Licht-, Laser- und Optik-Bildungskit

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2 Kit-Inhalt: 1 roter Laser Blox, 635nm, <1mW 1 grüner Laser Blox, 532nm, <1mW 1 Licht Blox Set (rot, grün, blau) 1 weiße LED 1 Set 3 mattierter Glaslinsen 10 Winkelmesser 10 Beugungsgitter mit 500 Linien/mm 3 Spiegel 3 Spiegelhalterungen 1 Tüte Gummibärchen, (rot und grün) 1 Spritze 1 Kit-Übungsleitfaden Unterrichtsplan: THEMA KLASSENSTUFE ZEIT Monochromatisches Licht Minuten Kollimiertes Licht Minuten Kohärentes Licht Minuten Absorption an Gummibärchen Minuten Lasermikroskopie Minuten Reflektion und Brechung Minuten Farbseparation und -mischung Minuten Messen einer Laserwellenlänge Minuten Messen der Breite eines menschlichen Haares mittels Laser Minuten

3 Erste Lektion: Monochromatisches Licht Übersicht: Beim Vergleichen des Spektrums von weißem Licht mit dem von farbigem LEDund LASER-Licht beobachten Schüler, dass das durch einen Laser ausgestrahlte Licht monochromatisch ist und aus einer einzigen Wellenlänge (Farbe) besteht. Zeit: 30 Minuten Klassenstufen: 6-12 Materialien * Ein roter, grüner und blauer Licht Blox mit Schlitzblenden * Ein roter und ein grüner LASER Blox * Verschiedene Lichtquellen weißen Lichtes (LED, Taschenlampe, Raumlicht) * 10 Beugungsgitter Aufbau 1. Stellen Sie den Licht Blox vorn im Raum in Richtung des Klassenzimmers auf, so, dass die Schüler das Licht sehen können, wenn Sie es (später) anschalten. 2. Stellen Sie die LASER so auf, dass sie das Licht weg von den Schülern und auf eine leere Wand strahlen, wenn Sie es (später) anschalten. 3. Teilen Sie ein Beugungsgitter pro Schüler aus. Diskussion und Hintergrund Lassen Sie die Schüler ihre Antwort auf folgende Frage diskutieren: Wie unterscheidet sich das Licht eines LASERs von einem anderen Licht? Was macht einen LASER zu einem LASER? Schreiben Sie die Antworten der Schüler ohne Kommentar oder Verbesserung an eine Tafel und notieren Sie diese so, dass die Schüler sie sehen können. Wenn Sie an einem anderen Tag in diese Klasse zurückkommen, schreiben Sie die Antworten auf einen Bogen Papier auf. Beginnen Sie die Stunde, indem Sie den Schülern erklären, dass sie heute eine Eigenschaft von Laser-Licht untersuchen werden. Erzählen Sie ihnen nicht, um was es sich handelt. Wir werden sehen, ob die Schüler herausfinden können, um was es sich handelt, während sie untersuchen und beobachten.

4 Untersuchung und Beobachtung 1. Erinnern Sie die Schüler daran, dass weißes Licht aus allen Wellenlängen besteht. Weißes Licht ist das, was wir sehen, wenn diese unterschiedlichen Wellenlängen miteinander interagieren. 2. Stellen Sie den Schülern das Beugungsgitter vor erklären Sie, dass ein Beugungsgitter das Licht teilt, welches wir durch dieses betrachten, um ein Spektrum darzustellen eine charakteristische Signatur der Wellenlängen, die das von uns betrachtete Licht ausmacht. 3. Demonstrieren Sie Ihren Schüler, wie das Beugungsgitter verwendet wird; halten Sie das Beugungsgitter vor ein Auge und schauen Sie in Richtung einer Lichtquelle (NIEMALS direkt in die Sonne oder in einen LASER). Jetzt schauen Sie darauf, um das Spektrum zu betrachten. 4. Ermutigen Sie die Schüler zum Betrachten von Spektren verschiedener Lichtquellen - z. B. von Leuchtstofflampen, Glühlampen oder von einer Taschenlampe. 5. Lassen Sie die Schüler beschreiben, was sie sehen einen Regenbogen. Sie sollen berichten, was für Farben sie sehen und in welcher Reihenfolge. Lassen Sie die Schüler erzählen, ob die Farben aller Lichter in dergleichen Reihenfolge sind oder ob diese variiert. Stellen Sie sicher, dass sie zu dem Schluss kommen, dass sich Violett bzw. Lila immer am nächsten an der Lichtquelle befindet. 6. Als Nächstes erklären Sie den Schülern, dass sie die Lichtspektren von verschiedenfarbigen LEDs betrachten werden. Schalten Sie den Licht Blox an. Die Schüler sollen feststellen, dass es einen roten, einen grünen und einen blauen Licht Blox gibt = rote, grüne und blaue LED. 7. Lassen Sie die Schüler vorhersagen, was sie sehen werden, wenn sie zum LED/Licht Blox schauen. Werden sie ein Spektrum sehen? Oder nur eine Farbe? Wird LED-Licht durch mehr als eine Wellenlänge erzeugt wie weißes Licht, oder nur durch eine einzige? Ermutigen Sie einen Schüler, der vorhersagt, dass es KEIN Spektrum geben wird, die Gründe für seine Meinung zu erläutern. 8. Ohne Kommentar oder Verbesserung lassen Sie die Schüler nun selbst herausfinden, was passiert, indem sie mithilfe des Beugungsgitters das LED-Licht des roten, grünen und blauen Licht Blox beobachten. Die Schüler müssen eventuell näher herangehen, um es gut sehen zu können. 9. Die Schüler sollen nun ihre Beobachtungen besprechen. Lassen Sie sie erklären, dass selbst ein rotes, grünes oder blaues LED aus seinem ganz individuellen Farbspektrum besteht. 10. Lassen Sie die Schüler schließlich vorhersagen, was sie sehen, wenn sie auf das grüne und rote LASER-Licht schauen. Fordern Sie die Schüler auf, ihre Antworten und Begründungen zu besprechen. 11.Schalten Sie die Laser an weg von den Schülern zeigend, in Richtung einer leeren Wand. 12. Weisen Sie die Schüler an, dass sie NIEMALS direkt IN EINEN LASER schauen dürfen. 13. Erklären Sie den Schülern, dass sie das Spektrum eines Lasers beobachten werden, indem der Laser durch das Beugungsgitter tritt. 14. Bauen Sie ein Beugungsgitter vor jedem LASER auf und ermöglichen Sie den Schülern mit zu verfolgen, dass, während das Laserlicht durch das Gitter tritt, nur eine Farbe zu beobachten ist. 15. Ermutigen Sie die Schüler sich über das, was sie sehen, auszutauschen und zu spekulieren. 16.Fragen Sie: So was ist das besondere Merkmal von LASER-Licht, das wir heute beobachtet haben? EINE FARBE, EINE WELLENLÄNGE oder MONOCHROMATISCHES LICHT!!

