Ausbreitung von Licht, Satten, Reflexion, Spiegelbild

FAKULTÄT FÜR PHYSIK
Arbeitsgruppe Didaktik der Physik
EXPERIMENTELLES SEMINAR I FÜR LA MIT UNTERRICHTSFACH PHYSIK (RS, HS, GS)
SEMESTERWOCHE 11
Ausbreitung von Licht, Satten, Reflexion, Spiegelbild
Gruppe 1: Ausbreitung von Licht in Raum und Zeit
1.1 Ein gebündelter Lichtstrahl kommt von einer Reuterlampe und trifft auf die Leinwand.
Demonstrieren Sie mit Hilfe einer Lichtmühle als „Lichtstromanzeiger“, dass der Lichtfleck auf der
Leinwand dadurch entsteht, dass ständig Licht auf die Leinwand „strömt“!
1.2 Die Leinwand wird nun mit einer 1000-Watt Videolampe beleuchtet. Demonstrieren Sie wieder
mit Hilfe einer Lichtmühle, dass das Licht nicht auf der Leinwand sitzen bleibt, sondern zurück
geworfen wird!
Sichtbarkeit von Licht und von Gegenständen
2.1 Demonstrieren Sie in einfachen Versuchen, dass Licht an sich nicht sichtbar ist (z.B. ein
Laserstrahl), sondern, dass wir Licht nur dann sehen, wenn es von einem selbst leuchtenden oder
von einem streuenden Körper ausgehend in unser Auge fällt!
2.2 Richten Sie in einem abgedunkelten Raum den Lichtkegel
einer Lampe auf einen Schirm, z.B. ein Stück weißen
Karton. Legen sie ein Buch vor den Schirm und eines
dahinter. Die Bücher sollen nicht direkt von der Lampe
beleuchtet werden.
Verwenden Sie als Schirm auch schwarzen Karton, roten
Karton eine saubere Glasscheibe und eine Milchglasscheibe
oder Butterbrotpapier.
Erläutern Sie, wie man an Hand dieses Versuchs darauf
hinführen kann, dass wir nur Gegenstände sehen, die Licht aussenden das in unser Auge trifft.
2.3 Die Lochkamera als einfaches Modell für das Auge
Stellen eine Kerze oder eine hell leuchtende Lampe vor eine im
Durchmesser verstellbare Lochblende und beobachten Sie das Bild der
Lichtquelle auf einem Schirm hinter der Blende!
Welchem Teil des Auges entspricht die Blende, welchem der Schirm
Variieren Sie den Abstand der Lichtquelle zur Blende! Können Sie immer ein Bild beobachten?
Variieren Sie bei fester Entfernung der Lichtquelle zu Blende den Durchmesser der Blende!
Welchen Einfluss hat die Blendenöffnung auf das Bild?
Warum kann das Auge nicht so einfach gebaut sein, wie in diesem Modell?
Für zuhause: Bauen Sie selbst ein Augenmodell (z.B. Schuhschachtel und Pergamentpapier)!
2.4 Führen Sie einen Modellversuch Versuch vor, der die Bildentstehung bei der Lochkamera (Punkt
für Punkt-Abbildung) und die Abbildungseigenschaften einer Lochkamera demonstriert.
Verwenden Sie dazu das in der Sammlung vorhandene L-förmige Lampenarraymit den
verschiedenfarbigen Lämpchen (Herrn Lohner fragen!).
Demonstrieren Sie, ob die Lochform einen Einfluss auf die Bildentstehung hat!
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Gruppe 2:
Lichtbündel und das Modell vom Lichtstrahl
2.1 Aus der Gehäuseöffnung einer Experimentierleuchte tritt ein Lichtbündel aus. Demonstrieren Sie,
wie durch fortlaufende Verengung des Lichtbündels die Entwicklung der Modellvorstellung vom
Lichtstrahl unterstützt werden kann! (Lichtstrahlen gibt es nur in unserer gedanklichen
Vorstellung; ikonisches Modell 1. Art, Idealisierung von etwas real Beobachtbaren).
Welchen Nutzen hat die Verwendung der Modellvorstellung von der
strahlenförmigen Ausbreitung des Lichtes?
2.2 Demonstrieren Sie die geradlinige Ausbreitung von Licht (Veranschaulichung der
Modellvorstellung vom Lichtstrahl) mit dem abgebildeten Versuch!
Erzeugung von Parallellichtbündeln
2.3 Bringen Sie die Wendel einer Glühbirne in den Brennpunkt einer Sammellinse. Prüfen Sie, ob Sie
ein Bündel parallelen Lichts erhalten. Begründen Sie, warum es nicht möglich ist, ein ideales
Parallellichtbündel zu erzeugen!
2.4 Bilden Sie die Glühwendel mittels einer Sammellinse (Kondensor) auf eine Lochblende ab, die
selbst in der Brennebene einer zweiten Sammellinse steht. Das entstehende Lichtbündel ist
ziemlich gut parallel.
