Lichtbrechung für die Klassenstufe 7 am Gymnasium

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1 Lichtbrechung für die Klassenstufe 7 am Gymnasium StR` S. Hermann Juni 2011

2 Inhaltsverzeichnis Informationen Ablauf und kurzer Ausblick auf die Experimente Hochschule : Eye - Tracking Verlaufsplanung Arbeitsblätter Brechung Becher und Münze Brechung Becher und Draht Der krumme Lichtstrahl (Lehrerversuch) Wasserstrahl als Lichtleiter Regensensor Quelle Fachdidaktisches Projekt Wintersemester 2010/11 Mitarbeiter: Julia Brandt, André Louis, Valentin Nagengast (Studenten) Prof. Dr. Bernd Zinn (HTW Aalen), Dipl.-Ing. Hans Schmidt (HTW Aalen), StR` Silke Hermann (THG Aalen)

3 Informationen explorhino und die Hochschule Aalen bieten für Schüler/innen der Klasse 7 als Ergänzung des Physikunterrichtes Optik Experimente zur Lichtbrechung selbstständig durchzuführen Die Experimente sind für eine Klassengröße von etwa 25 Schüler/innen ausgelegt. Innerhalb von zwei Mal 90 Minuten an verschiedenen Tagen werden vier Experimente behandelt und die Hochschule Aalen besucht. Im Unterricht sollte die Theorie zur Lichtbrechung und die Totalreflexion behandelt sein, damit ein selbstständiges Arbeiten der Schüler/innen möglich ist. Am ersten Tag werden zwei Einführungsversuche (Becher und Münze / Draht) durchgeführt, die die Auswirkungen bei Veränderungen des Blickwinkels in der Lichtbrechung verdeutlichen sollen. Mit einem Laserpointer können die Schüler/innen die Ausbreitung des Lichtes im Zusammenhang mit der Totalreflexion (Der krumme Lichtstrahl / Wasserstrahl als Lichtleiter) erfahren. Der Versuch Der krumme Lichtstrahl sollte als Lehrerversuch aufgrund der Herstellung der Zucker und Milchlösung vorgeführt werden. Bei der Durchführung der Laserversuche, ist es sehr wichtig, die Schüler/innen vor Beginn der Ausführung auf die Gefahr der Laserstrahlung hinzuweisen! Als abschließendes Experiment steht die Fertigstellung und das Verstehen in Verbindung der Totalreflexion eines Regensensors im Vordergrund. Hiermit erhalten die Schüler/innen die Möglichkeit eine technische Nutzung von optischen Effekten kennenzulernen. Dafür muss im Vorfeld mit den Schüler/innen die Aufgabe eines Phototransistors (keine Theorie) besprochen sein. Bei diesen Experimenten können die Schüler/innen mit vorgegebenen Anweisungen naturwissenschaftliche Fragestellungen erschließen. Sie können die Experimente durchführen, beobachten, auswerten, an einfachen Beispielen physikalische Denkweisen kennen lernen und Analogien aus dem Unterricht hilfreich einsetzen. Während der gesamten Projektsequenz arbeiten die Schüler/innen selbstständig und befinden sich im Austausch / Diskussion mit den anderen Gruppenmitgliedern. Bei den Arbeitsmaterialien wurde darauf geachtet, dass die Versuche mit handelsüblichen Geräten zu Hause nachgebaut werden können. Ablauf: Der erste Tag findet mit den aufgeführten Experimenten an der jeweiligen Schule statt, wobei die Materialien und Arbeitsanweisungen von explorhino bereitgestellt werden. Zur Durchführung in der Schule wird ein Physiksaal oder naturwissenschaftlicher Raum mit Verdunkelungsmöglichkeit benötigt. Der Hochschulbesuch findet an einem weiteren Tag statt und muss terminlich mit der Hochschule abgesprochen sein. Zuerst wird den Schüler/innen mit einem kurzen Vortrag die Bedeutung von Eye - Tracking erklärt. Damit die Schüler/innen die

4 Funktionsweise verstehen, müssen sie die wichtigsten Grundlagen zum Auge verstehen. Eye-Tracking Durch Eye Tracking können mit Infrarot Licht, das im Auge reflektiert wird, die Augenbewegungen aufgezeichnet werden. Die selektive und visuelle Wahrnehmung kann somit beobachtet werden, womit Rückschlüsse auf Konzentration und Gedächtnisleistung gezogen werden. Eye Tracking wird bei der Marktforschung und anderen wissenschaftlichen Untersuchungen eingesetzt.