5 Zweite Lektion: Kollimiertes Licht Überblick: Beim Vergleichen von LED- und LASER-Licht werden die Schüler beobachten, dass LASER-Licht kollimiert ist (in parallelen Strahlen verläuft). Zeit: Minuten Klassenstufen: 6-12 Materialien Grüner LASER Blox Roter LASER Blox Grüner Licht Blox ohne Schlitzblende Roter Licht Blox ohne Schlitzblende Lineal glattes weißes Papier Diskussion und Hintergrund Erklären Sie den Schülern, dass sie heute ein grundlegendes Merkmal von Laser-Licht beobachten werden: Eine Eigenschaft, die den LASER gefährlicher und stärker machen, als das Licht, mit dem es verwandt ist auch wenn der LASER nur sehr wenig Energie aussendet, wie diejenigen, die Sie dabei haben (LASER Blox). LASER-Licht ist kollimiert d. h. die Lichtstrahlen verlaufen parallel zueinander. Stellen Sie den Unterschied zu gewöhnlichem Licht klar, welches beim Ausstrahlen auseinanderstreut bzw. -divergiert. Dieses Experiment demonstriert die Wirkung von Kollimation. Aufbau 1. Teilen Sie die Schüler in 5 Gruppen auf. 2. Geben Sie jeder Gruppe eine Lichtquelle (entweder einen Licht Blox oder einen LASER Blox), ein Lineal und ein Blatt Papier. 3. Während die Schüler Daten erfassen, zeichnen Sie die folgende Grafik an die Tafel oder auf ein großes weißes Papier im vorderen Teil des Zimmers.

6 Untersuchung und Beobachtung 1. Erklären Sie den Schülern, dass sie die Lichtfläche, die durch ihre Lichtquelle erzeugte wurde, von 3 verschiedenen Abständen messen sollen: 2,5 cm, 7,5 cm und 15 cm. 2. Lassen Sie die Schüler die Formel für die folgenden Flächen aufstellen: a. Für ein Rechteck: b. Für einen Kreises: oder c. Für eine elliptische Fläche: 3. Halten Sie die Schüler an, die Strahlen ihrer Lichtquelle auf ein einfaches, weißes Blatt Papier von 2,5 cm, 7,5 cm und 15 cm Entfernung zu richten und anschließend die Fläche des Lichtflecks von jedem Abstand zu berechnen. 4. Ermutigen Sie einen Schüler von jeder Gruppe, nach vorn zu kommen und die Daten seiner Gruppe an der Grafik hinzuzufügen. 5. Fragen Sie die Klasse Was habt ihr bemerkt? Wie unterscheidet sich LASER- von LED-Licht? Laserlicht ist kollimiert!

7 Schüler-Arbeitsblatt Lichtquelle Entfernung Fläche Rote LED 2,5 cm Grüne LED 2,5 cm Blaue LED 2,5 cm Grüner LASER 2,5 cm Roter LASER 2,5 cm Rote LED 7,5 cm Grüne LED 7,5 cm Blaue LED 7,5 cm Grüner LASER 7,5 cm Roter LASER 7,5 cm Rote LED 15 cm Grüne LED 15 cm Blaue LED 15 cm Grüner LASER 15 cm Roter LASER 15 cm

8 Dritte Lektion: Kohärentes Licht Überblick Beim Vergleichen von LED- und LASER-Licht, werden die Schüler beobachten, dass LASER-Licht kohärent ist (phasengleich verläuft). Zeit: Minuten Klassenstufen: 6-12 Materialien Grüner LASER Blox Roter LASER Blox Grüner Licht Blox ohne Schlitzblende Roter Licht Blox ohne Schlitzblende glattes weißes Papier Aufbau 1. Teilen Sie die Klasse in 4 Gruppen auf. 2. Geben Sie jeder Gruppe eine Lichtquelle (entweder einen Licht Blox oder einen LASER Blox), ein Lineal und ein Blatt Papier. Diskussion und Hintergrund LASER-Licht ist kohärent was bedeutet, dass es phasen- oder stufengleich verläuft. Das heißt, alle Wellenberge und-täler reihen sich aneinander. Zeichnen Sie ein Diagramm an die Tafel, um dies zu zeigen.

9 Beobachtung und Untersuchung 1. Fordern Sie jede Gruppe auf, ihre Lichtquelle sehr nah in einem kleinen Winkel an das Papier zu halten und zu beobachten, was sie sehen. Lassen Sie die Gruppen untereinander diskutieren, zu einer Übereinstimmung kommen und eine Beobachtung notieren. 2. Nun sollen die Gruppen ihre Lichtquellen mit einer anderen Gruppe tauschen. Wenn eine Gruppe eine LED hat, sollen sie jetzt einen LASER nehmen. Wenn sie einen LASER haben, sollen sie eine LED bekommen. Anschließend sollen die Schüler den Schritt 1 mit ihrer neuen Lichtquelle wiederholen und einen Vergleich anstellen. 3. Die Schüler sollen beobachten, dass beim Laser-Licht ein Speckle-Muster (Muster aus sehr kleinen hellen und dunklen Punkten) entsteht, beim LED-Licht hingegen nicht. Vielleicht benötigen sie einige Hinweise, dass die Lichtquellen einige Male vor- und zurückbewegt werden, um den feinen Unterschied zu bemerken. 4. Erklären Sie, dass sich Licht in Wellen fortbewegt wenn diese Wellen phasengleich verlaufen, interferieren sie miteinander in einer besonderen Weise. Kohärente Wellen können sich gegenseitig aufheben (destruktive Interferenz) oder sich gegenseitig verstärken (konstruktive Interferenz). 5. Ein Muster aus hellen und dunklen Punkten wird von kohärentem LASER-Licht aufgrund dieser Interferenz erzeugt aber dieses Muster entsteht nicht bei LED-Licht, da LED-Licht nicht kohärent ist bzw. nicht phasengleich verläuft.

