Im Kapitel Optik werden einige Experimente beschrieben, durch die man manches über

Transkript

1 Klexse- Experimente Im Kapitel Optik werden einige Experimente beschrieben, durch die man manches über das Licht und die Ausbreitung des Lichtes die Farben des Lichtes die Vorgänge beim Sehen und beim Fotografieren erfahren kann. Auf den folgenden Seiten sind die Experimente beschrieben, und zwar jede Beschreibung auf einer eigenen Seite. Blättert doch einfach von Seite zu Seite und druckt Euch die die Beschreibungen der Experimente aus, die Ihr durchführen möchtet. Viel Vergnügen beim Lesen und viel Spaß beim Experimentieren.

2 Die Sache mit dem Daumensprung nur Deinen Daumen und eine gute Beobachtungsgabe Du suchst Dir einen Platz aus, von dem Du die Umgebung, z.b. Gebäude, die Landschaft oder irgendwelche auffällige Dinge besonders gut beobachten kannst. Du streckst eine Hand aus, mit Daumen nach oben. Du schließt ein Auge und visierst über den Daumen hinweg eine besonders gut zu erkennende Stelle in der Umgebung an; recht gut geht das an einer senkrechten Hauswand. Bewege Deine ausgestreckte Hand nicht, aber schließe schnell das geöffnete Auge und öffne das geschlossene Auge. Du kannst jetzt etwas Ähnliches beobachten, wie in der Zeichnung links. Bei diesem Beispiel deckt sich der Daumen mit der rechten Hausecke, wenn mit dem linken Auge geschaut wird, weil das rechte geschlossen ist, und er deckt sich mit dem Baum, wenn mit dem rechten Auge geschaut wird, weil das linke geschlossen ist. Weil man den Eindruck bekommen könnte, dass Dein Daumen springen würde, bezeichnet man den Abstand zwischen Baum und rechter Hausecke auch als Daumensprung. Natürlich springt nicht Dein Daumen, aber das Ganze lässt sich leicht erklären. Der Grund für den Daumensprung ist nämlich nur die geänderte Blickrichtung. Das Licht, welches über den Daumen in Dein linkes Auge fällt, kommt nämlich aus einer anderen Richtung als das Licht, welches über den Daumen in dein rechtes Auge fällt. Mit dem linken Auge blickst Du über den Daumen nach rechts und mit dem rechten Auge blickst Du über den Daumen nach links. In dem Beispiel oben sieht das linke Auge den Daumen vor der rechten Hausecke und das rechte Auge sieht den Daumen vor dem Baum.

3 Schattenspiele mit Tom und Lisa das Elektrobrett mit Stromversorgung und Schalter (Bastelarbeit 8) zwei Glühbirnchen mit Schraubgewinde E 10 (z. B. zur Fahrradbeleuchtung) einen kleinen Schraubendreher und dünnen isolierten Kupferdraht die Schattenspielfiguren von Lisa oder Tom (Bastelarbeit 2.3) Tipp: Das Experiment gelingt am besten in einem abgedunkelten Raum. Baue zunächst auf dem Elektrobrett die gleiche Schaltung auf wie beim Experiment Zwei Glühbirnen im geschlossenen Stromkreis. Schraube eine der Glühbirnen nur lose in die Fassung und lass den Schalter geöffnet. Schiebe das Brett vor eine weiße Wand und schalte die Lampe ein. Jetzt kannst Du Lisa oder Tom zwischen dem Lämpchen und der Wand hin und her bewegen. Auf der Wand kannst Du den Schatten Deiner Spielfigur erkennen. Aber nun wird s interessant. Schraube mal das zweite Lämpchen in der Fassung fest und beobachte den Schatten. Erkennst Du, dass der Schatten jetzt anders aussieht? Jedes Glühlämpchen sendet in allen Richtungen Licht aus. Wenn nur eine Lampe brennt, gelangen hinter die Figur keine Lichtstrahlen, vom schwachen Tageslicht mal abgesehen. Deshalb ist dahinter nur Schatten. Wenn Du nun aber beide Lämpchen einschaltest, ändert sich etwas. Du siehst zwei verschiedene Schatten. Hinter der Figur siehst Du einen dunklen Bereich, in den von keiner Lampe Licht hinkommt. Diesen Bereich nennt man Kernschatten. Seitlich davon gibt es Schattenbereiche, die nicht ganz dunkel sind, weil nur von einer Lampe Licht hinfällt. Diese Bereiche nennt man Halbschatten.