Mit einer weiteren Blende hinter der zweiten Sammellinse können Sie den Durchmesser dieses
Bündels verändern. Stellen Sie mehrere parallele Bündel/Strahlen her!
2.5 Demonstriere in zwei kleinen Experimenten wie man in der Nacht besser gesehen werden kann!
2.6 Demonstriere im Modellversuch, wie der Mond die Nacht erhellt!
Gruppe 3:
Licht und Schatten
3.1 Betrachten Sie das Schattenbild einer Streichholzschachtel oder eines anderen Gegenstandes auf
einem Schirm und beobachten Sie die Ränder des Schattenbildes!
Verwenden Sie als Lichtquelle einmal eine Kerze und einmal ein Glühlämpchen!
Verwenden Sie nun als Lichtquelle eine Glühlampe, über die Sie einen unten offenen Kegel aus
Pergamentpapier stülpen!
Welchen Unterschied beobachten Sie? Geben Sie eine physikalische Begründung für den
beobachteten Sachverhalt!
3.2 Verwenden Sie nun eine zweite Lichtquelle die Sie nicht zu weit von der ersten entfernt aufstellen
und beobachten Sie jetzt das Schattenbild! Erklären Sie an Hand einer Skizze die Begriffe
Schattenraum, Kernschatten und Halb- oder Übergangsschatten!
Demonstrieren, dass die Breite des Übergangsschattens von der Ausdehnung der Lichtquelle
abhängt!
3.3 Erläutern Sie, wie die vorangegangenen Versuche zur Festigung der Einsicht, dass Licht sich
geradlinig ausbreitet beitragen können!
3.4 Demonstrieren Sie, dass es von einem Gegenstand genauso viele Schattenbilder gibt, wie
Lichtquellen, von denen er angestrahlt wird!
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Gruppe 4:
Licht und Schatten im Weltraum
4.1 Für alle: Zu Fehlvorstellungen bei Kindern und Erwachsenen
Sonne, Mond und Erde tun etwas im Weltraum. Welche der folgenden Möglichkeiten sind Ihrer
Meinung nach zutreffend? Kreuzen Sie diese an!
a) Sonne und Mond entfernen sich abwechselnd von der Erde und kommen ihr wieder näher.
b) Sonne und Mond kreisen um die Erde.
c) Sonne und Mond stehen still, aber die Erde dreht sich um sich selbst.
d) Der Mond kreist um die Erde und beide zusammen um die Sonne.
e) Erde und Mond umkreisen die Sonne.
4.1 Demonstrieren Sie mit einem Overheadprojektor als
Lichtquelle (Sonne) und einem Globus die Entstehung
von Tag und Nacht!
4.2 Demonstrieren Sie wieder mit dem
Overheadprojektor und dem Globus die
unterschiedliche Länge von Tag und Nacht im Verlauf
des Jahres!
4.3 Erklären Sie ausgehend vom eben durchgeführten Versuch, warum es
im Sommer wärmer ist als im Winter! Das nebenstehende Bild gibt
Ihnen dabei eine zusätzliche Hilfestellung!
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4.4
Die wechselnde Gestalt des Mondes
Auch der Mond ist eine Kugel. Er ist aber viel kleiner als die Erde. Der
Mond erzeugt selbst kein Licht, sondern wird von der Sonne
beleuchtet. Wie bei der Erde ist auch beim Mond immer eine
Halbkugel dunkel und die andere hell.
Der Mond sieht jeden Tag anders aus oder er ist überhaupt
nicht zu sehen.
Die Ursache dafür ist die Bewegung des Mondes um die Erde.
Eine Umrundung dauert 29½ Tage.
Demonstrieren Sie die Entstehung der Mondphasen
mit Hilfe eines Overhead-Projektors als Sonne und
einer weißen Styroporkugel als Mond. Stellen Sie sich
dazu in die Mitte (Position auf der Erde) und lassen Sie
die den von der Sonne beschienen Mond im Kreis um
Sie herumführen!
4.5
Sonnenfinsternis und Mondfinsternis
Erklären Sie anhand eines geeigneten Modellversuchs die Entstehung einer Sonnenfinsternis und
einer Mondfinsternis.
Gruppe 5: Spiegelbilder
5.1 Führen Sie explorierende Versuche zur Untersuchung der Eigenschaften von Spiegelbildern
durch!
Formulieren Sie die Ergebnisse als Wenn-Dann-Beziehungen.
Die nachfolgenden Abbildungen und anmerkungen geben Ihnen Hinweise auf mögliche
Versuchen!
o
Schreiben Sie Ihren Namen in Druckbuchstaben auf ein Blatt Papier, wenn Sie das Blatt und
den Stift nur im Spiegel sehen!
o
Zeichnen Sie eine Achterbahn, und durchfahren Sie diese mit einem Stift, wenn Sie Bahn
und Stift nur im Spiegel sehen!
o
Legen Sie einen Würfel oder/und ein Lineal vor den Spiegel und betrachten Sie das
Spiegelbild!
