Schatten (Kern- und Halbschatten) (Artikelnr.: P )

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Schatten (Kern- und Halbschatten) (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-10 Lehrplanthema: Optik Unterthema: Lichtausbreitung Experiment: Schatten (Kern- und Halbschatten) Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Leicht 10 Minuten 10 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Klarsichtfolie (ca. 8 cm x 8 cm) Weißes Papier (DIN A4) Schlagwörter: Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusatzinformation Im ersten Teilversuch sollen die Schüler die Entstehung von Schatten hinter einem beleuchteten Gegenstand beobachten und Schlussfolgerungen zu den Bedingungen der Schattenbildung und den Eigenschaften der Lichtausbreitung ziehen. Den Kern- und Halbschatten lernen die Schüler im zweiten Teilversuch kennen. Beide Versuche sind jedoch auch unabhängig voneinander durchführbar. Durch Verwendung von Farbfiltern können die Schüler in einem Zusatzexperiment eine interessante und überraschende Erscheinung beobachten: die Bildung von farbigen Schatten. Hinweise zu Aufbau und Durchführung Da zwei Lichtquellen zur Erzeugung von Kern- und Halbschatten bei einem Gegenstand nicht zur Verfügung stehen, wird auf ein einfaches Verfahren der Lichtteilung mit einem Spiegel zurückgegriffen. Der Spiegel auf Klotz wird dafür im Hochformat aufgestellt. Er soll möglichst dicht an der Öffnung stehen, damit ein breiter Lichtkegel erzeugt wird. Falls der Spiegelhalter ( ) in der Sammlung vorhanden ist, sollte dieser verwendet werden. In jedem Fall ist beim Aufstellen des undurchsichtigen Gegenstandes sicherzustellen, dass dieser sich im Lichtkegel des Spiegels befindet. Das Verfahren der Lichtteilung stellt jedoch für den Erkenntnisprozess der Schüler eine mögliche Barriere dar. Eine andere Möglichkeit ergibt sich durch die Verwendung einer kleinen Kerze als zweite Lichtquelle oder die Durchführung dieses Versuchsteil mit zwei Leuchtboxen, wenn zwei Schülergruppen zusammen arbeiten.

2 Schatten (Kern- und Halbschatten) (Artikelnr.: P ) Aufgabe und Material Aufgabe Wo Licht ist, ist auch Schatten! Im ersten Teilversuch wird die Schattenbildung hinter einem beleuchteten Gegenstand untersucht. Im zweiten Teilversuch wird die Schattenbildung untersucht, wenn der Gegenstand von zwei Lichtquellen beleuchtet wird.

3 Material Position Material Bestellnr. Menge 1 Leuchtbox, Halogen 12 V/20 W Farbfiltersatz für additive Farbmischung Planspiegel auf Träger, 50 mm x 20 mm PHYWE Netzgerät DC: V, 2 A / AC: 6 V, 12 V, 5 A Zusätzliches Material: 5 Klarsichtfolie (ca. 8 cm x 8 cm) 6 Weißes Papier (Din A4)

4 Aufbau und Durchführung Aufbau Stelle die Leuchtbox mit der Lampenseite auf ein weißes Blatt Papier. Falte das Blatt so, dass eine Bildwand entsteht. Stelle einen undurchsichtigen Körper (z.b Glühbirnenpackung) vor die Lampe. Abb. 1 Durchführung 1. Schattenbildung mit einer Lichtquelle Schließe die Leuchtbox an das Netzgerät an (12 V ~). Abb. 2 Der undurchsichtige Körper sollte etwa 10 cm von der Leuchtbox entfernt sein. Beobachte das Gebiet hinter dem Körper und auf der Papierfläche.

