Didaktik der Physik Angewandte Fachdidaktik II Leitung: Dr. S. M. Weber Referent: Johannes D. Faßold. Lichtbrechung

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Volker Hansl Egger
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1 Didaktik der Physik Angewandte Fachdidaktik II Leitung: Dr. S. M. Weber Referent: Johannes D. Faßold Lichtbrechung 1. Beschreiben Sie drei verschiedene alltägliche Erscheinungen, bei denen die Lichtbrechung eine Rolle spielt! 2. Stellen Sie ein Motivationsexperiment zur Lichtbrechung dar! 3. Skizzieren Sie eine Unterrichtseinheit zur Einführung des Lerninhalts "Lichtbrechung"! Gehen Sie auf notwendige Lernvoraussetzungen ein! Formulieren Sie Lernziele und geben Sie schülergerecht abgefasste Ergebnisse an! 4. a. Beschreiben Sie, wie sich Bildgröße und Bildweite ändern, wenn man einen Gegenstand aus dem Unendlichen an eine Sammellinse heranbringt! b. Ermitteln Sie durch Konstruktion (Skizze) das Bild eines Gegenstands bei Verwendung einer Lupe! Ausarbeitung: 1) Beschreiben Sie drei verschiedene alltägliche Erscheinungen, bei denen die Lichtbrechung eine Rolle spielt! - Sehen eines Gegenstandes (z.b. einen Löffeln in der Suppe) unter Wasser von außen. Der Löffel erscheint geknickt. - Blick durch eine alte nicht mehr planparallele, sondern schon unregelmäßige Glasscheibe (z.b. vom Zimmer ins Freie). Bei Veränderung der Position der Augen hinter der Scheibe, verändert sich das Äußere scheinbar. - Datenübertragung (Glasfaserkabel); finden auch Anwendung bei Dekorationssträußen aus Lichtleitern. Das Licht wird an der Wand des Lichtleiters immer wieder reflektiert und läuft so durch den Leiter. Bei dieser Anwendung ist es notwendig, daß der Winkel, mit dem das Licht auf die Wand auftrifft so groß ist, daß Totalreflexion auftritt. Austritt des Lichts aus dem Leiter ist nicht erwünscht.

2 2) Stellen Sie ein Motivationsexperiment zur Lichtbrechung dar! Problem von Indianer und Fisch Ein Schüler soll durch ein Rohr einen unter Wasser liegenden Gegenstand anpeilen Nach der Anpeilung des Gegenstandes wird das Rohr fixiert und ein Draht durch das Rohr zum Gegenstand gesteckt. Der Draht verfehlt den Gegenstand unter Wasser. 3) Skizzieren Sie eine Unterrichtseinheit zur Einführung des Lerninhalts "Lichtbrechung"! Gehen Sie auf notwendige Lernvoraussetzungen ein! Formulieren Sie Lernziele und geben Sie schülergerecht abgefasste Ergebnisse an! Lernvoraussetzungen: - Kenntnis des Modells der Geometrischen Optik und der damit verbundenen Vereinfachungen, Annahmen und Näherungen: geradlinige Ausbreitung des Lichtes entlang eines (gedachten) Strahls in einem Medium Umkehrbarkeit des Strahlengangs Vernachlässigung von Beugung, Interferenz und Polarisationserscheinungen Vernachlässigung der Wellen- und Teicheneigenschaften des Lichtes - Fähigkeit, Trigonometrie (sin) anzuwenden.

3 Lernziele: Grobziel: Kenntnis des Phänomens der Lichtbrechung Feinziele: FZ 1 FZ 2 FZ 3 FZ 4 Lichtstrahlen ändern ihre Ausbreitungsrichtung beim Übergang zwischen Luft und Wasser. Ein Körper (Plastikfisch, Bleistift,...) erscheint an einem anderen Ort, als er sich tatsächlich befindet, wenn er sich innerhalb eines Medium befindet, daß eine höhere optische Dichte hat (Wasser), als das Medium in dem sich der Beobachter aufhält (Luft). Kenntnis des Begriffs der Lichtbrechung Kenntnis, daß die Augen durch Brechung getäuscht werden. Problemfrage Meinungsbildung Artikulatoinsstufe Motivation Versuchsplanung Lehrertätigkeit Schülertätigkeit Feinziele Sozialform / Lehrform Fragt Schüler, ob sich ein Ein Freiwilliger kommt nach Demonstra- Freiwilliger findet, der einen vorne, peilt den Fisch an und tions- Plastikfisch unter Wasser fixiert das Rohr, wenn er den experiment durch ein Peilrohr anpeilen Fisch sieht (durchgeführ kann. Antwort: Ja. t von einem Frage: Treffe ich den Fisch, Schüler steckt den Draht Schüler) wenn ich jetzt einen starren durch und verfehlt den Fisch. Draht durch das Rohr stecke? Warum verfehlt der Draht den Fisch, obwohl das Rohr doch scheinbar auf den Fisch genau ausgerichtet ist? Was heißt anders? Wie können wir das Verhalten von Licht unter Wasser untersuchen? Schüler diskutieren untereinander Aussagen: - Das Licht breitet sich unter Wasser anders aus. - Der Fisch erscheit vom Rand des Beckens weiter entfernt als er wirklich ist. (s. Skizze in Aufg. 2) Schüler diskutieren untereinander. Wir können einen Gegenstand erst an Luft und dann an Wasser betrachten. Wenn wir unseren Standpunkt nicht verändern, müsste sich der Gegenstand scheinbar verschieben. erörternd fragend - erörternd Was passiert mit dem Licht, wenn sich der Gegenstand Die Ausbreitungsrichtung des Lichtes ändert sich.