10 Vierte Lektion: Absorption, Transmission und Reflexion Angelehnt an folgendes Video, das den grundlegenden Ablauf darstellt - Überblick Es stellt sich heraus, dass sich Gummibärchen hervorragend dazu eignen, die sonst abstrakten Konzepte zu demonstrieren, die die grundlegendsten Licht- Materie-Wechselwirkungen beschreiben: Absorption, Transmission und Reflexion. Zeit: Minuten Klassenstufen: 9-12 Materialien Grüner LASER Blox Roter LASER Blox Weißes LED-Licht 3 rote Gummibärchen 3 grüne Gummibärchen 3 durchsichtige Gummibärchen 1 einfaches, weißes Blatt Papier 1 Blatt Wachspapier 1 Dia oder Klarsichtfolie Diskussion und Hintergrund Ein verbreiteter Irrtum unter Schülern ist, dass Farbe eine Eigenschaft der Materie ist. Dieses zugrundeliegende Missverständnis führt zu allerlei Verwechslung wie z. B. zu der Vorstellung, dass, wenn weißes Licht durch ein grünes Objekt verläuft, das Objekt die Farbe zu dem sonst klaren, natürlichen Licht hinzufügt, um ein grünes Glimmen auf das Papier zu werfen. Egal, wie oft Sie es sagen. Es bleibt schwierig für Schüler zu begreifen, dass, wenn sie ein Objekt als rot wahrnehmen, in Wirklichkeit die meisten der Wellenlängen, die das weiße Licht bilden, vom Objekt absorbiert werden und nur die Wellenlänge, die das uns bekannte Rot erzeugt, reflektiert wird. Was die Schüler sehen, ist, dass rotes Licht zu ihren Augen übertragen wird.

11 Wenn LASER-Licht, das monochromatisch ist (aus einer einzigen Wellenlänge bestehend), auf einen Gegenstand trifft, wird es absorbiert (wandelt Lichtenergie in Wärme um), wird reflektiert oder wird hindurchgelassen. Jedoch ist das Licht, das die Schüler am besten kennen, weißes Licht, welches aus vielen Farben bzw. Wellenlängen besteht. Wenn weißes Licht auf ein Objekt trifft, absorbiert, reflektiert oder lässt das Objekt wahlweise gewisse Wellenlängen hindurch. Die Art, mit der das Licht mit einem Objekt interagiert, hängt von der Wellenlänge und von der Art der Atome im Objekt ab. Ein Material wird Lichtfrequenzen absorbieren, die mit der Frequenz übereinstimmen, zu der die Elektronen in den Atomen das Material zum Schwingen bringen. Da die verschiedenen Materialien aus Atomen bestehen, deren Elektronen zu unterschiedlichen Frequenzen in Schwingung versetzt werden, absorbieren die verschiedenen Materialien unterschiedliche Lichtfrequenzen. Dies räumt mit der Vorstellung auf, dass es von der Dicke eines Materials abhängt, ob Licht durch dieses verläuft oder nicht. Licht, das ein Material nicht absorbiert, wird entweder reflektiert oder durchgelassen (transmittiert). Die Weise, mittels der wir Farben sehen, ist größtenteils auf die Art zurückzuführen, wie Licht mit Materie interagiert. Die Farbe nie im Objekt, sondern nur im Licht, das darauf trifft und letztlich in unser Auge reflektiert wird. Die folgenden Schritte des Experimentes geben den Schülern ein intuitives Gefühl für dieses Phänomen und helfen, ihre Missverständnisse bezüglich Licht und Farbe zu beseitigen. Vorführung 1. Leuchten Sie mit der weißen LED in Richtung der Schüler und erinnern Sie sie daran, dass weißes Licht aus vielen ( allen ) Wellenlängen bzw. Lichtfrequenzen besteht. Erklären Sie, dass LED eine Lichtquelle ist und dass sie direkt das Licht sehen können, welches durch LED ausgestrahlt wird. 2. Fragen Sie, was passiert, wenn weißes Licht mit etwas interagiert. 3. Strahlen Sie vor den Schülern mit der LED auf ein weißes Papier und fragen Sie was passiert mit dem Licht? 4. Wiederholen Sie den Versuch mit Wachspapier und einer Klarsichtfolie. 5. Diskutieren Sie die Begriffe Transmission, Reflexion und Absorption.

12 Aufbau Teilen Sie die Klasse in 3 Gruppen auf und geben Sie jeder Gruppe ein Arbeitsblatt. Bauen Sie 3 Stationen auf jede Station beinhaltet eine Lichtquelle (einen grünen LASER Blox oder einen roten LASER Blox ODER eine weiße LED), ein einfaches, weißes Blatt Papier und 3 Gummibärchen (ein grünes, ein rotes und ein durchsichtiges). Beobachtung und Untersuchung 1. Erinnern Sie die Schüler an die Sicherheitsregeln für LASER. 2. Erklären Sie den Schülern, dass sie ihre Beobachtungen, wie verschiedene Lichtquellen mit unterschiedlichen Materialien interagieren mit 3 verschiedenfarbigen Gummibärchen aufschreiben sollen. 3. Fordern Sie die Schüler auf, das Licht von ihrer Lichtquelle auf ein Gummibärchen von jeder Farbe zu werfen und ihre Beobachtungen festzuhalten. Sie sollen vor allem darauf achten, wie und ob das Licht von den verschiedenen Gummibärchen hindurchgelassen, reflektiert oder absorbiert wurde. 4. Wenn alle Gruppen ihre Werte von allen drei Stationen aufgenommen haben, lassen Sie sie ihre Beobachtungen und Werte noch einmal betrachten und zu einer oder mehreren Schlussfolgerungen kommen, wie sich das Licht verhält. Nun sollen sie ihr(e) Ergebnis(se) auf dem Arbeitsblatt festhalten. Schlussbetrachtung und Diskussion Lassen Sie die Schüler ihre Beobachtungen zu folgenden Fragen austauschen: Haben sich alle Lichtquellen gleich verhalten? Wann habt ihr Absorption, Transmission und Reflexion beobachtet? Warum strahlt das grüne Licht nicht durch das rote Gummibärchen? Und warum strahlt das rote Laser-Licht nicht durch das grüne Gummibärchen? Warum wurde das weiße Licht rot, als es durch das rote Gummibärchen verlief und warum wurde es grün, als es durch das grüne Gummibärchen verlief? Die Schüler könnten annehmen, dass das Gummibärchen das weiße Licht färbt, wie man auch ein weißes Blatt Papier färben könnte. Erinnern Sie die Schüler daran, dass weißes Licht aus allen sichtbaren Wellenlängen gebildet wird. Helfen Sie ihnen, indem Sie eine Verbindung herstellen, dass das rote Gummibärchen wirklich nur den roten Wellenlängen erlaubt durch es hindurch zu verlaufen oder reflektiert zu werden alle anderen Wellenlängen (Farben) werden absorbiert (und wir können absorbiertes Licht nicht sehen). Demzufolge ist das einzige Licht, das durch das Gummibärchen verläuft, rot. (Die Schüler können deswegen auch verstehen, dass das rote Gummibärchen rot aussieht: wenn weißes Licht darauf trifft, können nur die roten Wellenlängen das Auge erreichen; alle anderen werden absorbiert). Das Gleiche gilt für die grünen Gummibärchen nur mit Grün anstelle von Rot. Die Schüler entdecken, dass der Strahl des roten LASER Blox durch das rote Gummibärchen dringt, aber nicht durch das grüne! Erinnern Sie sie daran, dass das grüne Gummibärchen nur grünes Licht hindurchlässt und andere Wellenlängen blockiert damit durchdringt das rote Laser-Licht nicht das grüne Gummibärchen.