4 Beobachtungen mit der Lochkamera die Lochkamera (Bastelarbeit 12) Das Experiment gelingt am besten bei Sonnenschein. Du darfst aber nicht in die Sonne schauen. Wenn Du im Schatten stehst und die Sonne im Rücken hast, kannst Du gut die Landschaft oder Häuser beobachten, die von der Sonne angestrahlt sind. Such Dir zunächst etwas Schönes aus, was Du in der Kamera sehen willst. Kneife dann ein Auge zu, halte die Kamera vor das andere Auge und schau in die Lochkamera. Mit einer Hand kannst Du seitlichen Lichteinfall zu verhindern. Mach es so, wie der Junge auf dem Foto. Nun kannst Du auf der Mattscheibe, so nennt man die Folie vom Abfallbeutel, ein Bild von dem sehen, was Du betrachten wolltest Fällt Dir dabei irgendetwas Merkwürdiges auf? Du hast sicher festgestellt, dass Dein Bild im Vergleich zum Gegenstand, den Du betrachten wolltest, auf dem Kopf steht und auch seitenverkehrt ist. Das liegt am Verlauf der Lichtstrahlen in Deiner Lochkamera. In diesem Beispiel gehen von jedem Punkt des Baumes Lichtstrahlen aus. Als Bild kannst Du jedoch nur die Strahlen auf der Mattscheibe sehen, die schräg durch das kleine Loch eingefallen sind.

5 Du und Dein Spiegelbild fremde Hilfe und außerdem einen Wandspiegel etwas Klebeband und ein Zentimetermaß Stell Dich aufrecht vor einen Wandspiegel. Bitte jemanden, auf dem Spiegel einen Streifen Klebeband in der Höhe anzubringen, wo Du grade noch Deine Fußspitzen sehen kannst. Du musst Deinem Helfer ganz genaue Anweisungen geben. Dann kannst Du messen, wieviel Zentimeter über dem Fußboden sich dieser Klebestreifen befindet. Wenn man den Spiegel um genauso viele Zentimeter anheben würde, könntest Du immer noch Deine Füße sehen. Probier es doch mal aus. Und nun muss jemand den Abstand vom Fußboden bis zu Deiner Augenhöhe messen. Fällt Dir bei den Abmessungen auf, dass sich der Spiegel halb so hoch über dem Boden befinden kann wie Deine Augen wenn Du Dich von Kopf bis Fuß betrachten willst? Du konntest feststellen, dass der Spiegel nicht bis zum Fußboden reichen muss, wenn Du Dich von Kopf bis Fuß betrachten willst. Das Ganze hat mit den Gesetzen der Spiegelung zu tun. Die Lichtstrahlen, welche von Deinen Fußspitzen ausgehen, fallen schräg auf den Spiegel und werden im gleichen Winkel, wie sie auf den Spiegel aufgetroffen sind, nach oben zurück geworfen. Deshalb muss ein Wandspiegel nur halb so hoch sein, wie der Mensch, der sich darin betrachtet.

