Schülerexperiment: Abbildung durch eine Sammellinse

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1 Schülerexperiment: Abbildung durch eine Sammellinse Stand: Jahrgangsstufen 7 Fach/Fächer Benötigtes Material Natur und Technik/ Schwerpunkt Physik Teelichter, Meterstäbe, Linsen (am besten mit unterschiedlichen Brennweitebn), Schirm Kompetenzerwartungen Die Schülerinnen und Schüler untersuchen unter Anleitung experimentell die Abbildung durch eine Sammellinse und formulieren auf der Grundlage ihrer Beobachtungen und Messergebnisse halbquantitative Aussagen über Zusammenhänge zwischen den dabei relevanten Größen. Beim Experimentieren in der Optik befolgen sie die vorgegebenen Sicherheitshinweise. Hinweise zum Unterricht Ziel: Die Schülerinnen und Schüler werden bei diesem Schülerexperiment schwerpunktmäßig an das strukturierte Protokollieren und insbesondere an das systematische Erfassen von Versuchsergebnissen herangeführt. Bei diesem Experiment geht es darum, reelle Bilder von leuchtenden Gegenständen zu erzeugen und Zusammenhänge zwischen der Größe und der Position des Bildes in Abhängigkeit von der Gegenstandsweite zu finden. Da es sich für Schülerinnen und Schüler dieser Jahrgangsstufe als schwierig gestaltet, eine eigene Systematik beim Erforschen der geltenden Zusammenhänge zu finden, kann z. B. wie bei diesem Experiment vorgeschlagen - ein vorstrukturiertes Versuchsprotokoll eine wichtige Unterstützung sein. Mögliches Versuchsmaterial: Teelichter, Meterstäbe, Linsen (am besten mit unterschiedlichen Brennweiten), Schirm Statt einer Kerze kann man auch die an Schulen oft verbreiteten 6 Volt - Experimentierlampen verwenden. Diese beklebt man vorne mit Butterbrotpapier. Auf dieses lässt sich nun ein beliebiger Gegenstand malen, den man dann anschließend abbilden kann. Falls nicht genügend Schirme zur Verfügung stehen, kann man sich auch mit einem Blatt Papier behelfen, da es bei diesem Experiment nur auf halbquantitative Ergebnisse ankommt. Eine weitere Alternative besteht darin, einen nicht selbst leuchtenden, sondern einen beleuchteten Gegenstand auf einen Schirm abzubilden. Dies unterstützt vor allem den adäquaten Aufbau einer Sender Empfänger Vorstellung. Die Umsetzung ist ähnlich einfach wie beim Experimentieren mit einer Kerzenflamme. Nachfolgende Bilder zeigen von links nach rechts einen möglichen Versuchsaufbau, das seitlich von vorne beleuchtete Objekt und das dazugehörige Bild am Schirm. Seite 1 von 8

2 Von links nach rechts: Versuchsaufbau, beleuchteter Gegenstand, Bild am Schirm Mögliche Organisationsformen: Das Experiment findet in den üblichen Kleingruppen statt, die je nach Ausstattung der Schule aus zwei bis vier Schülern bestehen sollten. Die Schülerinnen und Schüler benötigen zur Durchführung des Experiments Vorwissen zum Begriff der Brennnweite. Dazu ist allerindngs eine Hinführung im vorangehenden Unterricht nicht notwendig. Beim nachfolgenden Experimentiervorschlag informieren sich die Schülerinnen und Schüler zu Hause im Schulbuch über die Brennweite und füllen den Abschnitt Versuchsvorbereitung im Versuchsprotokoll bereits vor dem Experiment aus. Diese Vorgehensweise hat den entscheidenden Vorteil, dass im Unterricht, der vor diesem Experiment stattfindet, die Abbildung mit einer Sammellinse nicht bereits zu stark inhaltlich thematisiert wird. Theoretische Betrachtungen zur Entstehung eines reellen Bildes über die Bündel- oder Lichtstrahloptik erfolgen nach dem Experiment. Vor der Durchführung des Experiments sollten die Schülerinnen und Schüler zudem gemeinsam mit der Lehrerin bzw. dem Lehrer über sicherheitsrelevante Aspekte beim generellen Umgang mit Sammellinsen sprechen; bei diesem Experiment aber auch im Alltag. Um die Schülerinnen und Schüler bei der Strukturierung ihrer Beobachtungen und der Versuchsergebnisse weiter zu unterstützen, stellt der nachfolgende Experimentiervorschlag verschiedene Kärtchen bereit, die die Schülerinnen und Schüler ausschneiden und dann auf Basis ihrer eigenen experimentellen Beobachtungen einander richtig zuordnen sollen. Seite 2 von 8