13 Fünfte Lektion: LASER-Mikroskop Übernommen von Gorzad Planinsic, Water-Drop Projector Überblick Ein einfacher Aufbau verwandelt einen Tropfen Teichwasser in eine sphärische Linse, um die winzige Welt in seinem Inneren sichtbar zu machen. Die Wirkung ist spektakulär und verschafft eine faszinierende Einführung in Linsen und geometrische Optik. Zeit: Minuten Klassenstufen: (abhängig von den Mathe-Kenntnissen) Materialien Grüner LASER Blox Spritze Laborstativ Klebeband leere Wand Teich-, Fluss-, See-, Bach-, oder Meerwasser Eine ruhige Hand und etwas Geduld Ein winzig kleiner Tropfen Teichwasser plus ein LASER Blox-Strahl ergeben eine sphärische Linse mit starker Vergrößerung

14 Aufbau Um diese einfache, dennoch sehr beeindruckende Demonstration aufzubauen, füllen Sie Wasser von einem Teich oder Fluss in eine Spritze. Wenn Sie nahe einer Küste leben, nehmen Sie etwas Meerwasser. Wenn kein Teich, Fluss oder Meer in der Nähe ist, entnehmen Sie Wasser aus einem Tümpel oder einem anderen stehenden Gewässer, in dem wahrscheinlich einige winzige (0,2 0,5mm) Organismen leben. Füllen Sie das entnommene Wasser in die Spritze. Befestigen Sie die Spritze an ein Laborstativ, so dass sich ein Wassertropfen an der Spitze bildet. Positionieren Sie den Wassertropfen so, dass der Strahl eines grünen LASER Blox durch das Zentrum des Tropfens und senkrecht zur Wand verläuft. Ihr Aufbau sollte etwa zwei Meter von einer Leinwand oder einer einfachen, weißen Wand entfernt stehen, wo ein heller, grüner Punkt eine beeindruckende Palette von einzelligen Tieren, Larven, treibenden und schwimmende Flöhen abbildet. Dies ist normalerweise bereits faszinierend genug, um das Interesse der Schüler für die kraftvolle Optik zu wecken, die dieses beeindruckende Bild ermöglicht. Hintergrund und Diskussion Die rechte Abbildung zeigt den Strahlengang durch einen Wassertropfen, der von einer Spritze herunterhängt (wie im Aufbau beschrieben), hinein in die Linse und dann wieder heraus. Der Strahl, der durch das Zentrum verläuft, weicht nicht vom Weg ab alle anderen Strahlen krümmen sich hingegen zur Normalen, wenn sie von Luft, Brechnungsindex n1 in Wasser n2 übergehen. Für kleine Winkel, wie wir hier vorfinden, verwenden wir das Snellius sche Gesetz: n 1 sin 1 = n 2 sin 2 Wird n1 1 = n2 2, so wird die Abweichung von der Normalen auf einer Oberfläche wie folgt wiedergegen: Dies stellt eine allgemeine Formel dar, die für kleine Winkel benutzt wird und dafür geeignet ist, Strahlen zu verfolgen, die durch komplizierte Systeme verlaufen, welche, trotz unseres einfachen Aufbaus, hier vorliegen. Für dieses Beispiel ist die Abweichung, wenn der Strahl von der Luft in unseren Tropfen übergeht (die erste Oberfläche) wie folgt:

15 Am hinteren Bereich des Tropfens ist der Strahl 2r mal näher an der Achse - so erreicht er den hinteren Bereich bei einer Entfernung h Der Austrittswinkel des Strahles, wenn er den Tropfen verlässt, ist gleich dem Eintrittswinkel beim Eintreten in den Tropfen. Letztlich gilt - Jetzt, da dieses allgemeine Phänomen des Lichts, das durch eine sphärische Linse eine drastische Vergrößerung erzeugt, verstanden wurde, werden die Dinge bedeutend schwieriger und können deutlich die Möglichkeiten der Oberstufenschüler übersteigen. Die folgende Abbildung stellt ein einfaches Strahlendiagramm der Situation dar. Wenn Sie den mathematischen Sachverhalt hinter diesem Experiment untersuchen wollen, beziehen Sie sich bitte auf die hervorragende Ausarbeitung von Gorazd Planinsic, auf die am Anfang und am Ende dieser Lektion hingewiesen wurde. Übernommen von Gorzad Planinsic, Water-Drop Projector

16 Sechste Lektion: Reflektion und Brechung Überblick Reflektion und Brechung sind zwei der wichtigsten Grundeigenschaften des Lichts, die Schüler lernen. Lichtstrahlen und Linsen selbst auszuprobieren ermöglicht ihnen, diese Grundeigenschaften zu begreifen, bevor sie weiterführend zu komplizierteren Sachverhalten kommen. Zeit: Minuten Klassenstufen: 3-12 (abhängig von den Mathe-Kenntnissen) Materialien 1 Set von 3 Licht Blox mit Schlitzblenden darauf Roter und grüner Laser Blox (für ältere Schüler) Winkelmesser 1 Set Glaslinsen 3 Spiegel-Leisten mit Halterungen 3 Blätter Aluminiumfolie Brechung Aufbau Teilen Sie die Schüler in 3er-Gruppen auf und geben Sie jeder Gruppe einen Licht Blox, einen Winkelmesser, eine Spiegelleiste und ein Blatt Aluminiumfolie. Wenn Sie ältere Schülergruppen haben, nutzen Sie auch den Laser Blox. Erinnern Sie die Schüler daran, darauf zu achten, wo die reflektierten Strahlen hinzielen!!

