LICHT U. SEHEN SCHATTEN STRAHLENMODELL BRECHUNG U. REFLEXION

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1 FAKULTÄT FÜR PHYSIK Arbeitsgruppe Didaktik der Physik LICHT U. SEHEN SCHATTEN STRAHLENMODELL BRECHUNG U. REFLEXION Gruppe 1: Licht und Sehen Schülerinnen und Schüler haben noch keine ausgeprägte Vorstellung davon, dass Licht sich in Raum und Zeit ausbreitet. Die Versuche 1.1 und 1.2 sollen helfen, diese Vorstellung auszubilden. 1.1 Ein gebündelter Lichtstrahl kommt von einer Reuterlampe und trifft auf die Leinwand. Wie entsteht der Lichtfleck auf der Leinwand? Kommt Licht nur einmal auf die Leinwand oder strömt es ständig nach? Demonstrieren Sie wie Sie diese Anordnung nutzen können um verständlich zu machen, dass sich Licht in Raum und Zeit ausbreitet. Sie können dazu auch noch eine Lichtmühle verwenden (geht aber auch ohne!). 1.2 Die Leinwand wird nun mit einer 500-Watt Baulampe beleuchtet. Bleibt das Licht auf der Leinwand sitzen oder wird es zurückgeworfen? Klären Sie diese Frage mit Hilfe der Lichtmühle! Zum Sehprozess gibt es eine Reihe von Schülervorstellungen, die nicht mit dem fachichwissenschaftlichen Konzepten übereinstimmen. Die nachfolgenden Versuche sollen dazu beitragen, dass die Schüler/innen die korrekte Sichtweise entwickeln. 1.3 Demonstrieren Sie in einfachen Versuchen, dass Licht an sich nicht sichtbar ist, sondern, dass wir Licht nur dann sehen, wenn es von einem selbstleuchtenden oder von einem streuenden Körper ausgehend in unser Auge fällt! 1.4 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. Erläutern Sie, wie man an Hand dieses Versuchs darauf hinführen kann, dass wir nur Gegenstände sehen, die Licht aussenden das in unser Auge trifft. Aufgabe für alle zur schriftlichen Bearbeitung im Lerntagebuch: Erstellen Sie in Ihrem Lerntagebuch eine Tafelskizze die erklärt, wann wir einen Gegenstand sehen! Seite 1 von 6