5 Verlaufplanung Damit der erste Tag zeitlich besser planbar ist, kann diese Tabelle einen kleinen Überblick verschaffen. Zeit Versuche Arbeitsmaterialien Hinweise / Kompetenzen 10 min Einführungsversuch: Becher und Münze 10 min Einführungsversuch: Becher und Draht 25 min Der krumme Lichtstrahl undurchsichtiger Becher mit eingeklebter Münze Messbecher mit Wasser Trichter zum Einfüllen von Wasser durchsichtiges, abgeklebtes Glas Messbecher mit Wasser Draht Laserpointer quaderförmiges Glasgefäß - Aquarium 1,5 kg Zucker 3 Liter Wasser Kondensmilch Esslöffel Wiederholung oder Themenheranführung der Lichtbrechung Beobachten und Verknüpfungen zum Unterricht finden Die Herstellung der einzelnen Lösungen und das Zusammenfügen müsste vom Lehrer vorher schon erstellt werden und benötigt einige Zeit. Wiederholung der Bedingungen einer Totalreflexion evtl. Parallelen zur Fata Morgana ziehen 15 min Wasserstrahl als Lichtleiter Farbdose mit Deckel (unterer Teil enthält zwei gegenüberliegende Löcher) Aquarium Kunststoff- oder Holzplatte Laserpointer Messbecher mit Wasser Tesafilm Vertiefung der Totalreflexion Analogie zur Glasfasertechnik 30 min Regensensor Montagevorrichtung Laserpointer Halbkreiskörper Steckplatine mit Leitungen und mehreren Widerständen 9V-Batterie Motor Phototransistor Pipette mit Wasser Herstellung eines technischen Gerätes, dessen Grundfunktion durch die Totalreflexion erklärbar ist. Der zweite Tag muss mit der Hochschule abgesprochen werden.

6 Versuch 1 Becher und Münze Arbeitsmaterialien undurchsichtiger Becher mit eingeklebter Münze Messbecher mit Wasser Trichter zum Einfüllen von Wasser Arbeitsauftrag 1. Ein Beobachter der Forschergruppe setzt sich an den Tisch, stützt seinen Kopf ab und bewegt sich während des laufenden Versuches nicht mehr. Die anderen Teammitglieder stellen den Becher auf den Tisch und richten ihn so aus, dass der Beobachter die Münze gerade nicht mehr sieht. 2. Der Becher darf nun auch nicht mehr bewegt werden. Die Teammitglieder gießen mit Hilfe des Trichters vorsichtig Wasser in den Becher. Dabei sollte der Trichter die Sicht des Beobachters auf die Münze nicht verdecken. 3. Was kann der Beobachter, bis der Becher voll ist sehen? NICHT BEWEGEN! 4. Wiederholt diesen Versuch mit einem anderen Teammitglied als Beobachter. Bevor ihr versucht dieses Phänomen zu erklären sollt ihr den Versuch 2 durchführen.

7 Versuch 2 Becher und Draht Arbeitsmaterialien durchsichtiges, abgeklebtes Glas Messbecher mit Wasser Draht Arbeitsauftrag 1. Ohne Wasser 2. Mit Wasser 1.1 Stelle den Draht schräg in den leeren Becher und betrachte ihn von schräg oben. 1.2 Wie sieht der Draht aus? Zeichne ihn in die Skizze ein: 2.1 Fülle nun den Becher bis zur Markierung mit Wasser, achte dabei darauf, dass der Draht nicht verrutscht. 2.2 Betrachte den Draht erneut von oben. Was fällt dir auf? Zeichne ihn in die Skizze ein: Tipp: Betrachte die Wasseroberfläche! Welche Gemeinsamkeiten besitzen die Versuche 1 und 2? Welche Aufgabe könnte der Draht beim Versuch der Münze haben?

