
Nicht im Materialsatz enthalten:
Objekte mit unterschiedlichen
Oberflächen
LED-Module, Spiegel
LED-Module, Spiegel
Beschreibung des empfohlenen Unterrichtsaufbaus
Einwicklung eines Kommunikationssystems
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
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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.
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. Dann geben Sie jeder Gruppe ein Exemplar des Arbeitsblatts „Valle de la Lumbre“
(WS01.1).
Erklären Sie Ihren Schülern auch, dass es nicht nur eine „richtige“ Lösung gibt. Das Szenario simuliert jedoch
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.
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?
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.
In jeder Klasse nimmt die Diskussion einen anderen Verlauf und die wichtigen Aspekte von Licht werden in
beliebiger Reihenfolge genannt. Bitte fassen Sie das Ergebnis der Diskussion auf der Tafel in Form kurzer
Aussagen (z. B. „Licht breitet sich in geraden Linien aus“) zusammen. Fordern Sie die Schüler auf, Beweise für
jede dieser Aussagen zu nennen - am besten auf der Grundlage eines Experiments. Schreiben Sie die genannten
Beweismöglichkeiten stichwortartig neben die entsprechende Aussage.
Die restlichen 15 Minuten der Stunde werden vermutlich für die Diskussion nicht ausreichen. Lassen Sie die
Schüler die Aussagen und die zugehörigen Beweise von der Tafel abschreiben. Als Hausaufgabe sollen die
Schüler sich weitere Eigenschaften überlegen und Experimente, mit denen die Eigenschaften bewiesen werden
können.
Im Folgenden finden Sie einige wichtige Aspekte des Lichts, wegweisende Fragen und mögliche Experimente.
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 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? Fragen Sie die Schüler, wie sie ihre Antwort beweisen können, am besten durch
ein Experiment. Wenn den Schülern kein geeignetes Experiment einfällt (aber nur dann), können Sie das
folgende Experiment vorschlagen:
Ein Schüler hält das LED-Modul und sendet Lichtsignale, ein anderer Schüler beobachtet die Lichtquelle aus
einer Entfernung von ein paar Metern. 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 sie eine gerade Linie zwischen der Lichtquelle
und dem Auge des Beobachters beschreibt.
Abb. 1.1: Experiment, das beweist, dass Licht sich geradlinig ausbreitet
Lassen Sie die Schüler bei jedem Experiment beschreiben, was sie beobachten, wobei streng zwischen
Beobachtung und Interpretation unterschieden wird. Was kann man mit dem Experiment beweisen und was
spricht gegen eine bestimmte Interpretation? Kann man z. B. aus dem vorherigen Experiment schließen, dass
Licht keine Masse hat (und daher nicht der Schwerkraft unterliegt)?
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
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.
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
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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. Lassen
Sie die Schüler Schritt für Schritt erklären, was im Experiment geschieht, leiten Sie sie durch gezieltes
Nachfragen zu den folgenden Beobachtungen:
1) der Schüler drückt eine Taste,
2) das Licht geht an,
3) das Licht verbreitet sich in alle Richtungen (sonst könnten Schüler, die das Experiment von der Seite
beobachten, nicht sehen, dass das Licht an ist), außer es wird durch ein Hindernis blockiert,
4) ein Teil des Lichts erreicht den Spiegel und wird zurückgeworfen, was technisch korrekt „Reflexion“ genannt
wird (allerdings wird es dieses Mal nicht in alle Richtungen zurückgeworfen, sonst würden die Schüler, die
das Experiment von der Seite beobachten, das Licht im Spiegel ebenfalls sehen)
5) ein Teil des reflektierten Lichts erreicht das Auge des Schülers, wo das Licht eine Sinneswahrnehmung
erzeugt, die das Gehirn stimuliert und den Schüler das Licht „sehen“ lässt.
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.
Licht ist farbig
Bezug zum Kommunikationssystem zwischen den Dörfern: Die Farbe, z. B. einer Flagge, kann zusätzliche
Informationen übermitteln und die Effizienz der Nachrichtenübermittlung erhöhen.
Wie würde Licht ohne Farbe aussehen? Einige Schüler antworten vielleicht „schwarz“. Erklären Sie den
Schülern, dass Objekte schwarz aussehen, wenn kein Licht von diesem Objekt aus auf unser Auge trifft.