6 Auch ein Spiegelbild die Hilfe eines Erwachsenen und außerdem eine Glasscheibe (z.b. die Scheibe aus einem Bilderrahmen) vier dicke Bücher zwei Teelichte und zwei gleiche Untertassen ein Zentimetermaß Auf dem Tisch soll die Glasscheibe senkrecht aufgestellt und zwischen den Büchern festgeklemmt werden. Die Glasscheibe wird bei diesem Experiment als Spiegel benutzt. Vor und hinter die Glasscheibe stellst Du eine Untertasse mit einem Teelicht darauf. Setz Dich vor die eine Seite der Glasscheibe, so dass Du nun ein Teelicht auf Deiner Seite der Scheibe und durch die Scheibe hindurch das andere Teelicht hinter der Scheibe sehen kannst. Bitte nun einen Erwachsenen, das Teelicht auf Deiner Seite anzuzünden. Das brennende Teelicht wirst Du doppelt sehen, nämlich einmal direkt und einmal sein Spiegelbild. Verschiebe nun vorsichtig das brennende Teelicht so, dass sich sein Spiegelbild genau mit dem Teelicht hinter der Scheibe deckt und man den Eindruck bekommt, beide Lichter würden brennen. Nun kannst Du das brennende Licht löschen. Messe bitte nach, wie weit die beiden Teelichter von der Scheibe entfernt stehen. Du hast gesehen, dass das Spiegelbild des brennenden Lichtes hinter dem Spiegel erschien. Solche Bilder nennt man Scheinbare oder Virtuelle Bilder. Durch Deine Messung hast Du feststellen können, dass das virtuelle Bild, welches ein solcher ebener Spiegel erzeugt, immer im gleichen Abstand hinter dem Spiegel steht, wie der Gegenstand vor dem Spiegel. Alle ebenen Wand- und Taschenspiegel erzeugen solche Bilder.

7 1000 und 1 Spiegelbilder die Hilfe eines Erwachsenen und außerdem einen Schuhkarton (ohne Deckel) zwei Spiegel aus Glas (nicht größer als die Schmalseite des Schuhkartons) eine kleine Spielzeug- Figur (z.b. ein Playmobil- Püppchen) doppelseitiges Klebeband oder geeigneter Klebstoff (z.b. Pattex Repair Extreme) etwas Werkzeug In eine der beiden Schmalseiten des Kartons wird ein Loch gebohrt, welches ungefähr 5 mm groß ist. Ein Erwachsener soll die beiden Spiegel von innen vor die schmalen Seiten des Kartons kleben. Die Spiegelflächen müssen zueinander zeigen. Durch das Loch in der einen Wand kann ein Erwachsener mit einem geeigneten Werkzeug, z.b. einem scharfen Schraubendreher den Lack auf der Rückseite des Spiegels und den Spiegelbelag abkratzen, so dass das Glas hinter dem Loch durchsichtig ist und Du durch das Loch in den Karton hineinsehen kannst. Nun stellst Du die kleine Figur in den Karton zwischen beide Spiegel. Schau mal durch das Loch im Karton das Püppchen an. Es wird Dir kaum gelingen, zu zählen, wie viele Püppchen Du nun siehst. Jeder Spiegel erzeugt ein Spiegelbild des Püppchens. Dieses Spiegelbild wird im gegenüberliegenden Spiegel wieder gespiegelt. Der erzeugt ein Spiegelbild des Spiegelbildes. Dies Spiegelbild wird wieder zum gegenüberliegenden Spiegel zurückgeworfen (reflektiert) und wieder gespiegelt, Spiegelbild erzeugt Spiegelbild erzeugt Spiegelbild erzeugt Spiegelbild erzeugt Spiegelbild usw... und diese vielen Spiegelbilder kannst Du sehen, wenn Du durch das Loch schaust.