3 Möglicher Experimentierauftrag Abbildung mit der Sammellinse: Ergänzende Informationen zum LehrplanPLUS Bei diesem Versuch sollst du zusammen mit deinen Gruppenmitgliedern mit Hilfe einer Sammellinse das Bild einer Kerzenflamme auf einen Schirm abbilden. Dabei sollst du verschiedene Gesetzmäßigkeiten bei der Abbildung entdecken. Zur Vorbereitung für dieses Experiment solltest du dich noch mit Hilfe deines Schulbuches über den Begriff der Brennweite f und des Brennpunktes F bei einer Sammellinse schlau machen und den Abschnitt Vorbereitungen zum Versuch im Versuchsprotokoll entsprechend ausfüllen. Zusammen mit deiner Lehrerin bzw. deinem Lehrer haben du und deine Klasse über die Sicherheitsaspekte geredet, die beim Umgang mit Sammellinsen zu beachten sind. Arbeitsanweisung: a) Stelle die Kerze 80 cm von der Linse entfernt auf (Gegenstandsweite g = 80 cm) und versuche, die Flamme scharf auf dem Schirm abzubilden, indem du ihn entsprechend verschiebst. Notiere auf einem Schmierzettel neben der Gegenstandsweite g auch die Bildweite b (Abstand Linse Bild), die Brennweite f und auch, ob du ein vergrößertes oder ein verkleinertes Bild erhältst. b) Schiebe nun die Kerze Stück für Stück näher an die Linse heran und positioniere jedesmal den Schirm so, dass du wieder ein scharfes Bild erhältst. Notiere deine Beobachtungen, z. B. in Form von Je-desto Aussagen. c) Eine Gruppe von Schülerinnen und Schülern der Oberstufe hat die Abbildung mit einer Sammellinse ganz genau untersucht und einige Zusammenhänge notiert. Diese findest du in untenstehender Tabelle. Leider sind die Einträge durcheinander gekommen. Schneide die einzelnen Kärtchen aus und ordne sie, indem du die Zusammenhänge in deinem Experiment prüfst. Es gehören immer drei Kärtchen zusammen. d) Fülle nun dein Versuchsprotokoll sauber aus. Achte darauf, auch folgende Maße mit in die Skizze zum Versuchsaufbau im Protokoll mit aufzunehmen: Für Profis: Brennweite f (auf der Linse meist in Millimentern oder Zentimetern angegeben), Gegenstandsweite g (Abstand Gegenstand Linse), Bildweite b (Abstand Linse Bild), Größe der Flamme G (Gegenstand), Größe des Bildes B. e) Beschreibe mit Hilfe der Ergebnisse aus Aufgabe d) ein Verfahren, dass es ermöglicht, die Brennweite einer Linse zu ermitteln, wenn man gerade kein paralleles Lichtbündel zur Verfügung hat. Seite 3 von 8

4 Durcheinander gekommene Versuchsergebnisse: Der Abstand des Gegenstandes von der Linse entspricht der doppelten Brennweite. g = 2f Der Abstand des Bildes von der Linse ist größer als die zweifache Brennweite b > 2f Gegenstand und Bild sind gleich groß Bild ist kleiner als der Gegenstand (Verkleinerung) Der Abstand des Gegenstandes von der Linse liegt zwischen der einfachen und der doppelten Brennweite. f < g < 2f Bild ist größer als der Gegenstand (Vergrößerung) Keine scharfe Abbildung möglich Der Abstand des Bildes von der Linse entspricht genau der Brennweite. g = f Scharfes Bild nur im Unendlichen Der Abstand des Gegenstandes von der Linse ist geringer als die Brennweite. g < f Der Abstand des Bildes von der Linse entspricht der doppelten Brennweite. b = 2f Der Abstand des Gegenstandes von der Linse ist größer als die zweifache Brennweite. g > 2f Ein scharfes Bild ergibt sich theoretisch erst, wenn der Schirm unendlcih weit von der Linse entfernt ist. b = Der Abstand des Bildes von der Linse liegt zwischen der einfachen und der doppelten Brennweite f < b < 2f Seite 4 von 8

