Didaktische FWU-DVD. Wellenoptik

Transkript

1 Didaktische FWU-DVD Wellenoptik

2 Zur Bedienung Mit den Pfeiltasten der Fernbedienung (DVD-Player) oder der Maus (Computer) können Sie Menüpunkte und Buttons ansteuern und mit der OK-Taste bzw. Mausklick starten. Um das Arbeitsmaterial zu sichten / auszudrucken, legen Sie die DVD in das Laufwerk Ihres Computers ein und öffnen den Ordner material. Die Datei Inhalts verzeichnis öffnet die Startseite. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Schülerinnen und Schüler können erkennen, dass das Strahlenmodell des Lichts nicht ausreicht, alle optischen Erscheinungen zu erklären; kennen wichtige historische Stationen der Entwicklung des Wellenmodells; kennen das Huygens sche Prinzip; können Interferenzerscheinungen erklären; erhalten Einblick in das Phänomen der Polarisation; dokumentieren und präsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachgerecht, situationsgerecht und adressatenbezogen, auch unter Nutzung elektronischer Medien, in Form von Texten, Skizzen, Zeichnungen, Tabellen oder Diagrammen; recherchieren zu physikalischen Sachverhalten in unterschiedlichen Quellen und wählen themenbezogene und aussagekräftige Informationen aus; üben sich in Medienkompetenz. 2

3 Zum Inhalt Wellenoptik Film (26 min) Nicht alle Erscheinungen des Lichtes wie zum Beispiel die schillernden Farben der Seifenblasen lassen sich mit dem Strahlenmodell beschreiben. Es scheint nur einen begrenzten Gültigkeitsbereich zu haben. Für die Erklärung von Farberscheinungen braucht man also ein anderes Modell. Schon im 17. Jahrhundert begann man, sich Licht als Welle vorzustellen. Wissenschaftler wie Hooke, Huygens und Young legten die Basis für die heutige Vorstellung von Licht als Welle. Die moderne Wellenoptik auch physikalische Optik behandelt Licht als elektromagnetische Welle. Der Film zeigt, wie mithilfe der Wellenoptik Eigenschaften wie Farbe, Interferenzfähigkeit, Beugung und Polarisation des Lichtes verständlich werden, die mit geometrischer Optik nicht erklärbar sind. Weiterhin werden klassische Experimente zur Wellenoptik wie der Doppelspaltversuch gezeigt und die Eigenschaften von Licht als Welle erklärt. 3

4 Sequenzen Die Geschichte der Wellentheorie (Filmsequenz 4:10 min) Ausgehend von einigen im Alltag beobachtbaren Phänomenen, die teilweise mit dem Strahlenmodell erklärt werden können, wird plausibel gemacht, dass es ein neues Modell mit einer größeren Erklärungsmacht geben muss. Dazu wird der historische Entwicklungsgang in der Erforschung der Eigenschaften von Licht kurz nachvollzogen. Dieser Gang beginnt mit den Experimenten von Francesco Grimaldi ( ) und stellt kurz die weiterführenden Ideen von Robert Hooke ( ), Christiaan Huygens ( ) und Thomas Young ( ) vor. Auch die Newtonsche Korpuskeltheorie (Isaac Newton, ) wird beschrieben, die auch aufgrund des hohen Ansehens Newtons fast 100 Jahre lang die Verfolgung der Wellentheorie des Lichts verhinderte. Eigenschaften von Wellen (Filmsequenz 2:50 min) Anhand eines mechanischen Modells einer Welle werden die wesentlichen Begriffe eingeführt, mit deren Hilfe das Verhalten und die Ausbreitung von Wellen beschrieben wird. Am Anfang steht die allgemeine Charakterisierung von Wellen. Ferner wird der Begriff der Phase und der Kohärenz eingeführt. Spricht man nur von Kohärenz, ist die zeitliche und räumliche Kohärenz gemeint. Die auf der Animation sichtbaren Wellenzüge sind sowohl räumlich (da sie parallel 4