2 Seite 2 von 6 Gruppe 2: Das Strahlenmodell des Lichts Das Strahlenmodell des Lichts besagt, dass Licht sich geradlinig, von der Quelle weg strahlenförmig ausbreitet. Das Strahlenmodell wird u. A. dadurch bestätigt, dass es korrekte Voraussagen über den Verlauf von Prozessen (z.b. bei der Entstehung von Schattenrändern) in der geom. Optik zu treffen. Außerdem ist die Strahlenvorstellung ein unverzichtbares Hilfsmittel bei der Darstellung der geometrischen Optik. Die Modellvorstellung der strahlenförmigen Lichtausbreitung müssen Schüler erst entwickeln. Dabei sollen die nachfolgenden Versuche unterstützen. 2.1 Demonstrieren Sie den abgebildeten Versuch, der die bei den Schüler/innen den Aufbau der Vorstellung von der geradlinigen Ausbreitung des Lichts unterstützen kann (Veranschaulichung der Vorstellung vom Lichtstrahl)! Demonstrieren Sie, wie mit Hilfe einer Lichtquelle und geeigneter Blenden auf die Vorstellung vom Lichtstrahl hinführen können! Lichtstrahlen gibt es nur in unserer gedanklichen Vorstellung (ikonisches Modell 1. Art: Idealisierung von etwas real Beobachtbaren). Diskutieren und erläutern Sie diese Begriffsbildung. 2.2 Betrachten Sie das Schattenbild einer Streichholzschachtel oder eines anderen Gegenstandes auf einem Schirm! Verwenden Sie als Lichtquelle einmal eine Kerze und einmal ein Glühlämpchen! Welchen Unterschied erkennen Sie? Begründen Sie Ihre Beobachtung! 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! Hinweis: Sie können die Ausdehnung der Lichtquelle Glühlämpchen vergrößern, (a) indem Sie ein kegelförmiges Pergamenttütchen über das Lämpchen stülpen!, (b) indem Sie eine Leuchtstoffröhre als Lichtquelle verwenden und diese einmal horizontal und dann vertikal aufstellen. Erläutern Sie, wie die vorangegangenen Versuche zur Festigung/Vertiefung der Einsicht, dass Licht sich geradlinig ausbreitet beitragen können! Stärker in der Fachsprache ausgedrückt: Erläutern Sie, warum die vorangegangenen Versuche die Richtigkeit des Strahlenmodells bestätigen! 2.3 Erzeugung von Parallellichtbündeln Lichtstrahlen gibt es nur in unserer gedanklichen Vorstellung. In der Realität gibt es nur Lichtbündel. Die Herstellung von Parallellichtbündeln ist eine experimentelle Herausforderung. Bringen Sie die Wendel einer Glühbirne in den Brennpunkt einer Sammellinse. Prüfen Sie, wie parallel das erzeugte Bündel ist! Bilden Sie nun die Glühwendel mittels einer Sammellinse (Kondensor) auf eine Lochblende ab, die selbst in der Brennebene einer zweiten Sammellinse steht. Prüfen Sie, wie parallel das jetzt erzeugte Bündel ist! Begründen Sie die unterschiedlichen Beobachtungen in den beiden vorangegangenen Versuchen mit Hilfe der Vorstellung von der geradlinigen Ausbreitung des Lichts! Unterstützen Sie Ihre Argumentation durch eine geeignete Skizze! 2.4 Lochkamera Führen Sie die Lochkamera als einfachstes Modell des Auges vor (Lochblende und Schirm)! Demonstrieren Sie den Einfluss der Blendenöffnung auf die Bildhelligkeit und die Bildschärfe! Erweitern Sie das Augenmodell so, dass auch bei großer Blendenöffnung scharfe Bilder entstehen! FAKULTÄT FÜR PHYSIK AG FACHDIDAKTIK PHYSIK J.R.

3 Seite 3 von 6 Gruppe 3: Licht und Schatten im Weltraum 3.1 Schülervorstellungen zur Bewegung von Sonne, Mond und Erde Sonne, Mond und Erde tun etwas im Weltraum. Welche der folgenden Möglichkeiten sind Ihrer Meinung nach zutreffend? Kreuzen Sie diese an! Sonne und Mond entfernen sich abwechselnd von der Erde und kommen ihr wieder näher. Sonne und Mond stehen still, aber die Erde dreht sich um sich selbst. Sonne und Mond kreisen um die Erde. Der Mond kreist um die Erde und beide zusammen um die Sonne. Erde und Mond umkreisen die Sonne. 3.2 Entstehung von Tag und Nacht und Entstehung der Jahreszeiten Von der Sonne wird immer nur ein Hälfte der Erde beschienen. Die andere Hälfte liegt im Schatten der Erdkugel. Die Erde dreht sich um ihre gedachte Achse. Dadurch sind wir abwechselnd im beleuchteten und im unbeleuchteten Bereich. Demonstrieren Sie mit einem Overheadprojektor als Lichtquelle (Sonne) und einem Globus die Entstehung von Tag und Nacht! Die Umdrehung der Erde um die eigene Achse dauert immer 24 Stunden. Demonstrieren Sie, warum dennoch nicht alle Tage und Nächte gleich lang sind? Hinweis: Die Ursache dafür ist, dass die Erde eine weitere Bewegung ausführt: Die Erde kreist einmal im Jahr um die Sonne. In dieser Zeit dreht sich die Erde 365 mal um ihre (gedachte) Achse. FAKULTÄT FÜR PHYSIK AG FACHDIDAKTIK PHYSIK J.R.