8 Beobachtungen mit dem Periskop das Periskop und die beiden Spiegel (Bastelarbeit 16 Periskop) Zunächst schiebst Du die beiden Spiegel durch die Schlitze in den Seitenwänden des Periskopgehäuses. Die Spiegelfläche des oberen Spiegels muss nach unten und die des unteren Spiegels muss nach oben gerichtet sein. Halte nun mal das Periskop so vor Deine Augen, dass Du durch das untere Fenster schauen kannst. Das Periskop wird oft auch als Sehrohr bezeichnet. Diesen Namen wirst Du nun verstehen. Du kannst nämlich durch das Rohr Deine Umgebung betrachten. Das ist besonders spannend, weil Du sogar über Hindernisse hinweg schauen kannst. Wenn Du Dich zum Beispiel hinter einer Mauer oder einer Hecke befindest, kannst Du beobachten, was vor der Mauer oder Hecke passiert. Alles was sich vor dem oberen Fenster befindet, wird vor dem oberen Spiegel zum Spiegelbild. Durch die Schrägstellung des Spiegels wird dies Bild nach unten zurück geworfen- wir sagen: Es wird reflektiert.. Dieses reflektierte Bild fällt auf den unteren Spiegel und wird wieder reflektiert- in Richtung zum unteren Fenster. So gelangt es in Dein Auge und Du kannst alles sehen, was sich vor dem oberen Fenster befindetauch über Hindernisse hinweg.

9 Der wandernde Schatten gutes Wetter, denn es funktioniert nur bei Sonnenschein und außerdem eine Schale aus Metall oder Kunststtoff (z.b. eine Gefrierdose) eine Münze ein kleines Gießkännchen (z.b. Tee- oder Kaffeekanne) gefüllt mit Wasser Stelle die leere Schale im Zimmer oder im Freien in die Sonne. Die Wand der Schale wirft durch das schräg einfallende Sonnenlicht auf den Boden der Schale einen Schatten. Lege nun die Münze so in die Schale, dass sie gerade noch im Schatten liegt. Gieße jetzt vorsichtig mit der Kanne Wasser in die Schale. Die Münze darf beim Eingießen nicht wegrutschen. Beobachte dabei, ob die Münze im Schatten bleibt oder ob sie nun von der Sonne beschienen wird. Was passiert mit dem Schatten? Das, was Du gerade beobachtet hast, hat seine Ursache in der Lichtbrechung. Wenn Licht schräg von einem Medium in ein anderes scheint, z.b. von Luft in Wasser, wird es vom geraden Weg abgelenkt, man sagt: Das Licht wird gebrochen. Durch diese Lichtbrechung ändert sich die Lage des Schattens.

10 Die Lichtbrechung bringt s zum Vorschein eine Schale, z.b. eine Gefrierschale eine Münze Wasser Lege die Münze in die Schale nah an den Rand und bewege Deinen Kopf nach unten oder von der Schale weg, bis Du die Münze gerade nicht mehr hinter dem Schalenrand sehen kannst. Wenn nun jemand Wasser in die Schale gießt, kommt das Geldstück wieder zum Vorschein, je höher das Wasser steigt umso vollständiger. Von der Münze gehen in alle Richtungen reflektierte Lichtstrahlen aus, die aber Dein Auge nicht erreichen, weil die Dosenwand dazwischen ist. Wenn die Münze unter dem Wasser liegt, werden diese Lichtstrahlen an der Grenze von Wasser und Luft vom geraden Weg abgelenkt. Man sagt: Die Lichtstrahlen werden gebrochen.

