Demonstrationsexperimente WS 2006/07. Brechung und Totalreflexion. Fröhlich Klaus

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1 Demonstrationsexperimente WS 2006/07 Brechung und Totalreflexion Fröhlich Klaus

2 Inhalt 1. Versuchsbeschreibung Versuchsaufbau (Optische Scheibe) Versuchsvorbereitung Geräteliste Versuchsdurchführung Versuchsaufbau (Lichtleiter) Lernvoraussetzungen Lernziele Grobziele Feinziele Bezug zur übergeordneten Unterrichtseinheit Experimentelle Alternativen Einsatz als Schülerexperiment Unterrichtsverfahren Sozialform Lehr- und Lernform Motivationssituation oder Einstiegssituation Lernzielsicherung Lernzielkontrolle:... 14

3 1. Versuchsbeschreibung 1.1 Versuchsaufbau (Optische Scheibe) Auf den Standfüßen wird mittels Halter eine Stativstange montiert und darauf eine Experimentierleuchte mit Fünfkantprofilen befestigt. Auf die Lampe werden eine Sammellinse, die den Lichtstrahl kollimiert (Kollimator), und ein Blendenhalter aufgesteckt. In den Blendenhalter wird eine Blende mit einem Schlitz (0,5mm) geschoben, so dass der Schlitz waagrecht ist. Auf einem weiteren Reiter wird eine Stativstange montiert und darauf per Schraubenklemme eine Optische Scheibe befestigt, so dass man sie drehen kann. Mit Hilfe zweier Klemmbügel kann ein Halbkreiskörper aus Plexiglas oder Glas so auf die Optische Scheibe geklemmt werden, dass seine plane Seite mit der Durchmesserlinie der Optischen Scheibe zusammenfällt und der Mittelpunkt des Halbkreises auf dem Mittelpunkt der Optischen Scheibe liegt. Es ist zu empfehlen 2 Klemmbügel zu nutzen, um den Halbkreiskörper sicher in seiner Position zu halten. Die Lampe kann nun an die Stromversorgung (hier: 6V) angeschlossen werden. Die Lampe mit der Schlitzblende ist so zu justieren, dass das parallele Lichtbündel die optische Scheibe lediglich am Rand beleuchtet. Die Höhe der Leuchte ist so zu wählen, dass das Licht parallel zu der Flächennormale der planen Seite des Pleixglaskörpers verläuft.

4 1.1.1 Versuchsvorbereitung Damit die Lichtstrahlen auf der Optischen Scheibe gut sichtbar sind, muss man den Raum abdunkeln. Auch kann als Lichtquelle ein Laser oder eine Halogenlampe dienen, da hier die Lichtintensität höher liegt. Die Spannungsversorgung wird eingeschaltet (Beachte: max. Spannung der Glühbirne). Wenn der Strahl nicht gut genug kollimiert (d. h. nicht parallel und daher nicht scharf genug ist), muss man die Glühwendel im Gehäuse verschieben bis der Strahl kollimiert, da zur Durchführung des Versuchs paralleles Licht benötigt wird. (Versuch auch mit Laser möglich, aber nur bedingt empfehlenswert als Schülerversuch aufgrund ungewollter Reflexionen) Geräteliste Standfuß Stahlschiene Halter für Stahlschienen Reiter für Fünfkantprofil Einfachkondensor, f=200mm Blende mit einem Schlitz Blendenhalter Optische Scheibe Modellkörper Experimentierleuchte (hier von Phywe Experimentierleuchte 2) Energieversorgung 6V

5 1.1.3 Versuchsdurchführung Quelle: Physik2,Bayrischer Schulbuchverlang, 1988 Die Optische Scheibe wird so gedreht, dass der Lichtstrahl genau auf die Mitte der planen Fläche des Halbkreiskörpers trifft. Die Richtung des Lichtstrahls verändert sich beim Austritt aus dem Körper nicht, da er stets senkrecht darauf trifft.

6 X 1 α β X 2 Quelle: Physik2,Bayrischer Schulbuchverlang, 1988 Die Optische Scheibe wird im Uhrzeigersinn gedreht, so dass der Lichtstrahl schräg auf die plane Fläche des Halbkreiskörpers trifft. Beim Übergang vom optisch dünneren Medium (Luft) ins optisch dichtere Medium (Glas) wird ein Teil des einfallenden Lichtstrahls nach dem Reflexionsgesetz reflektiert, der Rest zum Lot hin gebrochen. Der Einfallswinkel α ist größer als der Brechungswinkel β. Und damit auch der horizontale Abstand x 1 und x 2 vom Lot zum Austrittspunkt des Lichts aus der optischen Scheibe. x1 x2 sin und sin r r r Kreisradius Damit gilt: damit : sin sin x1 x2 n n Glas Luft n Glas const. Die Strecken werden mit einem Zollstock gemessen oder mittels eines Zirkels übertragen und dann gemessen. da n Luft 1