5 Abb. 3 Notiere deine Beobachtungen im Protokoll. Verschiebe den undurchsichtigen Körper näher zur Lichtquelle, und dann entferne ihn weiter. Wie verändert sich der Schatten? Notiere deine Antworten im Protokoll. Statt des undurchsichtigen Körpers halte das Folienstück in den Lichtweg. Was passiert? Notiere deine Beobachtungen im Protokoll. Vertausche die Farbfilter. Was kannst du feststellen? Notiere deine Beobachtungen im Protokoll. Stelle den undurchsichtigen Körper wieder in einem Abstand von 10 cm vor der Lampe auf, zeichne die Umrisse ein. Markiere mit je zwei Kreuzchen die Grenzen des Lichtkegels und des Schattengebietes. Abb. 4 Schalte das Netzgerät aus und nimm die Leuchtbox vom Papier. 2. Schattenbildung mit zwei Lichtquellen Die zweite Lichtquelle kann auch mit Hilfe des Spiegels gebildet werden. Entferne eine der dichten Blenden von der Leuchtbox. Stelle an den seitlichen Lichtschacht der Leuchtbox den Spiegel mit nach vorne gerichteter Spiegelfläche. Schließe die Leuchtbox an das Netzgerät an (12 V ~). Stelle den undurchsichtigen Körper so auf, dass er im Lichtkegel des Spiegels steht.

6 Abb. 5 Beobachte das Gebiet hinter dem Körper, dann verdecke abwechselnd einen Lichtschacht der Leuchtbox mit der Blende. Zu welchem Ergebnis führt dies jeweils? Notiere deine Beobachtungen im Protokoll in Tabelle 1. Zusatzaufgabe Schiebe beim Aufbau in dem zweiten Teilversuch in den mittleren Lichschacht das rote Farbfilter, in den seitlichen Schacht das grüne Farbfilter. Beobachte wieder die Schattenbildung hinter dem undurchsichtigen Körper. Verdecke abwechselnd einen Lichtschacht der Leuchtbox und notiere deine Beobachtungen im Protokoll in Tabelle 2. Vertausche die Farbfilter. Was kannst du feststellen? Notiere deine Beobachtungen im Protokoll.

7 Protokoll: Schatten (Kern- und Halbschatten) Ergebnis - Beobachtungen (10 Punkte) Notiere deine Beobachtungen zur Schattenbildung mit einer Lichtquelle. a) Was beobachtest Du hinter dem beleuchteten undurchsichtigen Gegenstand? b) Was beobachtest du hinter dem beleuchteten durchsichtigen Gegenstand? Was ergibt sich, wenn Du die Position des Gegenstandes änderst? c) Gegenstand näher an der Lichtquelle d) Gegenstand weiter entfernt von der Lichtquelle Ergebnis - Tabelle 1 (3 Punkte) Notiere Deine Beobachtungen zur Schattenbildung mit zwei Lichtquellen in Tabelle 1. Beleuchtung Beobachtung hinter dem beleuchteten u mit zwei Lichtquellen nur mit mittlerer Lichtquelle (seitlicher Lichtschacht verdeckt) nur mit seitlicher Lichtquelle (mittlerer Lichtschacht verdeckt)

8 Ergebnis - Tabelle 2 (2 Punkte) Notiere deine Beobachtungen zur Zusatzaufgabe in Tabelle 2. Filterfarbe Farbe des Schattengebietes Rot Grün 1 ±0 1 ±0 Ergebnis - Zusatzaufgabe (10 Punkte) Notiere Deine Beobachtungen beim Vertauschen der Farbfilter.

9 Auswertung - Frage 1 (10 Punkte) Vergleiche deine Beobachtungen zu der ersten Aufgabe. Unter welchen Bedingungen entsteht ein Schatten? Auswertung - Frage 2 (10 Punkte) Verbinde die zusammengehörenden Kreuzchen auf deinem Blatt zu Aufgabe 1 und schraffiere das Schattengebiet. Wie verlaufen die Schattenränder? Versuche deine Beobachtungen zu begründen. Welche Ursache hat diese Erscheinung?

10 Auswertung - Frage 3 (10 Punkte) Wo findet die Schattenbildung ihre Anwendung? Nenne ein Beispiel. Auswertung - Frage 4 (10 Punkte) Vergleiche deine Beobachtungen zum Versuch mit 2 Lichtquellen. Versuche dein Versuchsergebnis zu erklären.

11 Auswertung - Zusatzaufgabe (10 Punkte) Versuche, eine Begründung für deine Beobachtungen bei der Zusatzaufgabe zu geben.