17 Beobachtung und Untersuchung Fordern Sie die Schüler auf, mit der Licht Blox einen Strahl gegen den Spiegel zu werfen, um herauszufinden, wie Licht reflektiert wird. Lassen Sie sie den Winkel, von dem aus das Licht den Spiegel trifft, verstellen und fragen Sie: Was habt ihr über die Reflexion von Licht beobachten können? - Eine berechenbare, gerade Linie, die sich bewegt, wenn sich die Lichtquelle bewegt. - Vergewissern Sie sich, dass die Schüler zur Kenntnis nehmen, dass sich die Reflexion des Lichtes durch das Verstellen des Winkels und nicht der Entfernung verändert. Weiter fortgeschrittene Schüler können ihre Beobachtungen quantifizieren. Die Schüler sollen den Spiegel im Zentrum des Winkelmessers aufstellen, sodass der Spiegel parallel zur 90- Grad-Achse des Winkelmessers steht. Die Schüler richten den Lichtstrahl direkt aus einem Winkel von 30 Grad (zur Senkrechten) in das Zentrum des Spiegels und messen den Winkel zum reflektierten Strahl im Bezug zum Senkrechteinfall. Die Schüler sollen ihre Ergebnisse festhalten und das Experiment mit zwei weiteren Einfallswinkeln ihrer Wahl wiederholen. Führen Sie eine Gruppendiskussion über die Ergebnisse der Schüler. Die Schüler sollten bemerken, dass Einfallswinkel = Reflexionswinkel. Als Nächstes falten die Schüler die Aluminiumfolie sorgfältig zu einer eben, glänzenden Oberfläche zusammen. Sie wiederholen die oben beschriebenen Schritte genauso wie mit dem Spiegel. Die Schüler werden beobachten, dass die Folie mit dem Licht in gleicher Weise interagiert, wie mit dem Spiegel. Die Schüler sollen nun die Folie zu einem Ball zusammenknüllen und das Experiment wiederholen. Sie werden schnell bemerken, dass das Licht in alle Richtungen gestreut wird. Erläutern Sie, dass, wenn eine Oberfläche uneben ist wie bei der zusammengeknitterten Folie, das Licht trotzdem entsprechend den gleichen Regeln, die sie schon beobachtet haben, reflektiert wird: in einer geraden Linie mit Einfallswinkel = Reflexionswinkel. Jedoch treffen viele Strahlen auf viele Oberflächen, sodass die Strahlen gestreut werden, wenn sie die verschiedenen Flächen der zerknitterten Folie treffen. Nun können Sie erklären, dass Licht an allem, was wir sehen, abgelenkt wird. Es trifft an allem in geraden Linien auf. Alles, was wir sehen, ist Licht welches an Oberflächen reflektiert und in unsere Augen übertragen wird. Direkte Reflexion Diffuse Reflektion

18 Brechung Hintergrund und Diskussion Erklären Sie den Schülern, dass Licht, während es normalerweise nur in geraden Linien verläuft, gebrochen wird, wenn es von einem Medium (Luft) in ein anderes (Wasser) übergeht. Jüngeren Schüler wird es schon von Nutzen sein, selbst auszuprobieren und dieses Phänomen zu beobachten, wohingegen weiter fortgeschrittene Schüler lernen können, dass diese Brechung entsprechend dem Snellius sche Gesetz erfolgt n1sin 1=n2Sin 2 Hier ist n= Brechungsindex des Materials, durch welches das Licht verläuft. Und 1 ist der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen; und 2 ist der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und der Normalen.. Material n Luft 1,00029 Wasser 1,33 Glas 1,50 Benzin 1,31 Plastik 1,47-1,6 Diamant 2,5 Der Brechungsindex (n) hängt auch von der Wellenlänge ab. Diese Brechung erfolgt dadurch, dass das Licht, wenn es von Luft in ein anderes Medium (Waser, Glas, ) übergeht, langsamer wird. Die Veränderung der Geschwindigkeit verursacht die Richtungsänderung des Lichtes. Beobachtung und Untersuchung - Anfänger 1. Positionieren Sie die Schlitzblenden auf jeden der drei 3 Licht Blox, so dass sie je eine Linie projizieren. 2. Platzieren Sie die trapezförmige Linse etwa 5 cm vor einem einzigen Licht Blox, so dass der Strahl durch die Linse verläuft. 3. Beobachten Sie, dass das Licht abgelenkt wird, wenn es die Linse erreicht und es dann wieder abgelenkt wird, wenn es die Linse verlässt. Diese Ablenkung wird Brechung genannt. 4. Erklären Sie, dass das Licht die Richtung ändert, weil sich seine Geschwindigkeit ändert, wenn es von einem Material (Luft) in ein anderes (Glas) übergeht.

