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1 Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form Auszug aus: Wie funktioniert ein Katzenauge? Das komplette Material finden Sie hier: School-Scout.de

2 13. Prinzip und technische Anwendung eines Retro-Reflektors 1 von 18 Wie funktioniert ein Katzenauge? Prinzip und technische Anwendungen eines Retro-Relektors Axel Donges, Isny im Allgäu Gesehen hat es jeder schon einmal: Die Augen einer Katze strahlen hell im Dunkeln. Dabei strahlen die Augen jedoch nicht wie eine Lichtquelle Licht ab. Vielmehr relektieren sie einfallendes Licht in diejenige Richtung zurück, aus der es gekommen ist. Das wirkt oft gespenstisch, wenn in der dunklen Nacht ein gelbgrünes Augenpaar funkelt. Katzenaugen wirken also wie sog. Retro- Relektoren. Darunter versteht man Relektoren, die das Licht zur Lichtquelle zurückrelektieren. Daher nennt man Retro-Relektoren umgangssprachlich auch Katzenaugen. Abb. 1: Die Augen einer Katze strahlen im Dunkeln hell. Foto: Mauritius Images Da sah er die feurigen Augen der Katze und meinte, es wären glühende Kohlen. Aus: Die Bremer Stadtmusikanten (Brüder Grimm) Der Beitrag im Überblick Klasse: 7 9 Inhalt: Dauer: Ihr Plus: 4 5 Stunden Relexionsgesetz Snellius sche Brechungsgesetz ü Kurze und prägnante Darstellung der Physik des Retro-Relektors ü Fachübergreifendes Unterrichten (Biologie, Verkehrserziehung) Totalrelektion Gesetze der optischen Abbildung Technische Anwendungen: Katzenauge, Triple-Spiegel bzw. -Prisma, Retro-Relektoren, Relektorfolie

3 2 von Prinzip und technische Anwendung eines Retro-Relektors Didaktisch-methodische Hinweise Retro-Relektoren im Alltag Retro-Relektoren werden vielfältig eingesetzt. So muss beispielsweise ein verkehrssicheres Fahrrad laut Straßenverkehrsordnung mit einem weißen Retro-Relektor vorne und einem roten Retro-Relektor hinten ausgestattet sein. Zusätzlich müssen die Speichen oder die Reifenlanken sowie die Pedale retro-relektierend sein. Retro-Relektoren inden auch Anwendung auf Verkehrsschildern, beispielsweise an der Autobahn. Sie sind Bestandteil der Leitpfosten. Man hat Retro-Relektoren auch auf dem Mond positioniert, damit das auf der Erde abgesandte Laserlicht konzentrierter zur Erde zurückgespiegelt wird. Inhalt Zu den Grundlagen der geometrischen Optik gehören: das Relexionsgesetz: 1. Der einfallende Strahl, das Lot auf den Spiegel im Auftreffpunkt und der relektierte Strahl liegen in einer Ebene, der Einfallsebene. 2. Der Einfallswinkel ist gleich dem Relexionswinkel. das Snellius sche Brechungsgesetz (einschließlich der Totalrelexion): n n 1 sin = sin ( α2) ( α ) 2 1 Die Winkel werden zum Lot hin gemessen. α 1 ist der Einfallswinkel. α 2 ist der Winkel des gebrochenen Strahls, n 1 und n 2 sind die Brechzahlen der jeweiligen Medien. und die Gesetze der optischen Abbildung, z. B. die Linsengleichung: = ; g = Gegenstandsweite, b = Bildweite, f = Brennweite g b f Abb. 2: Seitliche Blitzaufnahme eines Fahrrades, dessen Felgen mit Retro-Relektorfolien beklebt sind A. Donges Mithilfe dieser Grundlagen lassen sich im Unterricht die sog. Retro-Relektoren behandeln. Sie spielen im täglichen Leben eine wichtige Rolle. Sie helfen in jeder Nacht, Unfälle zu vermeiden, und retten so unzählige Menschenleben. Ihre Schüler lernen in diesem Beitrag die beiden Grundprinzipien kennen, wie sich Retro- Relektoren realisieren lassen (Katzenaugen-Prinzip und Triple-Relexions-Prinzip). Die Möglichkeit, die Beugung am Relexionsgitter für Retro-Relektoren zu nutzen, wird in diesem Beitrag nicht behandelt. Vorkenntnisse Wenngleich zur vollständigen Durchdringung des Themas elementare mathematische Kenntnisse (z. B. zur trigonometrischen Sinus-Funktion) vonnöten sind, kann das Thema in niedrigeren Klassenstufen auch in einer eher beschreibenden Art und Weise abgehandelt werden.

