Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form. Auszug aus: Wie Beugung das Auflösungsvermögen begrenzt

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2 8. 1 von 18 Matthias Borchardt, Bonn Warum hat ein billiges Kaufhaus-Fernrohr ein besseres Auflösungsvermögen als das riesige Radioteleskop in Effelsberg? Wie groß müsste ein Fernrohr sein, damit die Mondlandefähren, die von den Amerikanern auf dem Mond zurückgelassen wurden, sichtbar würden? Welche Bedingungen muss ein Mikroskop erfüllen, um extrem kleine Bakteriophagen noch erkennen zu können? Fragen dieser Art lernen Ihre Schüler zu beantworten, indem sie sich die physikalischen Zusammenhänge zwischen der Beugung und dem Auflösungsvermögen schrittweise erarbeiten. Zwei kleine Computersimulationen dienen dabei als dynamische Werkzeuge. Sie ermöglichen einen anschaulichen Zugang zum Thema. M. Borchardt Die Beugung verhindert den exakten Blick auf unsere Welt immer! Der Beitrag im Überblick Klasse: 11/12 Dauer: 7 Stunden Ihr Plus: ü starker Anwendungsbezug ü 2 Computersimulationen Inhalt: Beugung und Interferenz an Spalt und Kreisblenden Auflösungsvermögen von Fernrohren und Mikroskopen Prüfungsaufgaben

3 2 von Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Fachlicher Hintergrund Die Beugung als typisches Wellenphänomen wird in der Oberstufe im Rahmen der Wellenoptik behandelt. Sie gehört zum Lehrplan eines Grund- und Leistungskurses. Oft bleibt es allerdings bei einer eher theoretischen Betrachtung des Phänomens. Dass Beugung die Ursache für das begrenzte Auflösungsvermögen optischer Geräte ist, wird meist nur kurz gestreift, obwohl über die physikalisch-technischen Aspekte hinaus diesem Thema auch interessante erkenntnistheoretische Fragestellungen innewohnen. Beugung verhindert nämlich den exakten Blick auf unsere Welt sowohl im makroskopischen wie auch im mikroskopischen Bereich. Selbst wenn wir schnelle Elektronen als Sondenteilchen einsetzen, um kleine Strukturen weiter aufzulösen, unterliegen wir aufgrund der Welleneigenschaften bewegter Teilchen dieser wellenphysikalischen Begrenzung. Letztendlich lässt sich sogar die Heisenberg sche Unschärferelation ( x p~ h) mit dem Phänomen der Beugung in Zusammenhang bringen. Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts Die Materialien M 2 M 4 bauen aufeinander auf und sollten daher in der vorliegenden Reihenfolge behandelt werden. Es hat sich bewährt, dass die Schüler die Arbeitsblätter in Partnerarbeit studieren. Ob Sie die Lösungen einsammeln und bewerten oder nicht, steht Ihnen frei. Binnendifferenzierung Für Experten bzw. schnelle/interessierte Schüler dient das Thema Beugung an Mikroskop-Objektiven (M 5). Computer mit Internetzugang notwendig Für die Bearbeitung der Materialien sind manchmal Rechercheaufträge auszuführen. Auch verwenden Ihre Schüler zwei Computerprogramme als Arbeitsmittel. Sie sind nützliche Werkzeuge, um die physikalischen Zusammenhänge dynamisch und anschaulich darzustellen. Daher ist es notwendig, dass Ihre Schüler einen Arbeitsplatz mit Internetzugang haben. Voraussetzungen für die erfolgreiche Durchführung der Unterrichtseinheit Ihre Schüler sind mit den Grundlagen der Wellenoptik vertraut, haben die Beugung und Interferenz von Licht am Einzelspalt im Unterricht kennengelernt, wissen, wie es zu Maxima und Minima bei der Intensitätskurve hinter einem Einzelspalt kommt, und können die physikalischen Zusammenhänge erklären, haben eine Formel zur quantitativen Beschreibung der Minima im Unterricht behandelt und angewendet. Das für die Bearbeitung der Materialien notwendige Basiswissen wird im Wiederholungsblatt (M 1) noch einmal zusammenfassend dargestellt und erklärt.

4 8. 3 von 18 Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allg. physikalische Kompetenz F 1, F 2, E 2, E 3, K 1 F 4, F 5, E 1, E 2, E 3, K 5 F 1, F 2, F 3, F 4, E 1, E 2, K 1, K 3, K 5 Die Schüler Inhaltsbezogene Kompetenzen wiederholen wellentypische Phänomene wie die Beugung am Einzelspalt, erfahren, wie das Rayleigh-Kriterium zur Definition des Auflösungsvermögens optischer Öffnungen lautet, und wenden dieses Wissen in neuen Kontexten an, erarbeiten, von welchen Parametern das Auflösungsvermögen von Fernrohren und Mikroskopen abhängt. Anforderungsbereich Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, finden Sie auf der beiliegenden CD-ROM 37. I II, III II, III Mediathek Zwei Simulationsprogramme: Beugung am Einzelspalt (auch für Schüler geeignet): Auflösungsvermögen von Mikroskop-Objektiven: htm Demtröder, Wolfgang: Experimentalphysik 2. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York S Spionagesatelliten: Radioteleskop Effelsberg Foto: Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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