Das Demonstrationsexperiment WS 2008/09 Brennweitenbestimmung von Sammellinsen Ralf Taumann 05.11.2008 1
Inhaltsverzeichnis 1 Versuchsbeschreibung... 3 1.1 Materialliste... 3 1.2 Versuchsaufbau... 3 1.3 Versuchsvorarbeiten... 4 1.4 Versuchsdurchführung... 4 1.5 Mögliche Aufbau- und Bedienfehler... 5 2 Lernvoraussetzungen... 5 3 Lernziele... 5 3.1 Grobziele... 5 3.2 Feinziele... 6 4 Übergeordnetes Unterrichtsthema... 6 5 Unterrichtsverfahren... 6 5.1 Sozialformen... 6 5.2 Unterrichtsmethode... 7 5.3 Motivations- und Einstiegssituation... 7 5.4 Schülerversuch... 7 5.4.1 Materialliste (für jeweils eine Versuchsgruppe)... 8 5.4.2 Versuchsdurchführung... 8 6 Sicherung der Lernziele... 9 7 Lernzielkontrollen... 11 8 Hausaufgabe... 12 9 Prä- und Misskonzepte... 14 10 Quellen... 15 2
1 Versuchsbeschreibung 1.1 Materialliste 6 V Wechselspannungsquelle (Typ: Stelltrafo, 12 A) Experimentierleuchte (Typ 2 von Phywe mit Glühlampe E14, 6 V) Optische Bank (1 m lang) 3 Reiter für optische Bank Einfachkondensor (f=60 mm, Durchmesser = 45 mm) Blendenhalter (aufsteckbar auf Kondensor) Dreifachschlitzblende Metallschirm mit weißem Papier beklebt Diverse Sammellinsen (Brennweiten: 100 mm, 200 mm, 300 mm) Halterung für Sammellinse Farbfilter 1.2 Versuchsaufbau Auf einer optischen Bank werden mithilfe der drei Reiter eine Experimentierleuchte, auf welche ein Kondensor, der die Lichtstrahlen kollimiert, und ein Blendenhalter aufgesteckt werden, eine Halterung mit einer Sammellinse und ein Metallschirm, welcher mit weißem Papier beklebt wurde, montiert. In den Blendenhalter wird eine Dreifachschlitzblende eingesetzt. Die Lampe wird an das Netzgerät angeschlossen. Die Birne und die Linse sollten so justiert werden, dass die parallelen Lichtbündel senkrecht auf die Linsenebene auftreffen. Der Lichtstrahl sollte gut kollimiert sein. Hierfür wird die Position der Birne im Gehäuse bei aufgestecktem Kondensor so lange verstellt, bis die Glühwendel auch in größerer Entfernung so scharf wie möglich zu sehen ist. Ein Farbfilter kann noch vor der Linse in den Strahlengang eingesetzt werden, wodurch der Brennpunkt, welcher wellenlängenabhängig ist, u. U. etwas deutlicher wird. Die Intensität der Lichtbündel verringert sich. 3
1.3 Versuchsvorarbeiten Der Raum muss vor Beginn des Versuchs abgedunkelt werden, damit der auf dem Schirm erkennbare Strahlenverlauf auch in einiger Entfernung noch gut zu sehen ist. 1.4 Versuchsdurchführung a) Im Blendenhalter der Lampe befindet sich eine Dreifachschlitzblende. Eine Sammellinse wird in die Halterung eingesetzt und im optischen Reiter festgeschraubt. (Mit Bleistift können auf dem Papier, welches auf dem Schirm befestigt wurde, die Verläufe zweier Strahlen aufgezeichnet werden. Ihr Schnittpunkt ist der Brennpunkt der Linse.) Abbildung 1: Versuchsaufbau 1 b) Die Linse wird durch eine Linse mit anderer Brennweite vertauscht. Die Entfernung des Brennpunktes zur Linsenmitte ändert sich. 4
1.5 Mögliche Aufbau- und Bedienfehler Um den Strahlenverlauf deutlich erkennen zu können, sollte die Lampe ausreichend kollimiert sein. Der Raum sollte ausreichend abgedunkelt und der Lichtstrahl so hell wie möglich sein, damit der Strahlenverlauf auch in einiger Entfernung noch gut erkennbar ist. Es ist unbedingt darauf zu achten, dass das Papier straff auf dem Schirm aufgeklebt wird. 2 Lernvoraussetzungen Wissen, dass sich Licht geradlinig ausbreitet Kenntnis des Modells Lichtstrahl Kenntnis des Brechungsgesetzes in vereinfachter Form 3 Lernziele 3.1 Grobziele Die Schüler sollen wissen, wie ein paralleles Lichtbündel an einer Sammellinse gebrochen wird. Die Schüler sollen ein Experiment kennen, mit welchem man die Brennweite einer Sammellinse bestimmen kann. 5