7 X 1 α β X 2 Quelle: Physik2,Bayrischer Schulbuchverlang, 1988 Die Optische Scheibe wird weiter im Uhrzeigersinn gedreht, so dass der Lichtstrahl schräg auf die runde Fläche des Halbkreiskörpers trifft. Beim Übergang vom optisch dichteren Medium (Glas) ins optisch dünnere Medium (Luft) wird ein Teil des einfallenden Lichtstrahls nach dem Reflexionsgesetz reflektiert, der Rest vom Lot weg gebrochen. Der Einfallswinkel α ist kleiner als der Brechungswinkel β. Der Lichtweg ist also umkehrbar. Quelle:Physik2,Bayrischer Schulbuchverlang, 1988

8 Wenn man die Optische Scheibe noch mehr im Uhrzeigersinn dreht, wird ab einem bestimmten Einfallswinkel - dem so genannten Grenzwinkel α G - das Licht nicht mehr gebrochen. Der Brechungswinkel beträgt dann 90 - bei Glas 42 Einfallswinkel(2). Mit zunehmendem Einfallswinkel nimmt die Intensität des reflektierten Strahls zu und die des gebrochenen ab. Der Grenzwinkel bzw. die Brecheigenschaften sind vom optischen Medium abhängig (siehe unten). Bei weiterer Vergrößerung des Einfallswinkels wirkt die Grenzfläche zwischen Luft und Glas wie ein Spiegel und es tritt Totalreflexion auf (3). Totalreflexion gibt es nur beim Übergang vom optisch dichteren (Glas) ins optisch dünnere Medium (Luft). α β 1.2 Versuchsaufbau (Lichtleiter) Phywe Schriftenreihe, A/B Optik, Industrie Druck GmbH Verlag, O 4.10

9 Der Aufbau entspricht dem oberen, nur dass in den Lichtstrahl ein Glasstab statt der optischen Scheibe eingesetzt wird. Der Raum ist auch hier zur besseren Beobachtung abzudunkeln. Die Experimentierlampe ist auf maximale Ausleuchtung der Stirnfläche des Stabes einzustellen. Das Ergebnis ist die zu beobachtende Lichtleitung innerhalb des Stabes durch mehrfache Totalreflektion an den Grenzflächen, so dass das Licht erst aus dem Ende des gewundenen Stabes wieder austritt. Phywe Schriftenreihe, A/B Optik, Industrie Druck GmbH Verlag, O Lernvoraussetzungen Kenntnis des Modells des Lichtstrahls Wissen, dass Licht sich geradlinig ausbreitet Kenntnis des Reflexiongesetzes Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß Einfallender Strahl, Lot und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene 3. Lernziele 3.1 Grobziele Die Schüler sollen den Begriff Brechungsindex lernen Die Schüler sollen erkennen das Licht an der Grenze zweier Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex gebrochen wird

10 Die Schüler sollen das nicht trigonometrische Gesetzes von Snellius kennen x1 und anwenden lernen: n x Feinziele Die Schüler sollen den Begriff der Brechung kennen und verwenden lernen Die Schüler sollen den Effekt der Lichtbrechung am Versuch beschreiben können Die Schüler sollen den Brechungsindex als Unterscheidungsmerkmal für diverse optische Medien kennen lernen Die Schüler sollen durch die Lichtbrechung, den Begriff und den Effekt der Totalreflexion kennenlernen Die Schüler sollen optische Phänomene aus Alltag und Technik Lichtleiter, Lichtbrechung beim Schwimmen oder eine Fata Morgana - durchs Brechungsgesetz verstehen lernen 4. Bezug zur übergeordneten Unterrichtseinheit Der Versuch verdeutlicht das Verhalten von Lichtbündeln an Grenzflächen, erleichtert den Zugang zum Themenbereich Brechung von Lichtstrahlen und Totalreflexion und vertieft das Verständnis für die in Jahrgangstufe 9 (G9) weiterhin behandelten Themen der Optik, wie Linsen, Grundlagen der Fotographie und Farben des Lichts. 5. Experimentelle Alternativen Anstatt eines Halbkreiskörpers nimmt man ein Prisma aus Glas oder Acryl. Beim Prisma kann man die Doppelbrechung und die Totalreflexion zeigen. Ansonsten hat man folgende experimentelle Alternativen: optische Magnettafel, Aquarium, Wassergläser. 6. Einsatz als Schülerexperiment Das Experiment kann ohne Probleme auch vom Schüler selbst durchgeführt werden, allerdings besteht die Frage, ob die Schule entsprechend viele Apparaturen in der Physik Sammlung hat. Desweitern sollten für den Schülerversuch am einfachsten Taschenlampen oder LED-Lampen statt der Experimentierleuchte verwendet werden,