8 Versuch 3 Der krumme Lichtstrahl Dieser Versuch sollte als Lehrerversuch aufgrund der Herstellung der Zucker und Milchlösung vorgeführt werden. Hiermit kann veranschaulicht werden, was passiert, wenn das Licht sich durch Medien unterschiedlicher Dichte ausbreitet. Arbeitsmaterialien Laserpointer Quaderförmiges Gefäß (Aquarium) mit Zucker und Milchlösung Vorbereitung der Zucker und Milchlösung Die Zuckerlösung besteht aus drei Liter Wasser mit 1,5 kg Zucker, für die Milchlösung wird auf ein Liter Wasser ein paar Tropfen Milch hinein gegeben. Das Gefäß wird zuerst ca. 5 cm hoch mit der Zuckerlösung gefüllt. Darauf soll nun die Milchlösung gegeben werden. Damit eine Durchmischung vermieden wird, wird die Milchlösung über einen Löffel vorsichtig auf die Zuckerschicht aufgebracht. Im Endzustand lässt dich der Inhalt des Gefäßes in drei Zonen einteilen: Milchwasser Übergangsschicht: Zuckerwasser - Milchwasser Zuckerwasser Arbeitsauftrag 1. Richte einen Laserstrahl in die untere Schicht und anschließend in die oberste Schicht (Milchwasser) und beobachte was passiert. Vervollständige die beiden Laserstrahlen auf dem folgenden Bild. Laserstrahl

9 2. Richte nun den Laserstrahl auf Höhe der Zuckerlösung mit einem großen Einfallswinkel α auf die Übergangsschicht. Kippe den Laser von diesem Punkt Aus immer wieder von waagrecht zu schräg. Die Brechung an der Außenwand des Gefäßes ist aufgrund der dünnen Wand zu vernachlässigen. Dokumentiere auch hier deine Beobachtungen auf dem folgenden Bild und versuche zu erklären, wie es dazu kommt. Laserstrahl α Einfallslot Erklärung: 3. Im letzten Versuch sollst du die Totalreflexion nochmals nachstellen. Überlege, wie du den Laserstrahl in das Gefäß richten musst, damit der Laserstrahl vollständig reflektiert wird. Zeichne den Laserstrahl und seinen weiteren Verlauf im Gefäß ein.

10 Versuch 4 Wasserstrahl als Lichtleiter In dem Versuch, bei dem es um Totalreflexion ging, konntest du sehen, dass Licht unter bestimmten Umständen reflektiert wird. Dieses Phänomen macht man sich bei Lichtleitern zu Nutze (z.b. Glasfasertechnik). Der folgende Versuch, wird dir die Funktionsweise eines Lichtleiters verdeutlichen. Arbeitsmaterialien Farbdose mit Deckel (unterer Teil enthält zwei gegenüberliegende Löcher) Aquarium Kunststoffplatte Laserpointer Messbecher mit Wasser Tesafilm Arbeitsauftrag 1. Dichte eines der Löcher mit einem Tesastreifen ab. 2. Lege die Kunststoffplatte auf den Rand des Aquariums und platziere die Farbdose darauf. Die Dose sollte erhöht stehen, damit der Wasserstrahl gut sichtbar ist. 3. Der Raum sollte ein wenig abgedunkelt sein. 4. Fülle die Farbdose vollständig mit Wasser, halte dabei das offene Loch mit einem Finger zu. 5. Der Laserstrahl wird durch das mit einem Tesastreifen abgedichtete Loch auf die gegenüberliegende Öffnung gerichtet. Entferne den Finger vom anderen Loch. Dose 6. Beobachte den Wasserstrahl, der auf der anderen Seite der Farbdose austritt. Was kannst du beobachten?

11 7. Versuche mit Hilfe der vorangegangenen Versuche deine Beobachtung zu erklären. Eine Skizze kann dir dabei helfen. Dies ist eine vergrößerte Darstellung des Wasserstrahls. Versuch den Verlauf des Lichtstrahles des Lasers möglichst genau einzuzeichnen.