3.2 Feinziele Die Schüler sollen die Definition des Begriffs Sammellinse kennen und wissen, dass Sammellinsen im Medium Luft in der Mitte dicker als am Rand sind. Die Schüler sollen wissen, dass ein Lichtstrahl an einer Sammellinse zweifach gebrochen wird. Die Schüler sollen wissen, dass eine Sammellinse parallele Lichtbündel nach der Brechung zunächst in einem Punkt sammelt, bevor sie wieder auseinanderlaufen. Die Schüler sollen die Definition des Begriffs Brennpunkt kennen und wissen, dass dessen Lage von der Stärke der Krümmung der Linse abhängt. Die Schüler sollen die Definition des Begriffs Brennebene kennen und wissen, dass auch paralleles Licht, welches schräg auf die Linse einfällt, von dieser in einem Punkt gebündelt wird. Dieser liegt in der Brennebene, die parallel zur Linsenebene verläuft. Die Schüler sollen die Definition des Begriffs Brechkraft und den Zusammenhang zwischen Brennweite und Brechkraft kennen. 4 Übergeordnetes Unterrichtsthema Das Thema Brennweitenbestimmung von Sammellinsen wird im Fach Natur und Technik im Themenschwerpunkt Optik (7.1.3) behandelt. Diesem Thema geht das Thema Reflexion und Brechung voraus. Es dient als Grundlage für die Themen Auge und Fehlsichtigkeiten und Bildentstehung bei einem optischen Instrument. 5 Unterrichtsverfahren 5.1 Sozialformen Gruppenunterricht (Schülerversuch) Unterrichtsgespräch (z. B. Demonstrationsexperiment) Frontalunterricht (Brechkraft) 6
5.2 Unterrichtsmethode Normalverfahren Anreizend aufgebende Lehrform 5.3 Motivations- und Einstiegssituation Es werden Sammellinsen (ohne Nennung ihres Namens) unterschiedlicher Brennweiten an die Schüler ausgeteilt. Die Schüler sollen das von draußen durch ihre Linse einfallende Sonnenlicht an einem Schirm (z. B. ein Stück weiße Pappe) untersuchen. Sie erhalten folgenden Arbeitsauftrag: Finde heraus, wie weit entfernt die Linse vom Schirm sein muss, damit das Sonnenlicht zu einem möglichst kleinen Punkt auf der Pappe gebündelt wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass auf keinen Fall durch die Linse direkt in die Sonne gesehen werden darf. Im Idealfall stellen die Schüler fest, dass die Linse das Licht der Sonne tatsächlich in einem Punkt bündelt (wodurch die Definition von Brennpunkt erarbeitet werden kann) bzw. sammelt (wodurch der Begriff Sammellinse und seine Definition verdeutlicht wird). Des Weiteren bestimmen die Schüler (mithilfe eines Lineals, Maßbandes o.ä.) den Abstand des Brennpunktes von der Linse (also die Brennweite). Im günstigsten Fall stellen die Schüler hierbei auch fest, dass die Brennweite etwas mit der Form der Linse (Stärkung der Krümmung) zu tun hat. 5.4 Schülerversuch Die Schüler sollten im Anschluss an das Demonstrationsexperiment in Gruppenarbeit nachfolgend beschriebenen Schülerversuch durchführen. 7
5.4.1 Materialliste (für jeweils eine Versuchsgruppe) 12 V Wechselspannungsquelle (Typ: Stelltrafo, 12 A) oder ein anderes passendes Netzgerät) Leuchtbox 12 V, Halogen von Phywe Diverse Plexiglaskörper Dreifachschlitzblende, Einfachschlitzblende Winkelscheibe 5.4.2 Versuchsdurchführung Die Leuchtbox wird auf den Tisch gestellt und an der Wechselspannungsquelle angeschlossen. a) Ein Plexiglaskörper wird auf die Winkelscheibe gelegt. In die Leuchtbox wird auf der Seite, auf welcher sie parallele Lichtbündel aussendet, die Dreifachschlitzblende eingesetzt. Die Lichtstrahlen sollen parallel zur optischen Achse des Plexiglaskörpers verlaufen. Abbildung 2: Strahlengang bei Plexiglaskörper (ohne Winkelscheibe) 2 b) Der Winkel des einfallenden Lichts wird verändert. Auch schräg auf den Plexiglaskörper einfallende parallele Lichtbündel werden in einem Punkt gebündelt. Dieser Punkt liegt auf dem Schirm auf einer Geraden durch den Brennpunkt parallel zur Linsenebene (Brennebene). 8