11 um zu vermeiden, dass Schüler beim Anschluss der Lampe einen Stromschlag bekommen oder die Lampe zerstören. Der in 1.1. beschriebene Versuchsaufbau muss beibehalten werden und statt der Leuchte eine Klemme für die Taschenlampe bzw. die LED angebracht werden. Zur Vereinfachung des Versuchsablaufs, sollte dem Schüler jedoch auf jeden Fall ein Arbeitsblatt mit entsprechenden Arbeitsanweisungen ausgegeben werden. Bei der Erstellung des Arbeitsblattes ist dem Motto des systemisch-konstruktivistischen Ansatzes Kinder dort abholen, wo sie stehen zu achten. Es muss auf das Alter und experimentelle Vorerfahrung eingegangen werden. 7. Unterrichtsverfahren Typ: Modifiziertes Normalverfahren nach Mothes 7.1 Sozialform Unterrichtsgespräch mit Demonstrationsexperiment Gruppenunterricht mit anschließender Vertiefung des Versuchs und des Themas 7.2 Lehr- und Lernform Großteils Lehrervortag (fragend entwickelnd) Beobachtung des Experiments (rezeptiv) oder Schülerexperiment (Gruppenarbeit) 7.3 Motivationssituation oder Einstiegssituation Man betrachte ein Glas (rechteckig) Wasser mit schräg eingetauchtem Strohhalm, der aufgrund der Lichtbrechung gebrochen erscheint Angeln: Gegenstände unter Wasser erscheinen näher als sie sind, bzw. das Ergreifen von Fischen gestaltet sich äußert schwierig, weil sie nicht genau da schwimmen, wo man sie vermutet Kochen von Spaghetti: Schräg in einen Topf eingestellt Das Erweiterte Sichtfeld beim Tauchen im Schwimmbad nach Draußen Beobachten der unteren Kante eines Kochtopfes mit und ohne Wasser. Der Blick geht dabei entlang der Gerade Rand Topf zum unteren Rand des Topfes (Vorstellung: eine Spaghetti auf oberen Rand legen und in den Topf bis zum Rand rutschen lassen). Zu beobachten ist hier die Körperhöhe der Versuchsperson! Motivationsfrage: Warum muss die Person beim gefüllten Topf tiefer gehen?

12 Nach der Motivation folgt die Hinleitung zum eigentlichen Experiment durch fragendes entwickeln. Der Schüler weiß, dass z.b. der Strohhalm nicht geknickt ist, dennoch erscheint er als gebrochen hier sollte der Schüler das Glas oder das Wasser als Verantwortlichen für den Effekt ausmachen. Durch andere Alltagserfahrungen wie oben beschrieben könnte der Schüler darauf kommen, dass sich Licht nicht in jedem Medium gleich ausbreitet. Das wird im Anschluss an die Motivation am Versuch genauer untersucht. 8. Lernzielsicherung Hefteintrag mit Versuchsskizzen, Erklärungen des Lichtwegs, Herleitung des nichttrigonometrischen Snellnius Gesetz, Beispielen aus Technik und Alltag Oder Protokollierung des Versuchs auf Arbeitsblatt mit Auswertung als Hausaufgabe oder im Unterricht

13 Folgendes Beispiel eines Arbeitsblatts soll zur Lernzielsicherung dienen. Die rot markierten Textteile sind die erwarteten Schülerantworten. Der Lichtstrahl trifft genau auf die Mitte der planen Fläche des Halbkreiskörpers. Seine Richtung verändert sich beim Austritt aus dem Körper nicht, da er stets senkrecht darauf trifft. Der Lichtstrahl trifft schräg auf die plane Fläche des Halbkreiskörpers. Es findet ein Übergang vom optisch dünneren Medium (Luft) ins optisch dichtere Medium (Glas statt. Dabei wird ein Teil des einfallenden Lichtstrahls nach dem Reflexionsgesetz reflektiert, der Rest wird zum Lot hin gebrochen. Der Einfallswinkel ist größer als der Brechungswinkel. Der Lichtstrahl trifft schräg auf die runde Fläche des Halbkreiskörpers trifft. Es findet ein Übergang vom optisch dichteren Medium (Glas) ins optisch dünnere Medium (Luft) statt. Dabei wird ein Teil des einfallenden Lichtstrahls nach dem Reflexionsgesetz reflektiert, der Rest wird vom Lot weg gebrochen. Der Einfallswinkel ist kleiner als der Brechungswinkel.

14 Ab dem sogenannten Grenzwinkel wird das Licht nicht mehr gebrochen, sondern total reflektiert. Totalreflexion gibt es nur beim Übergang vom optisch dichteren (Glas) ins optisch dünnere Medium (Luft). 9. Lernzielkontrolle: Die Schüler sollen den Lückentext bzw. die Lückengrafiken auf dem Arbeitsblatt vervollständigen. Zudem sollen sie sich Beispiele überlegen, wo überall in der Umwelt Brechung bzw. Totalreflektion auftritt. Weiterhin sollen während der Unterrichtsstunde Fragen zum Geschehen im Versuch gestellt werden, um zu prüfen, ob die Schüler folgen können. In der nächsten Stunde wird ein Schüler im Rahmen einer Abfrage die Brechung und Totalreflexion am Versuch erklären. Nach der Abfrage werden noch weitere Beispiele für Lichtbrechung gesammelt und nach Besprechung mit den Schülern ins Heft notiert.