12 Versuch 5 Regensensor Bisher hast du gelernt, dass ein Lichtstrahl beim Übergang von einem Medium in ein anderes abgelenkt wird. Bei einem Übergang von einem dichteren in ein dünneres Medium kann ein Lichtstrahl außerdem ab einem bestimmten Winkel (Grenzwinkel für Totalreflexion) reflektiert werden. Genau diese beiden Effekte hat sich die Automobilindustrie zu Nutze gemacht, um einen Regensensor (Abbildung rechts) für die Windschutzscheibe zu entwickeln. In diesem Versuch wirst du selbstständig die Funktionsweise eines Regensensors kennenlernen. Dazu stehen dir deine neu gewonnenen Erkenntnisse in Form deiner Aufschriebe und die folgenden Materialien zur Verfügung: Quelle: Bosch Arbeitsmaterialien Phototransistor

13 Aufbau der Platine im Detail: variabler Widerstand Schalter Arbeitsauftrag 1. Versuchsaufbau: Phototransistor Montiere den Halbkreiskörper etwa auf halber Höhe am Galgen (schwarze Markierung). Die ebene Seite soll dabei nach oben zeigen und waagrecht ausgerichtet sein, damit hier bei der Versuchsdurchführung das Wasser aufgebracht werden kann. Justiere den Laser so, dass der ausgesendete Lichtstrahl gerade auf die Mitte der waagerechten Fläche des Halbkreiskörpers auftrifft. Platziere nun die Steckplatine auf der Montagevorrichtung, so dass der Laserstrahl auf den Phototransistor (braunes Bauteil siehe Abbildung: Aufbau der Platine im Detail) auftrifft. Die Batterie ist auf der Unterseite der Steckplatine angeklebt. So müsste der Versuchsaufbau dann aussehen: 2. Versuchsdurchführung: Dunkle den Raum ab und schalte den Laser ein. Schalte die Platine ein (Schalter nach vorne in Richtung der Platine drücken).

14 Funktionstest: 1) Laser ist eingeschaltet Phototransistor wird beleuchtet Motor läuft nicht! 2) Laser ist aus Phototransistor wird nicht beleuchtet Motor läuft! Justierung, falls der Motor nicht läuft: Am variablen Widerstand (blaues Quadrat siehe Abbildung: Aufbau der Platine im Detail) so drehen, dass bei mehrmaligem Ein-/ Ausschalten der Motor selbständig anläuft und bei Bestrahlung des Phototransistors der Motor zum Stillstand kommt. (Tipp: Ein Partner hält den Laserpointer gedrückt, der andere macht die Feinjustierung am Halbkreiskörper Neigung) Eventuell muss der Motor per Hand noch leicht angedreht werden! Trifft alles zu, kannst du mit dem Versuch fortfahren. Träufle nun auf den Halbkreiskörper an der Stelle des auftreffenden Strahlenbündels einige Wassertropfen mit Hilfe der Pipette und beobachte dabei den Motor. Was kannst du feststellen? 3. Vervollständige die zusammenfassenden Sätze mit: läuft, läuft nicht, wenig, viel. Die Scheibe ist trocken Licht am Phototransistor Motor Die Scheibe ist nass Licht am Phototransistor Motor

15 4. Funktionsweise des Regensensors: Phototransistor Laser Phototransistor Laser Der reale Regensensor ist innen an der Frontscheibe, meist hinter dem Rückspiegel befestigt und arbeitet nach diesem Prinzip. Er ist ungefähr so groß wie eine Streichholzschachtel (vgl. erste Abbildung zum Versuch 5). Das Licht einer Leuchtdiode (LED) wird an die Glasscheibe gesendet und auf einen Phototransistor reflektiert (siehe Skizze 1). Die empfangene Lichtmenge hängt von der Regenintensität ab. Weil Regentropfen die Totalreflexion an der Glasoberfläche zum Teil aufheben (siehe Skizze 2), wird der Scheibenwischermotor in Bewegung gesetzt.