19 5. Als Nächstes stellen Sie drei Licht Blox so auf, dass sie 3 parallele Linien projizieren. 6. Erklären Sie den Schülern die Funktion einer Sammellinse (konvexe Linse), indem Sie sie etwa 5 cm vor den drei Licht Blox aufstellen und lassen Sie sie beobachten, dass die Linse das Licht zu einem Brennpunkt hin beugt. 7. Wiederholen Sie dies mit einer Zerstreuungslinse (konkaven Linse). Mehr über Linsen Linsen erlauben es uns, unsere Kenntnisse über Lichtbrechung zu nutzen. Die Schüler können beobachten, wie Licht durch eine konvexe oder konkave Linse verläuft, um es in einem Brennpunkt zu sammeln. Der Brennpunkt wird gemeinhin als der Ort verstanden, wo ein Abbild erzeugt wird. Wir nutzen alle Arten von Linsen, um Bilder darzustellen. Beispiele dafür sind: unsere Augen, eine Kamera, ein Mikroskop oder ein Teleskop. Linsen stellen eine gute Möglichkeit dar, um Licht zu kontrollieren und zu verstehen, so dass wir es uns zu Nutze machen können. Es gibt 4 Faktoren, die die Brennweite einer Linse bestimmen: 1. der Brechungsindex der Linse n lens 2. der Brechungsindex des Materials, welches die Linse umgibt n env 3. der Krümmungsradius der Frontfläche der Linse r 1 4. der Krümmungsradius der Rückfläche der Linse r 2 Mathematisch gesehen, kann die Brennweite einer Linse in Luft wie folgt berechnet werden, über die LINSENSCHLEIFERFORMEL 1/f =((nlens-nenv)/nenv)*(1/r1 1/r2) Beachten Sie: wenn es sich um eine konvexe Linse handelt, ist die Brennweite positiv und wenn es sich um eine konkave Linse handelt, ist die Brennweite negativ.

20 Zwischenstufe Beobachtung und Untersuchung 1. Erzeugen Sie zwei parallele Strahlen, indem Sie zwei Laser Blox verwenden, in denen Linsen, die eine Linie erzeugen, eingesetzt sind. 2. Platzieren Sie die Konvergenzlinse im zentrum des Winkelmessers, wie abgebildet mit 0 Grad als Normalwert. 3. Markieren Sie den Brennpunkt, an dem die beiden Strahlen zusammenlaufen. 4. Messen Sie den Abstand vom Zentrum der Linse bis zum Brennpunkt dies ist die Brennweite bzw. f in der Linsenschleiferformel. 5. Benutzen Sie diese Werte und die Werte für n aus der oben stehenden Tabelle für Glas und Luft, um die Gleichung nach r aufzulösen. Beachten Sie: da beide Oberflächen den gleichen Krümmungsradius haben, r1 = r2.

21 Nachgedacht Wenn du einen Fisch mithilfe eines Laserstrahls treffen möchtest, solltest du dann den Strahl über, unter oder direkt zum Fisch richten, um einen direkten Treffer zu erzielen? Blickrichtung Ziele den Laser entlang der Blickrichtung; der Laserstrahl wird zum Fisch hin gebrochen Ziele mit dem Speer unterhalb der Blickrichtung

22 Siebente Lektion: Farben Überblick Zwei einfache Unterrichtsaufgaben stellen den Schülern die Grundeigenschaften von Licht und Farbe vor. Sie sehen, dass weißes Licht aus vielen Farben besteht und wie verschiedene Farben sich vereinen, um weißes Licht zu erzeugen. Zeit: Minuten Klassenstufen: 3-6 Materialien Weißes LED-Licht 3 Licht Blox mit Schlitzblenden 10 Beugungsgitter Raumlicht Sonnenlicht Weißes Papier Buntstifte oder Textmarker Aufbau 1. Teilen Sie die Schüler in 5 Gruppen auf und geben Sie jeder Gruppe 2 Beugungsgitter, um sie gemeinsam zu nutzen. 2. Schalten Sie das weiße LED-Licht im vorderen Bereich des Zimmers an und richten Sie es in Richtung der Schüler. Beobachtung und Untersuchung 1. Fordern Sie die Schüler auf, der Reihe nach das LED-Licht durch das Beugungsgitter zu betrachten. Fragen Sie: Was seht ihr??? Helfen Sie ihnen, den Regenbogen an den Rändern des Beugungsgitters zu entdecken. 2. Lassen Sie die Schüler auf andere Lichtquellen im Raum schauen. Belehren Sie die Schüler, während dieser oder anderer Aufgaben nie direkt in die Sonne zu schauen. 3. Fragen Sie die Schüler, wie die Farben angeordnet sind? Welche Farbe befindet sich am nächsten an der Lichtquelle? Welche befindet sich am weitesten davon entfernt? Sind die Farben in der gleichen Reihenfolge angeordnet, egal in welches Licht sie schauen oder ändern die Farben ihre Position?

23 4. Beauftragen Sie die Schüler, ein Bild des Lichts und des Regenbogens zu zeichnen, welches sie sehen; mit den Farben in der korrekten Reihenfolge. 5. Als Nächstes bauen Sie den Licht Blox mit Schlitzblenden darauf im vorderen Bereich des Zimmers auf. 6. Schalten Sie den roten, grünen und blauen Licht Blox an und fordern Sie die Schüler auf, die Übung mit jeder Farbe zu wiederholen sie sollen das Licht durch die Beugungsgitter betrachten und festhalten, was sie beobachten. 7. Erklären Sie, dass farbiges LED-Licht nur eine Hand voll Farben beinhaltet kein vollständiges Spektrum, so dass sie schmale Streifen bestimmter Farben sehen sollten. Diskussion und Übergang zur nächsten Aufgabe Fragen Sie Woher kommen die Farben in einem Regenbogen? Erklären Sie die Farben waren schon da versteckt im weißen Licht und das Beugungsgitter hat sie in ihre eigenen Farben zerlegt. Regentropfen können ebenso das Sonnenlicht in viele Farben zerlegen, so dass wir einen Regenbogen sehen können. Diese Farben sind immer da, im Inneren des weißen Lichts, was wir die ganze Zeit sehen. Aber wir können die Farben nicht wirklich sehen, weil sie normalerweise miteinander vermischt sind, um uns das weiße Licht zu liefern, an das wir gewöhnt sind. Weißes Licht erzeugen 1. Entfernen Sie die Schlitzblenden von dem Licht Blox, so dass breite Streifen farbigen Lichts projiziert werden. 2. Stellen Sie den Licht Blox auf eine Bank oder einen Tisch, mit einer Leinwand oder einfachen Wand davor, so dass die Schüler das projizierte Licht sehen können. 3. Schalten Sie den roten und blauen Licht Blox an und lassen Sie die Schüler vorhersagen, welche Farbe sie sehen werden, wenn man beide Farben kombiniert. 4. Vermischen Sie den roten und blauen Licht Blox, um Pink bzw. Magentarot zu erzeugen. 5. Schalten sie den blauen und grünen Licht Blox an und lassen Sie die Schüler wieder vorhersagen, welche Farbe sie beim Kombinieren sehen werden. 6. Vermischen Sie Grün und Blau, um Blau bzw. Zyanblau zu erzeugen. 7. Schalten Sie den grünen und roten Licht Blox an und lassen Sie sie wieder vorhersagen, welche Farbe sie beim Vermischen sehen werden. 8. Kombinieren Sie den roten und grünen Licht Blox, um Gelb zu erzeugen. 9. Schalten Sie nun alle drei Licht Blox an und lassen Sie die Schüler ein letztes Mal vorhersagen, welche Farbe beim Vermischen entsteht. 10.Kombinieren Sie alle drei Licht Blox, um weißes Licht zu erzeugen.