11 Deine erste Begegnung mit einer Linsenkamera. die Mattscheibe für optische Experimente (Bastelarbeit 13) eine Lupe (mit oder ohne Griff, bekommst Du beim Optiker) In einer richtigen Kamera wird im Gehäuse ein Film eingelegt. Bei unserem einfachen Experiment benutzen wir dafür die Mattscheibe, die wir aus Butterbrotpapier hergestellt haben. Geh nun nach draußen und such Dir ein entferntes Objekt aus, was Du als Bild sehen möchtest, zum Beispiel ein weit entferntes Haus, einen einzelnen Baum, einen Stromleitungsmast oder einfach nur eine schöne Landschaft. Stell die Mattscheibe vor Dich auf eine geeignete Unterlage, zum Beispiel einen Tisch oder eine Trittleiter und halte die Linse (so nennt man die Lupe) vor die Mattscheibe, so wie es auf dem Bild zu sehen ist. Du wirst feststellen, dass die Linse ein Bild des Objektes erzeugt, welches Du auf der Mattscheibe sehen kannst, allerdings umgekehrt, nämlich kopfstehend und seitenverkehrt. Wenn Du die Linse vor und zurück bewegst, wirst Du erkennen, dass nur bei einer ganz bestimmten Stellung ein scharfes Bild entsteht. Das Bild wird unscharf, wenn Du die Linse näher an die Mattscheibe bewegst, aber auch wenn Du sie weiter von der Mattscheibe entfernst. Tipp: Das Experiment gelingt an besten, wenn das betrachtete Objekt von der Sonne angestrahlt ist und Du selbst im Schatten stehst. Das Sonnenlicht darf niemals von hinten auf die Mattscheibe fallen. Du hast nun Einiges darüber gelernt, wie in einer Kamera das Bild entsteht. 1. Die Linse einer Kamera erzeugt immer ein umgekehrtes Bild, d. h. kopfstehend und seitenvertauscht. 2. Die Stellung der Linse richtet sich nach der Entfernung zum betrachteten Objekt. Nur eine einzige Einstellung erzeugt bei einer bestimmten Entfernung ein scharfes Bild.

12 Wie funktioniert eine Linsenkamera? das Modell einer Linsenkamera (Bastelarbeit 14 Linsenkamera) Wie eine richtige Kamera hat auch das Modell ein Gehäuse und ein Objektiv. Da wo bei einer richtigen Kamera der Film eingelegt wäre befindet sich in Deinem Modell die durchsichtige Folie als sogenannte Mattscheibe. Such Dir nun mal ein weit entferntes Objekt aus, was Du als Bild sehen möchtest. Das kann zum Beispiel ein weit entferntes Haus, ein einzelner Baum, ein Stromleitungsmast oder ein Waldstück sein. Richte das Objektiv Deines Kameramodells auf dieses Objekt und betrachte das Bild auf der Mattscheibe. Wenn das Bild unscharf ist, musst Du wie bei einer richtigen Kamera die Entfernung einstellen. Das machst Du durch Verschieben des Objektivs. Nur bei einer ganz bestimmten Einstellung des Objektivs wirst Du ein scharfes Bild erhalten. Richte nun mal die Kamera auf einen Gegenstand in Deiner Nähe, z.b. in Eurer Wohnung. Ganz bestimmt ist das Bild auf der Mattscheibe unscharf. Aber wenn Du das Objektiv weiter von der Mattscheibe entfernst, wirst Du wieder ein scharfes Bild erhalten. Du hast nun Einiges über Kameras gelernt. 1. Eine Linsenkamera erzeugt immer ein umgekehrtes Bild, d. h. kopfstehend und seitenvertauscht. 2. Die Stellung des Objektivs richtet sich nach der Entfernung zum betrachteten Objekt. Nur eine einzige Einstellung erzeugt bei einer bestimmten Entfernung ein scharfes Bild. 3. Das Objektiv muss umso weiter von der Mattscheibe weg geschoben werden, je näher Du Dich am betrachteten Objekt befindest. Übrigens: In modernen Digitalkameras wird kein Film eingelegt. Da wo der Film wäre, befindet sich ein lichtempfindlicher Sensor. Der erfasst das Bild und dieses wird auf einem Speicherchip festgehalten. Solche Kameras haben außerdem eine sogenannte Autofocus-Funktion. Damit wird die Entfernung automatisch eingestellt.

