Demonstrationsexperimente WS 2005/2006

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1 Demonstrationsexperimente WS 2005/2006 Thema: Zerlegung des Lichtes in seine Spektralfarben mit einem Prisma Demonstration der Entstehung von Komplementärfarben mit einer Zylinderlinse 1. Versuchsbeschreibung: Stefanie Scheler Materialliste: - 3 Dreifuß Pass - 3 Halter für Stahlschienen - 1 Stahlschiene Fünfkantprofil - 1 Stahlschiene mit Gelenk Fünfkantprofil - 4 Reiter für Fünfkantprofilbank - 1 Experimentierleuchte (Phywe) Halogen 50 Watt - 1 Blendenhalter als Aufsatz für die Experimentierleuchte - 1 Spalt - 1 optisches Gitter (570 nm auf Folie zwischen Glasplättchen) - 1 Linse (Kondensor mit f=10cm) - 1 weißer Schirm - 1 Prismentisch mit Halter - 1 Dreiecksprisma mit 90 -Winkel, gleichschenklig - 1 Zylinderlinse - 1 Tonnenfuß - 1 Strohhalm - 1 Elektrische Energieversorgung für Experimentierleuchte (12V/50W) Versuchsdurchführung: Im ersten Teil des Versuchs soll die Zerlegung weißen Lichtes in seine Spektralfarben mit einem Prisma demonstriert werden. Hierfür wird die Stahlschiene mit Fünfkantprofil als optische Bank mit zwei Dreifüßen und zwei Haltern für Stahlschienen aufgebaut. An einem Ende wird die Experimentierleuchte mit aufgesetztem Kondensor (f=10cm) und Blendenhalter in einem Reiter befestigt. In einem weiteren Reiter wird der Prismentisch mit Halter auf der optischen Bank befestigt. Um nahezu paralleles Licht und somit eine gute Bildqualität zu erhalten, was vor allem für den zweiten Versuchsteil wichtig ist, verschiebt man die Lichtquelle in der 1

2 Lampe so lange, dass sie sich im Brennpunkt des Kondensors befindet, und man in mehreren Metern Entfernung an der Wand ein deutliches Bild der Glühwendel erkennt. Nun schiebt man den Spalt in den auf die Lampe aufgesetzten Blendenhalter, um zu verhindern, dass das Spektrum eine Überlagerung mehrerer Spaltbilder ist. Um jetzt die Zerlegung des Lichtes zu zeigen, wird das Prisma auf den Prismentisch gesetzt und dieser zunächst so in der Höhe verstellt, dass das Prisma sich im Strahlverlauf der Lichtquelle befindet. Dann wird der Tisch so lange gedreht, bis der Lichtstrahl das Prisma unter einem geeigneten Winkel trifft und der Austrittsstrahl in seine Spektralfarben zerlegt ist. Das Bild des Farbspektrums kann nun entweder an einer weißen Wand aufgefangen und beobachtet werden, oder wahlweise könnte man auch den Schirm verwenden. (Entfernung zur Wand/zum Schirm ca. 1-3m). Um nun im zweiten Versuchsteil die Entstehung von Komplementärfarben zu zeigen, wird zunächst die optische Bank durch die Stahlschiene mit Gelenk noch erweitert. Auf dieser wird der Schirm mit einem Reiter befestigt. Das Prisma wird aus dem Strahlengang genommen und auch der Spalt vor der Lichtquelle wird wieder entfernt, da sonst das Licht für diesen Versuch zu schwach wäre. Dabei muss allerdings bedacht werden, dass dann das Spektrum eine Überlagerung von vielen Spaltbildern ist. Alternativ könnte man auch eine stärkere Lampe verwenden. Um die Qualität des Spektrums etwas zu verbessern, verwendet man anstelle des Prismas ein Gitter für dessen Erzeugung, das in den Blendenhalter vor die Lampe geschoben wird. Vor der Lampe wird auf der Schiene noch eine Irisblende in einem Blendenhalter angebracht. Die Zylinderlinse wird auf dem Tonnenfuß befestigt. Für die Durchführung wird nun zunächst bei offener Irisblende mit Hilfe des Gitters ein Farbspektrum erzeugt und der Schirm auf der Schiene mit Gelenk so verschoben, bis ein deutliches Bild des Spektrums darauf zu sehen ist. Dann wird die Zylinderlinse in den Strahlengang gestellt und die Öffnung der Irisblende so weit verkleinert, bis das Spektrum in seiner gesamten Breite auf die Zylinderlinse auftrifft. Wäre das Spektrum breiter als die Zylinderlinse würden auf dem Schirm an den Rändern des Bildes Farbeffekte durch Brechung auftreten. Die Entfernung zwischen Lichtquelle und Zylinderlinse wird nun durch Verschieben letzterer so lange verändert, bis auf dem Schirm anstelle des Farbspektrums ein scharfes weißes Bild entsteht. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Irisblende und die Zylinderlinse exakt so eingestellt sind, dass der Lichtstrahl jeweils senkrecht darauf auftrifft, da sonst wieder Farbeffekte an den Rändern auftreten können. Nun hält man in den Strahlengang vor die Zylinderlinse einen Strohhalm um damit einzelne Spektralfarben auszublenden und beobachtet am Schirm die entstehenden Farben. Es ist noch darauf hinzuweisen, dass dabei am Schirm auch Mischfarben auftreten können, die nicht im Spektrum vorkommen, da es meist nicht vollständig gelingt, mit dem Strohhalm genau eine Spektralfarbe auszublenden. 2. Lernvoraussetzungen - Schüler wissen, aufgrund des Modells der geometrischen Optik, dass sich Licht 2