4 13. Prinzip und technische Anwendung eines Retro-Reflektors 3 von 18 Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts Ablauf In Material M 1 werden die geometrisch-optischen Grundlagen zum Verständnis der Retro-Relektoren wiederholt. Diese sollten im Unterricht bereits zuvor behandelt worden sein, wenn eine tiefere Durchdringung des Themas angestrebt wird. Sie geben das Wiederholungsblatt Ihren Schülern als Hausaufgabe. Falls Ihre Schüler Schwierigkeiten mit den Grundlagen haben, kann dieses Material als eine erste Einführung in die Thematik verstanden werden. Zur Einführung dienen auch die Alltagsbeispiele auf Folie M 2. In Material M 3 wird das Auge einer Katze besprochen und die besondere Art der Relexion thematisiert. Ihre Schüler haben die Möglichkeit, den Strahlengang im Auge der Katze genauer zu studieren. In Material M 4 wird die Brechung und Relexion an einer Glaskugel genauer betrachtet. Es wird gezeigt, dass auch in diesem Fall das Prinzip des Katzenauges vorliegt, wenn die Brechzahl des Glases 2 beträgt. Schließlich gehen wir auf die sicherheitstechnisch wichtigen Retro-Relektorfolien ein. In Material M 5 werden der Triple-Spiegel bzw. das Triple-Prisma und die darauf basierende Relektorfolie besprochen. Obwohl sich ein völlig anderer Strahlengang ergibt, hat der Triple-Spiegel die gleiche Wirkung wie ein Katzenauge. Material M 6 schlägt einige Freihand-Experimente zur Retro-Relexion vor. Die Materialien M 7 und M 8 dienen der Zusammenfassung und der Lernerfolgskontrolle. Wegen der thematischen Nähe zur Biologie und zur Verkehrserziehung ist eine Kooperation mit den entsprechenden Fachlehrern sinnvoll. Lehrplanbezug Das Themenfeld Optik Relexion, Brechung, Linsen ist stets verbindlich in der Sekundarstufe I gefordert. Der Retro-Relektor ist ein perfektes Beispiel für die Kombination von Relexion und Brechung perfekt deshalb, weil es einen sehr starken Anwendungsbezug zum täglichen Leben Ihrer Schüler hat. Teilweise wird in den Lehrplänen direkt Bezug auf das Katzenauge genommen: Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allg. physikalische Kompetenz F 1 F 4 F 1 F 4, E 7 Die Schüler Inhaltsbezogene Kompetenzen kennen das Relexionsgesetz, das Brechungsgesetz (samt der Totalrelexion) und die optischen Abbildungsgesetze, verstehen das Grundprinzip eines Retro-Relektors (eines Katzenauges bzw. eines Triple-Spiegels). Anforderungsbereich I, II I, II Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, inden Sie auf beiliegender CD-ROM 46.

5 4 von Prinzip und technische Anwendung eines Retro-Relektors Materialübersicht V = Vorbereitungszeit LV = Lehrerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit WH = Wiederholung LEK = Lernerfolgskontrolle Fo = Folie M 1 WH Optische Grundlagen frische dein Wissen auf! M 2 Fo Retro-Relektoren im Alltag M 3 Ab Das Katzenauge als Retro-Relektor M 4 Ab Brechung und Relexion an einer Glaskugel M 5 Ab Der Triple-Spiegel M 6 LV Freihand-Experimente zur Retro-Relexion V: 10 min D: 35 min r 90 o -Doppelspiegel r 90 o -Umlenkprisma r Triple-Spiegel r Triple-Prisma r Laser r Nebelmaschine (falls vorhanden) r Retro-Relektorfolie (z. B. auf Sicherheitsweste) r Digital-Kamera mit Blitzlicht (z. B. Handy) M 7 Ab Zusammenfassung M 8 LEK Der Retro-Relektor teste dein Wissen! Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien inden Sie ab Seite 16. Mediathek Grundlagen: zu M 1: zu M 3: zu M 4: zu M 5:

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