5 sind) als auch zeitlich kohärent (da sie gleiche Wellenlänge haben). Der Begriff der Kohärenz ist entscheidend für die Interferenz von Wellen. Außerdem werden Wellenlänge, Frequenz und Amplitude einer Welle sowie die Phasengeschwindigkeit mit dem Zusammenhang von Wellenlänge und Frequenz eingeführt. Huygens sches Prinzip (Filmsequenz 4:50 min) Ausgehend von Wasserwellen wird das Huygens sche Prinzip der Überlagerung von Elementarwellen veranschaulicht. Dabei helfen vor allem auch Animationen. Die Lehrkraft sollte betonen, dass die Elementarwellen gedankliche Konstrukte sind, die geometrisch erklären, wie sich nach Hindernissen oder Löchern die neuen Wellenfronten ausbilden. Sie sind nicht real beobachtbar. Weiterhin wird erläutert, in welcher Beziehung Strahlenmodell und Wellenmodell zueinanderstehen. Die Normale auf eine Wellenfront gibt die Ausbreitungsrichtung der Welle an, die in der geometrischen Optik als Strahl dargestellt wird. Anschließend wird erläutert, wie sich Reflexion und Brechung mithilfe des Huygens schen Prinzips der Elementarwellen erklären lassen. Auch am Beispiel der Brechung wird die Beziehung zwischen Strahlenmodell und Wellenmodell deutlich gemacht. Hierbei werden direkt die Wasserwellen, die hier als Modell für die Lichtausbreitung dienen, thematisiert. Sie werden bei dem Übergang vom tiefen Wasser zum flachen Wasser gebrochen, da sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit verringert. Als weiteres für Wellen typisches Phänomen wird die Beugung anhand von Wasserwellen eingeführt und auf Schallwellen übertragen. Abschließend werden Interferenzerscheinungen behandelt. Das Prinzip der ungestörten Überlagerung wird wieder anhand von Wasserwellen veranschaulicht. Zusätzlich werden hier die Begriffe destruktive und konstruktive Interferenz erläutert. Dabei wird auch die Rolle der Kohärenz erwähnt. Doppelspaltversuch (Filmsequenz 5:50 min) Mithilfe eines nachempfundenen Originalexperimentes von Thomas Young ( ) wird das Phänomen der Interferenz von Licht beschrieben. Dabei geht es vorrangig darum, deutlich zu zeigen, wie Interferenzmuster aussehen. Auch der Beitrag von Augustin Fresnel ( ) wird eingeordnet. Mithilfe einer Animation der Wellenfronten 5

6 und ihrer Überlagerung mit dem huygensschen Prinzip der Elementarwellen wird die Entstehung des Interferenzmusters gezeigt. Anschließend wird das Doppelspaltexperiment demonstriert. Mit Animationen und Grafiken werden wichtige Begriffe wie Beugungsmaximum, Hauptmaximum, Minimum eingeführt. Ein weiterer Punkt ist die Abhängigkeit der Beugungs- und Interferenzerscheinungen von der Wellenlänge. Hierzu wird auf die Technik des Parallelexperiments zurückgegriffen, indem Interferenz von grünem und rotem Laser gleichzeitig gezeigt werden. Zusätzlich wird die Interferenz am Gitter auch mit weißem Licht gezeigt. Ausbreitung von Wellen (Filmsequenz 1:20 min) In dieser Sequenz wird auf die Ausbreitung von Licht in unterschiedlichen Medien eingegangen. Zunächst wird erläutert, dass Lichtwellen kein Medium benötigen, sondern sich auch im Vakuum ausbreiten können. Einige Zeit wird auf die Erläuterung der Veränderung der Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien verwendet. Elektromagnetisches Spektrum (Filmsequenz 1:40 min) Hier wird das elektromagnetische Spektrum mit einem Schwerpunkt auf dem sichtbaren Bereich sowie UV- und infrarotem Licht beschrieben. Es wird auf die Gemeinsamkeiten aller elektromagneti- 6