4 Versuchsdurchführung Versuchsauswertung scheinbar verschiebt? Lehrer beobachtet die experimentierenden Schüler und steht für Fragen zur Verfügung Welche Aussage können wir nach dem Versuch treffen? Die Abweichung von der geraden Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahles beim Übergang von einem durchsichtigen Stoff (Luft) in einen anderen nennt man Lichtbrechung. Jeweils zwei Schüler erhalten eine volle und eine leere Schüssel Wasser. In die leere Schüssel wird ein Geldstück gelegt. Ein Schüler schaut so auf die Schüssel, daß er das Geldstück gerade nicht mehr sieht. Nun füllt der andere Schüler Wasser in die Schüssel. Das Geldstück wird sichtbar. Die Rollen werden getauscht und der Versuch wiederholt. Anschließend leuchtet ein Schüler vom ehem. Beobachtungspunkt aus mit einem Laserpointer auf das unter Wasser liegende Geldstück. Der andere Schüler zeichnet qualitativ den Strahlengang. Die Rollen werden getauscht und der Versuch wiederholt. - Ein Körper erscheint unter Wasser an einem anderen Ort, als er wirklich ist. - Unsere Augen werden getäuscht. Erarbeitung von FZ 1 Erarbeitung von FZ 2, 3, 4 Schülerexperiment in Gruppen UR Gesprächt entwickelnd Lernzielsicherung Lernzielkontrolle TA1 Einführung Lichtbrechung Inhalt: erarbeitete Erkenntnisse Lehrer zeigt eine 2cm dicke Glasplatte und fragt, wie man den Bleistift sehen würde, wenn man ihn zur Hälfte direkt hinter diese Glasplatte halten würde. Als Hausaufgabe: Zeichnung eines Bleistiftest der zum Teil durch eine 2cm dicke Glasplatte gesehen wird. (kleine Glasplatten werden an Schüler ausgeteilt) Der Bleistift müsste sich so ähnlich wie bei Wasser abknicken. Die Augen werden getäuscht. Sicherung von FZ 1,2, 3, 4 Kontrolle von FZ 1,2, 3, 4 darbietend erörternd

5 TA 1 Lichtbrechung Die Abweichung von der geraden Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahles beim Übergang von einem durchsichtigen Stoff (z.b. Luft) in einen anderen (z.b. Wasser oder Glas) nennt man Lichtbrechung. Ein Körper (z.b. ein Plastikfisch oder ein Bleistift) erscheint deshalb beim Betrachten durch Wasser oder Glas an einem anderen Ort, als er sich wirklich befindet. Man muß dabei auch immer bedenken, daß unsere Augen getäuscht werden. 4) a) Beschreiben Sie, wie sich Bildgröße und Bildweite ändern, wenn man einen Gegenstand aus dem Unendlichen an eine Sammelline heranbringt! Wenn ein Körper sich im unendlichen Abstand vor einer Sammellinse befindet (z.b. die Sonne) sind die auf die Linse auftreffenden Strahlen praktisch parallel. Für diesen Sonderfall gilt, daß die Bildweite gleich der Brennweite ist. Wenn der Gegenstand aus dem unendlichen bis zum Brennpunkt der Linse rückt, rückt das umgekehrte reelle Bild vom Brennpunkt auf der anderen Seite der Linse ins Unendliche und wird dabei immer größer. Ist die Gegenstandsweite dann zwischen unendlicher und doppelter Brennweite, so wandert die Bildweite von der Brennweite bis zum Abstand zwei mal der Brennweite. In diesem Bereich hat man ein reelles, umgekehrtes verkleinertes Bild. Wenn Gegenstandsweite g gleich zwei mal der Brennweite f ist, dann ist die Bildweite b auch gleich zwei mal der Brennweite. Nur für diesen Fall ist das abgebildete Bild genauso groß wie das aufgenommene Bild. Wenn die Gegenstandsweite g gleich der Brennweite f ist, so ist die Bildweite b unendlich groß und das Bild somit im Unendlichen (z.b. bei Autoscheinwerfern) Wenn nun die Gegenstandsweite g kleiner als die Brennweite ist, so ergibt das ein negative Bildweite -b. Das ist dann ein virtuelles, aufrechtes, vergrößertes Bild vor der Linse.

6 aus Hammer-Himpsel, Physik für Realschulen, R. Oldenbourg Verlag München 1974

7 b) Ermitteln Sie durch Konstruktion (Skizze) das Bild eines Gegenstands bei Verwendung einer Lupe g Gegenstandsweite [m] b Bildweite f Brennweite F Brennpunkt G Gegenstandsgröße B Bildgröße Literatur: - Hammer-Himpsel, Physik für Realschulen, R. Oldenbourg Verlag München Stöcker, Taschenbuch der Physik, 4. Auflage, Verlag Harri Deutsch Frankfurt am Main 2000

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