24 Achte Lektion: Messen der Wellenlänge von LASER-Licht Überblick Die Schüler werden die Wellenlänge eines LASER Blox bestimmen, indem sie sechs Messwerten aufnehmen, was es ihnen ermöglicht, die Wellenlänge zu bestimmen. Type to enter text Zeit: Minuten Klassenstufen: 9-12 Materialien Roter Laser Blox Grüner Laser Blox 10 Beugungsgitter Leere Wand oder Leinwand Lineal/Messband Diskussion und Hintergrund Diffraktion ist ein Phänomen, das beschreibt, wie Licht gebeugt wird, wenn es durch sehr enge Öffnungen oder um ein sehr kleines Hindernis (wie ein Haar) verläuft. Betrachten Sie das rechts stehende Bild, welches die Diffraktion (Beugung) von Wellen um eine Ecke darstellt. Sich Licht als eine Welle vorzustellen, berücksichtigt, dass, wenn Licht durch ein sehr kleines Hindernis (z. B. ein Haar) verläuft, zwei verschiedene Wellenmuster gebildet werden. Diese Wellen interferieren miteinander, um entweder ihr Wellenmuster zu vergrößern (konstruktive Interferenz) oder dieses zu dämpfen (destruktive Interferenz). Zentrales Maximum Nebenminima Diffraktion von Wellen

25 Beobachtung und Untersuchung 1. Teilen Sie Beugungsgitter aus und gestatten Sie den Schülern, - das Spektrum zu beobachten, was sie sehen, wenn sie durch das Gitter in verschiedene Lichtquellen schauen. 2. Erklären Sie, dass das Gitter viele, viele (wir werden in Kürze sehen wie viele), winzige Kratzer hat, um die das Licht gebeugt wird, wenn es durch dieses verläuft. Wenn weißes Licht gebeugt wird, werden die darin enthaltenen Wellenlängen gebeugt, die dann miteinander interferieren und in ein Spektrum aufgespalten werden. 3. Was geschieht, wenn monochromatisches Licht (eine einzige Farbe/Wellenlänge) durch die sehr schmalen Öffnungen des Beugungsgitters tritt? Was würden die Schüler erwarten, wenn bei einer einzigen Wellenlänge Interferenz auftritt? Sie werden kein Farbspektrum sehen denn monochromatisches Licht besteht nicht aus mehreren Wellenlängen. 4. Stellen Sie einen roten Laser Blox auf eine stabile Oberfläche und leuchten Sie damit durch ein Beugungsgitter in Richtung einer leeren Wand. Befestigen Sie das Beugungsgitter vor dem Laser Blox. 5. Machen Sie das Gleiche mit einem grünen Laser Blox an einer anderen Wand. 6. Erklären Sie, dass das Muster, das die Schüler sehen, auf das Interferenzmuster der Lichtwelle zurückzuführen ist, wenn diese durch die Öffnungen verläuft. 7. Stellen Sie dem Schülern den mathematischen Sachverhalt vor, der dieses Phänomen beschreibt: λ = (X) (d)/ L; in dem d = der Abstand zwischen den Öffnungen (cm/linie), L = der Abstand vom Gitter zur Leinwand und X = der Abstand vom Maximum zum Maximum. 8. Teilen Sie die Klasse in zwei Gruppen auf, eine wird mit dem roten Laser Blox arbeiten und die andere mit dem grünen Laser Blox. 9. Geben Sie jeder Gruppe ein Arbeitsblatt. 10.Jede Schülergruppe soll die Linien/mm eintragen und diese in cm umrechnen, um die Spaltbreite zu bestimmen. 11. Die Schüler messen den Abstand zwischen dem Beugungsgitter und dem Bildschirm (L). 12. Als nächstes werden die Schüler den Abstand vom Punkt mit der maximalen Helligkeit zu einem angrenzenden Punkt mit maximaler Helligkeit messen (X). 13. Lassen Sie die Schüler diese Messungen aus drei verschiedenen Abständen, von der Leinwand bzw. Wand gesehen, durchführen und eintragen. 14. Vergleichen Sie die Ergebnisse des Schülerexperiments mit der wirklichen Wellenlänge des Laser Blox - 635nm für rot und 532nm für grün.

26 Arbeitsblatt für Schüler LASER FARBE: Beugungsgitter Linien/mm Spaltbreite (d) cm/linie Abstand vom Gitter zur Wand (L) in cm Abstand vom Maximum zum Maximum (X) Wähle 3 Abstände von der Wand, von denen aus du misst. Bestimmen der Wellenlänge eines Lasers Verwende die Werte X, d und L aus der oben stehenden Tabelle und die Doppelspalt-Formel λ = (X) (d)/ L, um die Wellenlänge des Lasers zu berechnen. Bilde den Durchschnitt deiner drei berechneten Werte und bestimme einen endgültigen Wert für die Wellenlänge. λ = (X) (d)/ L λ = (X) (d)/ L λ = (X) (d)/ L Durchschnittliche Wellenlänge Setze alle errechneten Daten in die Formel ein Endwert (cm) Endwert (µm)

27 Neunte Stunde: Messen der Breite eines menschlichen Haares mittels Laser-Diffraktion Überblick Die Schüler werden die Breite eines menschlichen Haares bestimmen, indem sie sich die Diffraktion und einen Laser Blox mit bekannter Wellenlänge zu Nutze machen. Zeit: 45 Minuten Klassenstufen: 9-12 Materialien Roter Laser Blox Grüner Laser Blox Klebeband Einfache Wand oder Leinwand Lineal/Messband Menschliches Haar Diskussion und Hintergrund Siehe vorangegangene Stunde für die Einführung zur Diffraktion. Laser-Diffraktion wird dazu verwendet, um sehr kleine Dinge zu messen wie zum Beispiel menschliches Haar! Während wir normalerweise an Diffraktion im Zusammenhang mit Licht denken, das durch sehr enge Spalten verläuft, entsteht Diffraktion auch so.