3 geradlinig ausbreitet - Schüler kennen die Brechungsgesetze und somit das Verhalten der Lichtstrahlen beim Durchgang durch einen Halbkreiskörper aus Glas bei senkrecht auftreffenden Lichtstrahlen und somit auch beim Durchgang durch eine Zylinderlinse - Schüler kennen den Verlauf der Lichtstrahlen beim Durchgang durch eine planparallele Platte - Schüler kennen den Verlauf eines dünnen Lichtstrahls beim Durchgang durch ein Prisma, dazu den Ablenkungs- und Prismenwinkel - Schüler kennen die Linsengesetze für dünne Linsen 3. Lernziele 3.1. Grobziele - Schüler sollen wissen, dass weißes Licht aus mehreren farbigen Anteilen besteht, den Spektralfarben - Schüler sollen die Entstehung von Komplementärfarben kennen lernen 3.2. Feinziele - Schüler sollen wissen, dass weißes Licht sich aus mehreren farbigen Anteilen zusammensetzt - Sie sollen wissen, dass im Prisma diese Anteile unterschiedlich stark gebrochen werden, da die Brechzahlen der verschiedenen Spektralfarben unterschiedlich sind - Sie sollen wissen, dass aufgrund dieser unterschiedlichen Brechungszahlen nach dem Durchgang durch das Prisma die Anteile in einem Spektrum zu sehen sind - Sie sollen wissen, dass sich dieses Spektrum aufteilt in die mit den Augen noch unterscheidbaren Farben Rot, Orange, Gelb, Grün, Indigo, Blau und Violett - Sie sollen wissen, dass diese Farben Spektralfarben heißen - Sie sollen wissen, dass die Farbzerlegung als Dispersion bezeichnet wird (bzw. exakter ist damit die Abhängigkeit der Brechzahl von der Wellenlänge des Lichtes gemeint, was aber ja genau die Zerlegung in die einzelnen Spektralfarben bewirkt) - Sie sollen wissen, dass man mit Hilfe einer Zylinderlinse die Spektralfarben wieder vollständig überlagern kann - Sie sollen wissen, dass bei dieser Überlagerung wieder weißes Licht entsteht - Sie sollen wissen, dass das Ausblenden einer Spektralfarbe vor der Wieder- vereinigung dazu führt, dass sich die restlichen Spektralfarben zu einer Mischfarbe 3

4 vereinigen - Sie sollen wissen, dass diese Mischfarbe als Komplementärfarbe zu der ausgeblendeten Spektralfarbe bezeichnet wird - Sie sollen wissen, dass sich die ausgeblendete Spektralfarbe und ihre Komplementärfarbe bei Überlagerung wieder zu weiß ergänzen - Sie sollen die zusammengehörigen Komplementär- und Spektralfarben kennen: Grün und Rot, Blau und Orange, Violett und Gelb 4. Bezug zu einem übergeordneten Unterrichtsthema: Das Thema gehört zum Bereich der Optik, dabei speziell zum Thema der Brechung von Lichtstrahlen. 5. Experimentelle Alternative Im ersten Teil des Versuchs könnte zur Brechung des Lichtstrahles auch ein Geradsichtprisma verwendet werden oder ein Gefäß mit Wasser. Für den zweiten Teil könnte man auch mit dem Prisma weiter arbeiten, allerdings wird durch die Verwendung des Gitters anstelle des Prismas die Intensität des Bildes verbessert. Zum Ausblenden der Spektralfarben könnte man auch ein dünnes Glasröhrchen nehmen, z.b. einen Glasrührstab aus Vollglas. Der positive Effekt dabei wäre, dass dann auf dem Schirm rechts und links von der entstehenden Komplementärfarbe jeweils ein Streifen in der ausgeblendeten Spektralfarbe zu sehen wäre. 6. Mögliche bzw. notwendige Modifikation des Demonstrationsexperiments bei Einsatz als Gruppenexperiment Grundsätzlich wird an dem Versuchsaufbau für die Durchführung des Experimentes als Gruppenexperiment nichts geändert. (Anmerkung: Es sind mittlerweile neue Lampen vorhanden.) Man könnte allerdings die Schüler versuchen lassen, das Spektrum mit anderen verschiedenen Mitteln, außer dem Prisma, sichtbar zu machen, z. B. mit verschiedenen mit Wasser gefüllten Gefäßen. 7. Unterrichtsverfahren Modifiziertes Normalverfahren 7.1 Sozialformen Unterrichtsgespräch mit Demonstrationsexperiment 4