7 schen Wellen in Bezug auf die zuvor behandelten Charakteristika wert gelegt. Farben (Filmsequenz 2:10 min) Die Wellenlänge des Lichtes bestimmt seine Farbe; weißes Licht ist eine Überlagerung unterschiedlicher Wellenlängen. Es wird verdeutlicht, dass die Farbe, die wir aufgrund unseres Sehvorgangs wahrnehmen, von der Frequenz abhängt. Durch unterschiedliche Brechung verschiedener Wellenlängen entstehen die Farben an einem Prisma und die Farben des Regenbogens. Beugungsmuster (Filmsequenz 1:00 min) Die Farben einer schillernden CD kann man mit Interferenz erklären. Hier werden Lichtwellen aufgrund des Huygens schen Prinzips an den Rillen auf der CD-Oberfläche gebeugt. Die dabei entstehenden Elementarwellen interferieren. Dabei entsteht ein Beugungsmuster oder ein Beugungsbild. Aufgrund der Komplexität dieses Vorgangs wurde von einer Animation der Vorgänge abgesehen und sich beispielhaft auf die Phänomene beschränkt. So sind beispielsweise auch Hologramme Beugungsmuster. Polarisation (Filmsequenz 1:30 min) Diese Sequenz geht kurz und phänomenologisch auf die Polarisation ein. Eine Animation dient dazu, das Prinzip der Polarisation zu zeigen. Zum Abschluss wird die Polarisation an Beispielen veranschaulicht und als Anwendung ein Beispiel aus der Fotografie gezeigt. Amplitude und Wellenlänge (Grafik) An dieser Grafik einer Welle sind die Amplitude und die Wellenlänge eingezeichnet. Sie dient zur Festigung des Gelernten. Es bietet sich an, die Grafik auszudrucken und den Schülerinnen und Schülern auszuteilen. So haben sie stets eine Visualisierung dieser Größen zur Hand. 7

8 Interferenz (Grafik) Diese Grafik zeigt die konstruktive und die destruktive Interferenz zweier Wellen: Wellen mit gleicher Phase addieren sich; Wellen mit unterschiedlicher Phase löschen sich gegenseitig aus. Es bietet sich an, die Grafik auszudrucken und den Schülerinnen und Schülern auszuteilen. So haben sie stets eine Visualisierung dieses Phänomens zur Hand. Ausbreitung am Mehrfachspalt (Grafik) Trifft eine Wellenfront auf eine Öffnung, dann bildet sich eine Kreiswelle aus, eine Elementarwelle. Diese breitet sich mit der gleichen Geschwindigkeit und Frequenz wie die ursprüngliche Welle aus. Bei mehreren Spalten nebeneinander überlagern sich die einzelnen Elementarwellen und bilden wieder eine neue Welle die Einhüllende. Lichtbrechung im Regentropfen (Grafik) Die Lichtbrechung und die Aufspaltung weißen Lichtes in seine Spektralfarben durch einen Wassertropfen können mit dieser Grafik erarbeitet werden. Didaktische Hinweise Die Produktion Wellenoptik ist für den Einsatz im Rahmen des Optikunterrichts konzipiert. Sie dient zur Behandlung des Wellenmodells des Lichts und damit zusammenhängend von Interferenzerscheinungen. Sie kann außerdem eingesetzt werden, um Grundbegriffe der Wellen zu wiederholen oder auch als Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen dienen, beispielsweise der Bedeutung der Kohärenz von Wellen oder der Polarisation des Lichts. Der Film zeigt, wie mithilfe der Wellenoptik Eigenschaften wie Farbe, Interferenzfähigkeit, Beugung und Polarisation des Lichtes verständlich werden, die mit geometrischer Optik nicht erklärbar sind. Weiterhin werden klassische Experimente zur Wellenoptik wie der Doppelspaltversuch gezeigt und die Eigenschaften von Licht als Welle erklärt. Der Film eignet sich sowohl als Ein- oder Ausstieg einer Unterrichtsreihe als auch zum begleitenden stückweisen Einsatz. Die Produktion bietet darüber hinaus weitere Materialien, die flexibel im Unterricht eingesetzt werden können. Es ist hilfreich, sich zunächst die Programmstruktur zur Hand zu nehmen, die einen Überblick über die vorhandenen Medien gibt. 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor: Die PDF-Dateien können direkt am Computer ausgefüllt oder ausgedruckt werden. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen, als PDFs zum Ausfüllen) Grafiken Filmkommentar Programmstruktur Weitere Medien Materialien Hinweise zum Einsatz im Unterricht 1) Arbeitsblatt 1: Strahlenmodell vs. Wellenmodell 2) Arbeitsblatt 2: Kohärentes Licht 3) Arbeitsblatt 3. Interferenz hat viele Gesichter 4) Arbeitsblatt 4. Lichtgeschwindigkeit c 5) Arbeitsblatt 5: Farberscheinungen Amplitude und Wellenlänge Interferenz Ausbreitung am Mehrfachspalt Elektromagnetisches Spektrum Lichtbrechung im Regentropfen Filmkommentar als PDF-Dokument Übersicht über die Didaktische FWU-DVD Info zu ergänzenden Medien 9