28 Beobachtung und Untersuchung 1. Teilen Sie die Klassen in zwei Gruppen auf 2. Geben Sie jeder Gruppe einen Laser Blox, ein Lineal oder Messband, ein weißes Blatt Papier und etwas Klebeband. 3. Jede Gruppe wählt eine Person, die eine Haarsträhne für die Messung spendet. Das Haar sollte mindestens 25cm lang sein. 4. Stellen Sie folgende Formel vor: Haarbreite = (Wellenlänge) (Abstand zur Wand) / Abstand zwischen den ersten dunklen Punkten 5. Befestigen Sie das Haar an dem LASER Blox, so dass das Haar die Strahlenöffnung durchquert (wie abgebildet). 6. Stellen Sie den Laser Blox auf einen Tisch oder eine andere Oberfläche, etwa 1m von einer einfachen Wand oder Leinwand entfernt. 7. Zeigen Sie den Schülern, wie man den Abstand zwischen den ersten beiden Bereichen destruktiver Interferenz auf beiden Seiten des zentralen Maximums misst (Abstand zwischen den ersten beiden dunklen Punkten). 8. Die Schüler sollen nun Messungen vornehmen und das Arbeitsblatt ausfüllen sowie die Haarbreite für mindestens 5 verschiedene Haarsträhnen berechnen. 9. Lassen Sie die Schüler die Durchschnittsbreite des menschlichen Haares berechnen. Dann sollen sie mithilfe des Internets die allgemein festgelegten Werte für die Breite des menschlichen Haares recherchieren und anschließend ihren Durchschnitt mit dem recherchierten vergleichen.

29 Arbeitsblatt für Schüler Messung # Wellenlänge des Laser Blox Entfernung zur Wand (W) Abstand zwischen den ersten 2 dunklen Punkten (D) Trage mindestens 5 Messsätze in die oben stehende Tabelle ein; berechne die Breite für jede Messung und trage diese in die unten stehende Tabelle ein. Messung Haarbreite = (Wellenlänge) (W) / D Berechne die durchschnittliche Haarbreite und trage diese ein. Ist dieser Wert vergleichbar mit dem allgemein anerkannten Wert für die Breite eines menschlichen Haares?

30 EPIC Adopt a Classroom Kit Die Partner von EPIC und Laser Classroom engagieren sich zur Verbreitung eines pädagogischen Licht-, Laser- und Optik-Bildungskit für Schüler in ganz Europa. Die Kits im Wert von 195 Euro werden von Unternehmen gesponsert und dann Lehrern zur Verfügung gestellt. Dabei arbeiten nationale Forschungseinrichtungen und Photonik - Cluster mit EPIC zusammen, um das Kit in andere Sprachen zu übersetzen und geeignete Lehrer zu gewinnen. Diese sollen das Kit motiviert in den Unterricht einbringen und Kinder so für Naturwissenschaft im Allgemeinen und Photonik im Speziellen begeistern. Lehrer müssen hierbei nicht für das Kit aufkommen; sie erhalten es unentgeltlich. Von den Lehrern wird erwartet, dass sie das Kit aktiv nutzen. Einmal im Jahr sind sie aufgefordert, EPIC zu berichten, wie viele Kinder das Kit verwendet haben und ein Bild als Nachweis der Verwendung in den Klassen einzusenden. Projektträger Die TSB Technologiestiftung Berlin steht für Innovation und Technologieentwicklung in der Hauptstadtregion. Schwerpunkte der Arbeit der Stiftung sind Strategieentwicklung, Bildung und Wissenschaftskommunikation. Kernaufgaben der TSB Innovationsagentur Berlin GmbH sind Clustermanagement, Vernetzung und Technologietransfer auf den Feldern Life Science & Gesundheit, Verkehr & Mobilität, Energietechnik, Optik & Mikrosystemtechnik, IKT sowie in weiteren technologieorientierten Industriesegmenten. Der Bereich Optik & Mikrosystemtechnik in der TSB Innovationsagentur Berlin unterstützt das Management des Clusters Optik in der Hauptstadtregion und koordiniert das Handlungsfeld Lasertechnik. Er betreut Netzwerke und Verbundprojekte für Forschungsinstitute und Unternehmen der Region Berlin Brandenburg und unterstützt bei Kooperationssuche und Finanzierung. Darüber hinaus ist er ideeller Träger der internationalen Kongressmessen Laser Optics Berlin und microsys Berlin. Das Fraunhofer IWS Dresden betreibt anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung in den Bereichen Laser- und Oberflächentechnologie. Es steht für Innovationen in den Geschäftsfeldern Fügen, Trennen sowie Oberflächentechnik und Beschichtung. Die Besonderheit des Fraunhofer IWS liegt in der Kombination eines umfangreichen werkstofftechnischen Know-hows mit weitreichenden Erfahrungen in der Entwicklung von Technologien und Systemtechnik. Zahlreiche Lösungen im Bereich der Lasermaterialbearbeitung und Schichttechnik finden jedes Jahr Eingang in die industrielle Fertigung.

31 EPIC ist das European Photonics Industry Consortium, ein mitgliedsorientierter, gemeinnütziger Industrieverband, der die nachhaltige Entwicklung von Organisationen, die im Bereich der Photonik arbeiten, fördert. Unsere Mitglieder decken die gesamte Wertschöpfungskette von LED-Beleuchtung, PV Solarenergie, Silizium-Photonik, Optische Komponenten, Laser, Sensoren, Displays, Projektoren, Glasfaser und andere photonische Technologien ab. Wir fördern ein lebendiges Photonik-Ökosystem durch die Aufrechterhaltung eines starken Netzwerkes und als Katalysator und Vermittler technologischer und kommerzieller Weiterentwicklung. EPIC arbeitet eng mit verwandten Branchen, Universitäten und Behörden zusammen, um einen wettbewerbsfähigeren Photonik-Industrie-Sektor aufzubauen, der sowohl zu wirtschaftlichem als auch zu technologischem Wachstum in einem hart umkämpften weltweiten Markt in der Lage ist.