5 Mögliches Versuchsprotokoll als Strukturhilfe ABBILDUNG MIT EINER SAMMELLINSE VERSUCHSPROTOKOLL Vorbereitungen zum Versuch: Definition der Brennweite: Skizze zur Veranschaulichung der Brennweite: Sicherheitshinweise zum Experiment und zum generellen Umgang mit Sammellinsen: Ziel: + Aufbau: Skizze mit Bezeichnungen g, f, b, B, G Beschreibung der Durchführung: Seite 5 von 8

6 Beobachtungen: Zusammenhänge bei der Abbildung mit einer Sammelline: Zusatzauftrag e) - Methode zur Bestimmung der Brennweite einer Sammellinse ohne Verwendung eines parallelen Lichtbündels: Seite 6 von 8

7 ABBILDUNG MIT EINER SAMMELLINSE VERSUCHSPROTOKOLL Vorbereitungen zum Versuch: Definition der Brennweite: Eine Linse sammelt alle (zur optischen Achse) parallelen Lichtstrahlen in einem Punkt, im sogenannten Brennpunkt F. Den Abstand des Brennpunktes zur Linse bezeichnet man als Brennweite. Skizze zur Veranschaulichung der Brennweite: Quelle: Wikipedia Sicherheitshinweise zum Experiment und zum generellen Umgang mit Sammellinsen: Eine Sammellinse bündelt Licht. Dadurch kann unter Umständen deine Netzhaut in deinem Auge verbrannt werden. Gefährlich wird es insbesondere, wenn du z. B. Sonnenlicht bündelst und auf den hellen Lichtfleck im Brennpunkt starrst. Der Lichtfleck im Brennpunkt ist so hell, das du damit sogar Papier zum Brennen bringen kannst. Daher sollten starke Linsen auch stets in Schutzhüllen gelagert werden, um unabsichtlich herbeigeführte Brände zu vermeiden. Achte beim Experiment auch darauf, dass kein heißes Wachs auläuft. Lasse das Teelicht nach dem Experiment erst eine Weile zum Abkühlen stehen. Ziel: Eine Kerze soll mit Hilfe einer Sammellinse auf einen Schirm abgebildet werden. Dabei sollen verschiedene Gesetzmäßigkeiten entdeckt werden. Aufbau: Skizze mit Bezeichnungen g, f, b, B, G Beschreibung der Durchführung: Die Gegenstandsweite g wird stückweise verringert. Dabei wird jedesmal auch der Schirm so verschoben, dass immer wieder ein scharfes Bild entsteht. Es wird beobachtet, wie sich bei der Variation der Gegenstandweite g die Bildweite b und die Bildgröße B verändern. Da die Linse hierbei nicht gewechselt wird, besitzt die Brennweite f stets den gleichen Wert. Seite 7 von 8

8 Beobachtungen: Je näher die Kerze an den Schirm heranrückt, umso weiter rückt das Bild von der Linse weg. Je näher die Kerze an den Schirm heranrückt, umso größer wird das am Schirm erzeugte Bild. Ist die Kerze zu nahe an der Linse, dann erhält man kein scharfes Bild mehr. Zusammenhänge bei der Abbildung mit einer Sammellinse: Zusatzauftrag e) - Methode zur Bestimmung der Brennweite einer Sammellinse ohne Verwendung eines parallelen Lichtbündels: Bilde die Kerzenflamme so auf einen Schirm ab, dass das Bild der Flamme genauso groß ist wie die Flamme selbst. Die Linse steht dann genau in der Mitte zwischen Gegenstand und Schirm. Miss nun den Abstand zwischen Gegenstand und Bild und teile ihn durch 4. Du erhältst als Wert die Brennweite. Seite 8 von 8

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