4 Seite 4 von 6 Die Achse steht schräg zu der Ebene, in der sich die Erde um die Sonne bewegt. Sie zeigt dabei immer in die gleiche Richtung, nämlich zum Polarstern. 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! 3.3 Die wechselnde Gestalt des Mondes Auch der Mond hat die Gestalt einer 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. Daher ändert sich ständig die Richtung, aus der wir auf den Mond blicken. Von der beleuchteten Mondhälfte sehen wir unterschiedliche Teile. FAKULTÄT FÜR PHYSIK FACHDIDAKTIK PHYSIK J.R.

5 Seite 5 von 6 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! 3.4 Sonnenfinsternis und Mondfinsternis Demonstrieren Sie mit dem nachfolgend abgebildeten (oder einem ähnlichen) Versuch die Entstehen einer Mond- und einer Sonnenfinsternis! Zeichnen Sie dazu jeweils ein erklärendes Bild! Suchen Sie im Internet nach geeigneten Simulationsprogrammen zu den oben dargestellten Sachverhalten! Gruppe 4: Durch Brechung entstehende virtuelle Bilder 4.1 Führen Sie in Freihandversuchen mindestens zwei Phänomene vor, die auf Brechung beruhen und zur Motivation für die Behandlung der Brechung im Unterricht eingesetzt werden können! Hinweis: Die Brechung des Lichts ist bei der Demonstration derartiger Phänomene nicht offensichtlich! 4.2 Führen Sie nun den Versuch vor, bei dem eine Münze, die zunächst nicht sichtbar in einem Wasserglas liegt, nach dem Eingießen von Wasser sichtbar wird. Welche Kenntnisse über den Sehprozess helfen zu vermuten, dass Licht beim Übergang von Wasser in Luft seine Ausbreitungsrichtung ändert? Erläutern Sie Ihre Überlegungen mit Hilfe einer Skizze! FAKULTÄT FÜR PHYSIK FACHDIDAKTIK PHYSIK J.R.

6 Seite 6 von Noch einen Versuch, der einen Hinweis auf die Brechung des Lichts liefert: Führen Sie den abgebildeten Versuch vor und erläutern sie, wie er genutzt werden kann um auf die Hypothese, dass Licht beim Übergang von Luft in Wasser seine Ausbreitungsrichtung ändert, zu führen! 4.4 Erklären Sie anhand einer sauberen Zeichnung, wie man mit Hilfe des Brechungsgesetzes und mit Hilfe der Modellvorstellung von der strahlenförmigen Ausbreitung des Lichts die optische Hebung erklären kann! Beachten Sie dabei insbesondere, dass wir einen Gegenstandspunkt nur dann sehen, wenn ein von ihm ausgehendes Lichtbündel (ein Strahl reicht nicht, weil er unendlich dünn ist und keine Energie transportiert) in unser Auge triff! Die schriftliche Bearbeitung dieser Aufgabe im Lerntagebuch ist Pflicht für alle! Gruppe 5: Brechung, Reflexion und Totalreflexion 5.1 Demonstrieren Sie in einem Freihandversuch die Brechung, die Reflexion und die Totalreflexion von Licht mit Hilfe eines Laserpointers! Sie können diesen Versuch mit Hilfe einer geeigneten Lampe auch an der optischen Wandtafel durchführen. 5.2 Demonstrieren Sie mit dem in der Sammlung dafür vorhandenen Gerät, dass Licht beim Übergang von Wasser in Luft gebrochen wird. Zeigen Sie auch die Totalreflexion! 5.3 Realisieren Sie einen Versuch zur Demonstration der Totalreflexion in einem Wasserstrahl! 5.4 Führen Sie den abgebildeten Versuch vor und begründen Sie, warum man mit Wasser die Münze nicht sieht! FAKULTÄT FÜR PHYSIK FACHDIDAKTIK PHYSIK J.R.

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