- Sinus-SH

BLK-Programm Sinus Set 2 Schleswig-Holstein
Hanna Kloock, Gymnasium Kronwerk, Rendsburg, März 2001
Rückmeldung zu dieser Datei bitte an [email protected] (Hanna Kloock)
Physikaufgabe: Farben einer Seifenmembran (A)
Das Wichtigste in Kürze:
Aufgabe Physik 12, Wellenoptik
Ausgehend von der Beobachtung der Farben einer Seifenhaut wird eine vereinfachte Theorie der
Interferenzen an dünnen Schichten erarbeitet.
1 Aufgabe
Stellen Sie mehrfach mit Hilfe einer Draht- oder Plastikschleife eine Seifenmembran her. Stellen Sie
die Schleife vor einem dunklen Hintergrund senkrecht auf einen Tisch, so dass Licht schräg von der
Seite darauf fällt.
1)
Beobachten Sie im reflektierten Licht das Farbspiel auf der Seifenhaut so lange, bis diese platzt.
2)
Beschreiben Sie die Farberscheinungen möglichst genau. Versuchen Sie, Gesetzmäßigkeiten zu
erkennen und den Zeitpunkt des Platzens vorherzusagen. (Hinweis: das Muster wird häufig durch
Strömungen in der Membran gestört.)
3)
Erklären Sie die Farberscheinungen. Beachten Sie dabei, dass die Farben durch Interferenz des
Lichtes entstehen, das an der Vorderseite und an der Rückseite der Seifenhaut reflektiert wird.
Nehmen Sie vereinfachend an, dass das Licht senkrecht auf die Seifenhaut fällt.
Übersichtlicher sind die Verhältnisse bei Beleuchtung der Seifenlamelle mit dem Licht einer NatriumDampf-Lampe.
3a) Welche Bedingung muss erfüllt sein, damit man Minima bzw. Maxima der Intensität beobachten
kann?
3b) Das Streifensystem ändert sich während der Beobachtung. Geben Sie dafür eine qualitative
Erklärung.
3c) Versuchen Sie jetzt, die Farberscheinungen bei Beleuchtung mit weißem Licht zu erklären.
Gehen Sie dabei auch auf die folgenden Fragen ein:
- Warum erscheint die Seifenlamelle unten verwaschen weiß?
- Wie kann man die Beobachtung kurz vor dem Zerplatzen der Membran erklären?
- Wie dick ist die Seifenlamelle am oberen farbigen Rand (Abschätzung)?
2 Rahmendaten
Autor, Schule
Hanna Kloock, Gymnasium Kronwerk Rendsburg
Fach
Physik
Klasse / Jahrgang
LK 12
Thema
Wellenoptik, Interferenzen an dünnen Schichten
Entwicklungsstand
einmal erprobt
3 Lösungswege und Ergebnisse
2)
Man beobachtet horizontale Farbstreifen mit regelmäßig wechselnden Farben (evtl. gestört durch
Strömungswirbel)
- zunächst unten dicht zusammen - Farbeindruck "verwaschen weiß", nach oben breiter
- im Laufe der Zeit werden die Streifen breiter und wandern nach unten
- vor dem Zerplatzen erscheint der obere Teil der Seifenhaut dunkel.
3)
3a)
Minima: s = 2d = k·w = k·L/n; daraus d = k/2·w = k/2·L/n
für k = 0; 1; 2;...
Maxima: s = 2d = (2k-1)/2·w
daraus d = (2k-1)/4·w = (2k-1)/4·L/n für k = 1; 2; 3;...
(s: Gangunterschied, d: Dicke der Lamelle, w: Wellenlänge in Wasser, L: Wellenlänge in Luft, n:
Brechungsindex von Wasser)
Die Reflexion an der Vorderseite der Lamelle findet am "festen Ende" statt, so dass ein Phasensprung
von  auftritt.
3b)
Die Dicke der Seifenhaut ändert sich mit der Höhe, jedoch nicht linear, da sonst ein äquidistantes
Streifensystem entstehen müsste. Außerdem verdunstet das Wasser mit der Zeit.
3c)
Mischfarben: Das Licht wird abhängig von der Dicke der Haut bei verschiedenen Wellenlängen
unterschiedlich stark geschwächt oder verstärkt. Die unterschiedlichen Mischungen des Lichtes
erzeugen im Auge bzw. Gehirn unterschiedliche Farbeindrücke.
Bei großer Dicke der Haut liegen viele Minima und Maxima etwa gleichmäßig verteilt im Spektrum, so
dass sich das Licht wieder annähernd zu "weiß" mischt.
Durch das Eigengewicht und durch Verdunstung wird die Seifenhaut im oberen Teil immer dünner.
Kurz vor dem Zerplatzen ist für alle Wellenlängen des sichtbaren Lichtes d<</4, so dass für Licht
aller Farben die Bedingung für destruktive Interferenz erfüllt ist.
Abschätzung: Die Maximumsbedingung für k = 1 und blaues Licht ergibt ungefähr d = 80 nm.
4 Unterrichtskontext
Kompetenzdefizite vor
Einsatz der Aufgabe
Ziele
Anwendung der Kenntnisse über optische Wellen zur Erklärung eines
Alltagsphänomens
Erwartungen zur Wirkung
Fachliche Voraussetzungen
Reflexion von Wellen am festen und am losen Ende,
Interferenz am Doppelspalt,
Abhängigkeit der Wellenlänge vom Brechungsindex
Enthaltene Wiederholung
Anforderungsbereiche
Unterrichtsphase
I - III
Sozialform
Schülerexperiment, Partnerarbeit
Außerfachliche Bezüge
Interferenzfarben in der Natur
5 Bearbeitung durch die Schüler
Motivationswirkung
zunächst hoch durch den ästhetischen und spielerischen Reiz der
Seifenblasen, später wesentlich geringer wegen der Komplexität; mit
zunehmendem Verständnis wächst die Faszination.
Bearbeitungsdauer
ca. 1h
Ergebnisse
Fehler, Probleme
Vorschläge für Hilfe und
Bedenken Sie
Differenzierung
(1) die Unterschiede bei der Reflexion einer Welle am festen und am
losen Ende,
(2) den Unterschied zwischen einer Spektral- und einer Mischfarbe.
Zur Erklärung der Erscheinung kurz vor dem Zerplatzen:
Welche Werte kann k in den Formeln für Minima und Maxima
annehmen?
Was passiert, nachdem man das Maximum für k = 1 gesehen hat?
6 Auswertung der Bearbeitung
Dauer
1-2- Schulstunden
Folge-/Zusatzaufgabe
Vergütung von Linsen;
Interferenz am Keil, speziell Newtonsche Ringe;
Glimmerblatt-Versuch mit der gelben Hg-Doppellinie
Beitrag zum folgenden
Unterricht
Leistungsmessung
7 Zusammenfassende Einschätzung
Erfahrungen beim
Die zusätzliche Betrachtung im einfarbigen Licht verringerte die
Aufgabeneinsatz
Komplexität der Aufgabe für die Schüler auf ein erträgliches Maß.
Verbesserungen
8 Hinweise
Tipps zum Experiment
Materialien, Literatur
Sonstige Bemerkungen
Statt einer Na-Dampf-Lampe kann man auch eine Glühlampe mit einem
geeigneten Filter versehen benutzen.
Den Versuch findet man in Physik-Schulbüchern.
Die Anregung, eine Aufgabe mit offener Fragestellung zu entwickeln,
habe ich erhalten durch die Lektüre des Buches
Labudde: Alltagsphysik in Schülerversuchen