Was vertauscht der Spiegel?
o
Geben Sie eine Erklärung dafür, dass wir, wenn wir uns im Spiegel betrachten denken, es
wären rechts und links vertauscht!
5.1 Führen Sie ein Lehrerdemonstrationsexperiment und einen Schülerversuch zu Gewinnung des
Reflexionsgesetzes durch!
Formulieren Sie das Reflexionsgesetz in schülergerechter Sprache!
5.2 Zeigen Sie, wie ein Schotte mit nur einer Kerze und zwei Spiegeln den vierten Advent feiern kann.
(„schottischer Adventskranz“)
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Für alle zur Bearbeitung im Laborbuch:
1. Erstellen Sie eine Tafelskizze die erklärt, wann wir einen Gegenstand sehen!
Berücksichtigen dabei folgende Tatsachen:
• Von jedem Punkt eines Gegenstandes breitet sich Licht in alle Raumrichtungen aus.
• Wir sehen einen Gegenstandspunkt, wenn ein von ihm ausgehendes Lichtbündel in unser
Auge trifft.
• Ein Gegenstand besteht aus (unendlich) vielen Punkten.
2. Zeigen Sie mit einer Konstruktion unter ausschließlicher Verwendung des Strahlenmodells und
des Reflexionsgesetzes, dass das Spiegelbild eines Gegenstandspunktes zu diesem
achsensymmetrisch bezüglich des Spiegelbildes liegt!
3. Konstruieren Sie das Spiegelbild eines geraden Stabes unter ausschließlicher Verwendung des
Strahlenmodells und des Reflexionsgesetzes! Sie dürfen dabei annehmen, dass die Spiegelung
eine geradentreue Abbildung ist.
Ergänzen Sie nun Ihre Konstruktion so, dass die Darstellung erklärt, wie das sehen virtueller Bilder
funktioniert!
4. Wie hoch muss ein Spiegel mindestes sein, damit sich eine Person ganz darin sieht?
Beantworten Sie diese Frage mit Hilfe einer sauberen Konstruktion!
Hängt das Ergebnis von der Entfernung der Person vom Spiegel ab?
Interessante Versuche zu Sehen und Wahrnehmen
1. Der blinde Fleck
An der Stelle der Netzhaut, an der die Nerven und Blutgefäße vom Augapfel in das Gehirn
eintreten, befinden sich keine Sinneszellen. Dies kann man mit einem einfachen Experiment
feststellen:
Halten Sie das rechte Auge geschlossen und fixieren Sie mit dem linken Auge das Kreuz aus einer
Entfernung von etwa 40cm. Bewegen Sie die Zeichnung langsam auf sich zu! Dann verschwindet
bei einem Abstand von etwa 15cm der link schwarze Fleck. Machen Sie das Gleiche mit dem
rechten Auge. Gibt es einen Unterschied? Was lässt sich ggf. daraus folgern?
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2. Das Auge als Bewegungsmelder
Wenn das Auge z.B. ein Bild betrachtet, dann „wandern“
die Augen stets auf dem Bild umher. Abwechselnd sieht
man verschiedene Einzelheiten, andere nimmt man gar
nicht wahr. Aber auch wenn man an eine ganz bestimmte
Stelle „direkt hinschaut“, gelangt dennoch Licht von
anderen Dingen ein die Augen.
Der abgebildete Junge schaut zunächst gerade auf die
Wand und sieht dabei seine Hände nicht, obwohl auch von
seinen Händen Licht in seine Augen gelangt. Dieses Licht
nimmt er erst wahr, wenn er seine Hände bewegt.
Probieren sie es selbst aus!.
Unser Gehirn reagiert also sehr fein auf zeitliche Helligkeitsveränderungen.
3. Wahrnehmungsleistungen des Gehirns
Beim Sehen lassen wir nicht nur passiv Licht in unser Auge strömen. Das Netzhautbild wird vom
Gehirn aktiv verarbeitet. Das Gehirn erinnert sich an frühere Bilder und vergleicht. Unsere
Wahrnehmung ist ein Produkt aus Netzhautbild und aktiver Verarbeitung im Gehirn. Wie die
Wahrnehmung aussieht hängt stark von unseren Vorerfahrungen ab und ist daher im Einzelfall
verschieden.
Was sehen Sie in den Folgenden Abbildungen jeweils?
4. Täuschungen beim Sehen
Sind die beiden Linien gekrümmt?
Welche Seite ist vorne?
.
Aufgabe für alle (Bearbeitung im Lerntagebuch):
Peilen sie über den Daumen einen kleinen Gegenstand in etwa 3 m Entfernung an (z.B. eine Kerze)
a. Schließen Sie mal das linke und mal das rechte Auge, während Sie die Kerze anschauen. Öffnen
Sie anschließend wieder beide Augen!
b. Wiederholen Sie das Experiment, indem Sie versuchen den Daumen scharf zu sehen!
c. Fertigen Sie für die 3 Beobachtungen in a. und b. eine Skizze an!
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