13 Laterna Magica Vor vielen, vielen Jahren- es gab noch keine Fotoapparate, keine Digitalkameras, keine Fernsehgeräte; noch nicht mal das Kino war erfunden- da gab es ein Gerät, mit welchem man Bilder vorführen konnte. Das war die Laterna Magica, auf Deutsch die Zauberlaterne. Da gab es Leute, die mit dieser Zauberlaterne durch das Land reisten, um die Menschen zu unterhalten. Sie zeigten, oft auf Jahrmärkten oder Volksfesten, Bilder und erzählten dazu witzige Geschichten. Manchmal wurde dabei sogar musiziert. Und wie diese Laterna funktionierte, erfährst Du in diesem Experiment. das Modell der Laterna Magica (Bastelarbeit 15 - Laterna Magica) ein Stück durchsichtige Folie (Folie für Overheadprojektoren) oder eine kleine Glasscheibe. Die Glasscheibe darf aber keine Ränder haben, an denen man sich schneiden könnte. eine Kinderlupe (bekommst Du bei jedem Optiker) eine Schere und Klebeband und die Hilfe eines Erwachsenen, wenn mit Feuer hantiert wird Du bemalst die kleine Glasscheibe oder die Folie mit einem hübschen Bild, z.b. einer Blume, einem Tier oder einem lustigen Männlein. Gut wäre es, wenn um das Bild herum der Rest schwarz ausgemalt wäre. Dieses Bild befestigst Du mit Klebeband vor dem Fenster der Laterna, allerdings umgekehrt, also kopfstehend und seitenverkehrt. Bitte nun einen Erwachsenen, die Kerze anzuzünden. Es ist weniger gefährlich, wenn die Laterna nicht mit der Kerze, sondern elektrisch beleuchtet wird. Jedenfalls ist Dein durchsichtiges selbstgemaltes Bild hell beleuchtet. Richte nun die Laterna Magica so aus, dass sie gegenüber einer hellen Wand steht, ca. 1,5 m entfernt. Das Zimmer soll möglichst dunkel sein. Du musst wenn s geht, die Fenster verdunkeln und auch die Beleuchtung ausschalten. Nun halte die Linse (so nennt man die Lupe) zwischen die Laterna Magica und die Zimmerwand. Du wirst sehen, dass die Linse ein vergrößertes scharfes Bild auf der Wand erzeugt, allerdings nur, wenn Du die richtige Entfernung zwischen Linse und Laterna Magica durch Probieren herausgefunden hast.

14 Kleine Dinge ganz groß - Beobachtungen mit dem Mikroskop die Hilfe eines Freundes und außerdem das Modell des Mikroskops (Bastelarbeit 17) eine möglichst starke Taschenlampe ein stumpfes Messer Salzkörner oder Zuckerkristalle oder ein anderes kleines Objekt, was Du vergrößert anschauen kannst Verteile eine Messerspitze voller Salzkörner oder Zuckerkristalle, die Du anschauen möchtest, auf dem Objekttisch genau unter der kleinen Linse, dem Objektiv. Dein Freund soll mit der Lampe die Kristalle so hell wie möglich anleuchten. Nun schau mal durch das Okular (so nennt man die obere Linse) und versuche, ein vergrößertes Bild der Kristalle zu sehen. Das wird aber nur gelingen, wenn der Abstand zwischen den Kristallen und der unteren Linse richtig eingestellt ist. Bei einem richtigen Mikroskop kann der Objekttisch mit einer sehr feinen Schraube angehoben oder abgesenkt werden, wenn man die Bildschärfe einstellen will. So genau klappt das bei Deinem Modell nicht. Aber Du kannst mit Holzrad und Stellschraube den Objekttisch nach oben oder unten bewegen und damit recht genau die Entfernung einstellen. Tipp: Du kannst auch mal versuchen, andere Dinge auf den Objekttisch zu legen, um sie zu betrachten, z.b. ein Pfefferkorn, einen Wollfaden oder einen kleinen Teil eines farbigen Bildes aus einer Tageszeitung. Richtige Mikroskope sehen so aus, wie auf dem Foto. Das Rohr mit dem Okular (man nennt es Tubus) ist meistens schräg gestellt, damit man bequemer hindurchschauen kann und es besteht aus stabilem Metall. Man kann verschiedene Objektive benutzen und dadurch zwischen verschiedenen Vergrößerungen wählen. Bei solchen Mikroskopen ist die Beleuchtung meistens fest eingebaut.