10 Programmstruktur Hauptmenü Wellenoptik Wellenoptik Film 26 min Wellenoptik Sequenzen Amplitude und Wellenlänge Grafik Interferenz Grafik Ausbreitung am Doppelspalt Grafik Lichtbrechung im Regentropfen Grafik Arbeitsmaterial Untermenü Wellenoptik Die Geschichte der Wellentheorie Eigenschaften von Wellen Huygens sches Prinzip Doppelspaltversuch Ausbreitung von Wellen Elektromagnetisches Spektrum Farben Beugungsmuster Polarisation 4:10 min 2:50 min 4:50 min 5:50 min 1:20 min 1:40 min 2:10 min 1:00 min 1:30 min Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 5 Arbeitsblätter (mit Lösungen) 5 Grafiken Filmkommentar Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben 10

11 Produktionsangaben Wellenoptik (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2013 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann DVD-Authoring und Design TV Werk im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2013 Arbeitsmaterial Prof. Dr. Gesche Pospiech Grafiken Wikimedia: Horst Frank KES47 Fotos aus der Wikimedia können nach der jeweils angegebenen Lizenz genutzt werden. Coverbild Timm Weitkamp Fachberatung Prof. Dr. Gesche Pospiech Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zum Film Wellenoptik Produktion Technische Universität Dresden Medienzentrum und Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften Fachrichtung Physik im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2013 Buch und Regie Volkmar Schmidt Kamera Gerald Goepfert Felix-Fabian Hallmann Schnitt Volkmar Schmidt Felix-Fabian Hallmann Grafik Rainer Uhlemann Michael Roth Sprecher Matthias Henkel Redaktion Dr. Maike Schuchmann Vielen Dank für die freundliche Unterstützung: Kyle Neuper Yvonne Dominik Göran Tronicke Björn Schneider Robin Kromat Gästehaus der TU Dresden Einsteinstraße BlueValley Musik Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2013 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Wellenoptik Die Wellenoptik auch physikalische Optik behandelt Licht als elektromagnetische Welle. Diese Produktion zeigt, wie mithilfe der Wellenoptik Eigenschaften wie Farbe, Interferenzfähigkeit, Beugung und Polarisation des Lichtes verständlich werden, die mit geometrischer Optik nicht erklärbar sind. Weiterhin werden klassische Experimente zur Wellenoptik wie der Doppel spaltversuch gezeigt und die Eigenschaften von Licht als Welle erklärt. Zusätzlich stehen Arbeitsblätter, didaktische Hinweise und weitere ergänzende Unterrichtsmaterialien zur Verfügung. Erscheinungsjahr: 2013 Laufzeit: 26 min Film: 1 Sequenzen: 9 Grafiken: 4 Sprache: DVD-ROM-Teil: Arbeitsblätter: Adressaten: Deutsch Unterrichtsmaterialien 5 (mit Lösungen, als PDFs zum Ausfüllen) Allgemeinbildende Schule (Klasse 10-13) Schlagwörter: Beugung; Brechung; Doppelspalt; Elementarwelle; Farbe; Frequenz; Fresnel, Augustin; Gitterspektrum; Grimaldi, Francesco; Hertz; Hologramm; Hooke, Robert; Huygens, Christiaan; Interferenz; Kohärenz; Korpuskel; Laser; Newton, Isaac; Polarisation; Polfilter; Prisma; Reflexion; Schwingungsdauer; Spektrum; Wellenfront; Wellenlänge; Wellentheorie; Young, Thomas Systematik: Physik Optik Wellenoptik FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG GEMAFREI Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de