Die Schüler stellen womöglich weitere Fragen über Farben, für deren Beantwortung innerhalb dieser Stunde
keine Zeit bleibt. Notieren Sie die Fragen und bieten Sie den Schülern an, diese Fragen später in einer speziellen
Stunde zum Thema Farben zu behandeln.
Licht verhält sich auf unterschiedlichen Objekten unterschiedlich
Bezug zum Kommunikationssystem zwischen den Dörfern: Optische Kommunikation kann durch Hindernisse
oder Nebel unterbrochen werden.
Ein Nachteil der optischen Kommunikation ist die Tatsache, dass ein Hindernis, das direkt zwischen Sender und
Empfänger steht, das Licht daran hindert, sein Ziel zu erreichen. 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.
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. Lassen Sie den
Schülern ausreichend Zeit für freies Arbeiten (und Spielen) und fordern Sie sie auf, ihre Beobachtungen aus den
drei Blickrichtungen aufzuschreiben.
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Bei der Einordnung unterschiedlicher Oberflächen in Kategorien (Punkt 2) benötigen die Schüler vermutlich Ihre
Hilfe. Lassen Sie ihnen Zeit, eigene Kategorien zu entwickeln und leiten Sie sich durch gezielte Fragen dahin. Ein
mögliches System zur Einordnung von Oberflächen ist:




Absorbierend,
Streuend,
Reflektierend
Transparent/durchsichtig
Umgehung eines Hindernisses
Punkt 3 des Arbeitsblatts „Licht trifft auf Materie“ (WS01.2) dient zur Überleitung von den Eigenschaften des
Lichts zum Thema Reflexion. Helfen Sie den Schülern, mit Hilfe ihrer Versuche (mit dem Arbeitsblatt) 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. 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.
Spiegel
Um diese Frage zu lösen, stellen Sie zwei Gegenstände, welche die Dörfer darstellen, an gegenüberliegenden
Enden eines Tischs auf und stellen Sie einen Gegenstand, z. B. Ihre Tasche dazwischen. 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. 2.1 Aufbau auf dem Lehrertisch für der Spiegelversuch
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. Diese Anleitung muss eine übergreifende
Lösung dieses Problems ermöglichen und sollte als allgemeine Regel auch dann die korrekte Position und
Ausrichtung des Spiegels angeben, wenn die Objekte auf dem Tisch anders angeordnet wären. Empirische
Lösungen wie „drehen Sie den Spiegel, bis das andere Dorf zu sehen ist“ sind nicht zulässig. 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).
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Teilen Sie die Schüler in Gruppen ein und verteilen Sie Spiegel, mit denen die Schüler frei experimentieren
können. Schlagen Sie vor, das Problem mit Hilfe von Zeichnungen zu lösen. Die Schüler können auch das
Arbeitsblatt „Licht trifft auf Materie“ verwenden, um das Verhalten von Reflexion genauer zu erforschen – und
möglicherweise eigenständig das Reflexionsgesetz zu entdecken. Wechseln Sie zwischen den einzelnen Gruppen
und bleiben Sie möglichst nicht länger als ein paar Minuten bei jeder Gruppe.
Wenn eine Gruppe glaubt, eine Lösung gefunden zu haben, lassen Sie zwei Gruppenmitglieder die Lösung am
Lehrertisch vorführen. Falls die Anweisungen der Gruppe nicht richtig oder nicht genau genug sind, versuchen
Sie, den Spiegel beim Befolgen der Anweisungen der Schüler so auszurichten, dass keine Lichtsignale zwischen
den Dörfern verschickt werden können. Dann lassen Sie einen Schüler versuchen, Signale mit dem LED-Modul
von einem Objekt aus, das ein Dorf darstellt, zu senden, während ein anderer Schüler auf Tischhöhe mit einem
Auge nah am anderen „Dorf“ den Spiegel beobachtet (siehe Bild oben).
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.
Obwohl es relativ leicht ist, die richtige Position des Spiegels empirisch zu ermitteln, brauchen die Schüler
vermutlich einige Zeit, um eine allgemeingültige Anweisung zur Aufstellung des Spiegels zu entwickeln. Eine
mögliche Anweisung (die Schüler finden möglicherweise bessere Lösungen) bezieht sich auf die Tischkanten:
1) Ermittle den Teil der Tischkante, der von beiden „Dörfern“ aus sichtbar ist.
Abb. 2.3. Das Dreieck stellt die „Aussicht“ von den Dörfern aus dar
Der Spiegel muss an einer Stelle stehen, wo er von beiden Dörfern aus sichtbar ist.