Abbildung 3: Brennebene 3 c) Der Plexiglaskörper wird durch einen mit anderer Brennweite vertauscht. Die Entfernung des Brennpunktes zur Linsenmitte ändert sich. d) Evtl. kann nun noch die Mehrfachschlitzblende durch eine Einfachschlitzblende ersetzt werden. Der Verlauf einzelner Strahlen kann jetzt untersucht werden. 6 Sicherung der Lernziele Hefteintrag: Anmerkung: Die Bilder sind auszuteilen, von den Schülern auszuschneiden und schließlich an entsprechender Stelle ins Heft einzukleben. 9
Sammellinsen Brennpunkte F und Brennweite f einer Sammellinse 2 Linsen, die parallele Lichtbündel nach der Brechung zunächst in einem Punkt sammeln (Brennpunkt), bevor sie wieder auseinanderlaufen, nennt man Sammellinsen. Der Abstand vom Mittelpunkt der Linse zum Brennpunkt F heißt Brennweite f. Linsenebene, Mittelpunkt der Linse 2 Sammellinsen sind im Medium Luft in der Mitte dicker als am Rand, z. B.: 3 Sammellinsen 10
Die Brennweite ist bei stärker gekrümmten Linsen kleiner als bei weiniger stark gekrümmten Linsen (stärkere Brechung bei stärker gekrümmten Linsen). Optiker beschreiben Brillengläser nicht mithilfe der Brennweite f, sondern mithilfe der Brechkraft D (Einheit: Dioptrie): Je stärker eine Linse das Licht bricht, desto stärker ist ihre Brechkraft, desto mehr Dioptrie hat sie. Es gilt: 1 7 Lernzielkontrollen Im Anschluss an die Vermittlung der Inhalte der Lernziele, erfolgt eine kurze mündliche Wiederholung, um sicherzugehen, dass die Schüler das Lernziel erreicht haben. Dies kann z. B. durch geschickte Fragen geschehen. In der nächsten Stunde werden in Form einer Abfrage die Inhalte der Feinziele nochmals wiederholt. Als Einstieg für eine Abfrage eignen sich z. B. folgende Fragen: Befinden sich auf einem Blatt Wassertropfen und scheint die Sonne darauf, entstehen auf diesem regelrechte Verbrennungen. (Evtl. kann man ein derartig verbranntes Blatt sogar in den Unterricht mitbringen, oder in einem (Schüler-) Versuch durchführen). Wie lässt sich dieses Phänomen erklären? Abbildung 4: Verbrennungen auf einem Blatt 4 11
Aus einem Zeitungsartikel: Die Feuerwehr nimmt an, dass der Brand durch die Scherben einer Glasflasche ausgelöst wurde. Was sagst du dazu? 8 Hausaufgabe Bei der Hausaufgabe sollen sich die Schüler die Doppelbrechung an einer Linse klar machen. Hierzu wird nachfolgende Aufgabe gestellt: Übertrage die Zeichnung maßstabsgerecht in dein Heft. Die Schnittfläche der Kreise um M1 und M2 bilden eine Linse. Vereinfache diese Linse (aus Glas) zu einem Prismenmodell aus fünf Prismen und konstruiere den Brennpunkt mithilfe des nachfolgenden Diagramms. Abbildung 5: Skizze 4 12
Einfallswinkel Brechungswinkel von Luft in in in Wasser Glas Diamant 0 0 0 0 10 7,5 6,6 4,1 20 14,9 13,2 8,2 30 22,0 19,5 12,0 40 28,8 25,4 15,5 50 35,1 30,7 18,6 60 40,5 35,3 21,2 70 44,8 38,8 23,1 80 47,6 41,0 24,2 90 48,6 41,8 24,6 Abbildung 6: Zusammenhang Einfalls-/Brechungswinkel 4 Man erwartet in etwa folgende ähnliche Lösung: Abbildung 7: Lösungsskizze 4 Anhand dieser Hausaufgabe kann dann den Schülern in der nächsten Stunde kurz mitgeteilt werden, dass man bei dünnen Linsen diese zweifache Brechung durch eine Brechung an der Linsenebene ersetzen kann. 13
9 Prä- und Misskonzepte Die Schüler könnten denken, dass die Ablenkung der Lichtstrahlen im Inneren der Linse stattfindet und nicht aufgrund der zweifachen Brechung zustande kommt. (Die empfohlene Hausaufgabe soll dem Schüler die Brechung als Grund der Sammeleigenschaft der Sammellinse jedoch klar machen). 14
10 Quellen 1 PHYWE-Schriftenreihe, Physik in Demonstrationsversuchen, Ausgabe C, Industrie-Druck GmbH Verlag Göttingen 2 Natur und Technik 7, DUDEN PAETEC Schulbuchverlag C. C. Buchner, 1. Auflage, 2005 3 Physik 9A, Oldenburg, 1. Auflage, 1993 4 Netzwerk Physik 7, Schroedel, 2005 15