5 7.2 Lehrformen und Lernformen 1. Lehrformen Medien ersetzendes Lehren, darbietend (Tafelanschrift, Versuch demonstrieren), fragend-entwickelnd 2. Lernformen Aufnehmendes Lernen: Schüler beobachten den Versuch 7.3 Motivationssituation oder Einstiegssituation Als Einstiegssituation könnte der Lehrer mit Hilfe eines mit Wasser gefüllten Gefäßes auf dem Overhead-Projektor einen Regenbogen erzeugen. In einem fragend-entwickelnden Unterrichtsgespräch müssen dann die Schüler erst darauf gebracht werden, welches Material außer Wasser auch noch die Eigenschaft hat, dass Lichtstrahlen beim Durchgang gebrochen werden. Wenn Glas genannt wurde, kann der Lehrer die Schüler fragen, was aus Glas schon früher im Unterricht verwendet wurde und die Eigenschaft hat, Lichtstrahlen abzulenken, woraufhin die Schüler sicher u. a. das Prisma nennen. 8. Sicherung der Lernziele Die Spektralfarben Lässt man weißes Licht durch ein Prisma hindurch laufen, so wird es in seine verschiedenfarbigen Anteile, die Spektralfarben Rot, Orange, Gelb, Grün, Indigo, Blau und Violett zerlegt, die in einem kontinuierlichen Spektrum zu sehen sind. Die Farberscheinungen entstehen dadurch, dass die verschiedenen Lichtanteile unterschiedlich stark gebrochen werden. Diesen Vorgang bezeichnet man auch als Dispersion. (von lat. dispergere ausbreiten, zerstreuen) 5

6 Die Entstehung der Komplementärfarben Mit Hilfe einer Zylinderlinse können die farbigen Anteile des Spektrums wieder gebündelt werden, wobei erneut weißes Licht entsteht. Blendet man dabei mit einem dünnen Röhrchen aus dem Strahlengang vor der Zylinderlinse eine Farbe des Spektrums aus, so vereinigen sich die restlichen Spektralfarben zu einer Mischfarbe, der sogenannten Komplementärfarbe zur ausgeblendeten Spektralfarbe. Dabei gilt: Ausgeblendete Spektralfarbe Komplementärfarbe Rot Orange Gelb Grün Blau Violett Grün Blau Violett Rot Orange Gelb 9. Lernzielkontrolle Während der Versuchsdurchführung: Zur Sicherung aller Lernziele muss den Schülern der Versuch ausführlich erklärt werden. Dabei sollten die Schüler während der Durchführung immer wieder nach ihren Erwartungen gefragt werden und sie sollen auch selbst die Ergebnisse erkennen, z.b. welche Farben im Farbspektrum zu sehen sind. Bei der Hausaufgabe: Zur Sicherung, bzw. Vertiefung der Feinziele: Die Schüler sollen eine beschriftete Versuchsskizze anfertigen, wenn anstelle des Dreiecksprismas ein Geradsichtprisma verwendet wird. Zur Vertiefung bzw. Übertragung folgender Feinziele - Schüler sollen wissen, dass weißes Licht sich aus mehreren farbigen Anteilen zusammensetzt - Sie sollen wissen, dass im Prisma (bzw. beim Durchgang durch einen Wassertropfen) diese Anteile unterschiedlich stark gebrochen werden, da die Brechzahlen der verschiedenen Spektralfarben unterschiedlich sind - Sie sollen wissen, dass aufgrund dieser unterschiedlichen Brechungszahlen nach dem Durchgang durch das Prisma (bzw. einen Regentropfen) die Anteile in einem Spektrum zu sehen sind - Sie sollen wissen, dass sich dieses Spektrum aufteilt in die mit den Augen noch unterscheidbaren Farben Rot, Orange, Gelb, Grün, Indigo, Blau und Violett - Sie sollen wissen, dass diese Farben Spektralfarben heißen Um obige Feinziele zu vertiefen, bzw. auch übertragen zu können, sollen die Schüler sich zusätzlich überlegen und eine Skizze erstellen, wie der Strahlverlauf des Sonnenlichtes im Regentropfen ist und wie somit ein Regenbogen entsteht. 6

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