2) Verdopple den Abstand zwischen einem Dorf und dieser Kante und markiere diesen Punkt (z. B. mit einem
Stift, der dort festgehalten wird). Stelle Dir dann die direkte Linie zwischen diesem Punkt und dem zweiten
Dorf vor. Stelle den Spiegel an der Stelle an den Tisch, an dem diese vorgestellte Linie die Tischkante kreuzt.
Abb. 2.3 Eine mögliche Lösung für das Spiegelproblem
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Reflexionsgesetz
Wenn die Zeit es erlaubt, können Sie die formelle Definition des Reflexionsgesetzes noch einführen. Manche
Schüler haben diese (oder Teile der Definition) womöglich schon selbst entdeckt. Diese Beobachtungen sollten
sie ihren Mitschülern mitteilen. Alle Gruppen können die gefundenen Gesetze dann mit dem Arbeitsblatt „Licht
trifft auf Materie“ erproben: Wenn die Schüler den Spiegel um den Mittelpunkt des Halbkreises drehen, werden
sie feststellen, dass der Reflexionswinkel gleich groß ist wie der Einstrahlwinkel.
Wenn Sie die formelle Definition des Reflexionsgesetzes einführen, denken Sie daran, die Schüler die Definition
in das Merkblatt (FS01.1) eintragen zu lassen, das am Ende der nächsten Stunde ausgeteilt wird.
„Problem mit vielen Spiegeln“
Nachdem die Schüler das Reflexionsgesetz an einem Spiegel angewandt haben, lassen Sie sie Lichtsignale mit
zwei und später mit drei Spiegeln reflektieren. Eine Schülergruppe schickt Lichtsignale an den Nachbartisch. Von
dort aus werden diese um 90 Grad 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 Stunden einen Trick zeigen, mit dem man Licht um
beliebig viele Ecken leiten kann.
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
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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, LEDModule 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
beschriebt. 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 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
Totalreflexion
Lichtleitung in Lichtleitkabeln
10 – 35
Spiel zur Kommunikation mit Lichtleitkabeln
35 – 40
Nachbearbeitung der Unterrichtsstunde
Laser
Lichtleitkabel aus Polymer
Nicht im Materialsatz enthalten:
Glas, Wasser, Milch
Lichtleitkabel aus Polymer
LED-Module
FS01.1
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 gebräuchliche Wörter mit 10 Buchstaben und schreiben Sie sie auf.
Anregungen dazu finden Sie auf Websites, die Lösungswörter für Kreuzworträtsel enthalten.
Totalreflexion
Erinnern Sie die Schüler an die Probleme, die sie beim Leiten von Licht um mehrere Ecken hatten. In dieser
Stunde zeigen Sie ihnen einen Trick, mit dem Sie Lichtsignale über hunderte von Kilometern leiten können.
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 ins Wasser und richten Sie den Laserstrahl so in das Glas, wie auf
dem Bild dargestellt:
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Abb. 3.1 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). 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.
Fragen Sie die Schüler, was passiert, wenn Sie den Strahl, wie in Abb. 3.2. dargestellt, ins Glas richten. Dann
demonstrieren Sie den Effekt:
Abb. 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.
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Dadurch wird er aber auch schwächer. Außerdem geht ein Teil des Lichts auch bei der Reflexion verloren, wenn
der Einfallswinkel nicht groß genug ist.
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 Kabel 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: Geben Sie zwei
Schülern, die an entgegengesetzten Seiten des Klassenzimmers sitzen, jeweils ein Ende des Kabels und einem
der beiden auch das LED-Modul.
Damit die Schüler verstehen, wie das Lichtleitkabel das Licht führt, können Sie eine einfache Zeichnung an die
Tafel zeichnen:
Abb. 3.3 Licht, das mit Hilfe der Totalreflexion in einem Lichtleitkabel geleitet wird
Kommunikation mit Lichtleitkabeln
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.
Wir empfehlen, die Klasse in zwei Teams einzuteilen, die gegeneinander antreten. Ziel ist es, ein Wort aus 10
Buchstaben möglichst schnell durch das Kabel zu übermitteln. Dazu muss jedes der Teams einen eigenen Code
entwickeln.
1.
Geben Sie jedem der Teams ein Blatt mit den Spielregeln (WS01.2) und zwei LED-Module. Erklären Sie,
dass sie nur 15 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).
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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.
Teilen Sie vor Abschluss der Stunde das Merkblatt aus und 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 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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