3.1 Strahlen, Spiegel, Linsen

Womit beschäftigt sich die Optik? 1. Stunde

Ziele: Kognitiv: Benennung und Einordnung der Themen der Unterrichsteinheit,
Licht als Energieform erkennen.
Affektiv: Aufzählen alltäglicher optischer Phänomene und Geräte.

Ablauf: Anhand eines Tischs voller optischer Geräte und einiger Dias mit optischen Naturerscheinungen werden im Lehrer - Schüler Dialog das vorhandene Vorwissen konkretisiert und verschiedene Aspekte der Optik gegeneinander abgegrenzt.
Der Begriff Optik wird als Lehre vom Licht eingeführt.
Die Geräte, die in der Optik eine Rolle spielen, werden eingeteilt in
Lichtquellen, Sehhilfen, Abbildende Geräte, Lichtdetektoren.
Als optische Phänomene werden von den Schülern genannt:
der Regenbogen, die Fata Morgana, der Schatten.

Der Diaprojektor wird als exemplarischer Gegenstand der Untersuchung vorgestellt.
Anhand eines Versuchs und weiterer Beispiele aus dem Alltag wird festgestellt, daß
- Lichtquellen Energie benötigen bzw. Energieträger enthalten,
- Licht wieder in andere Energieformen umgewandelt werden kann.
Folgerung: Licht transportiert Energie. (Tafelbild siehe Anhang)

Medien: Tisch mit Taschenlampe, Kamera, Glühbirne, Brille, Fernrohr, Spiegel, etc.
Dias mit Regenbogen, Spiegelung, Sonnenuntergang, "Sonnenstrahlen", etc.
Demonstrationsversuch bestehend aus Diaprojektor, Solarzelle, Elektromotor mit bunter Scheibe.

HA: Arbeitsblatt zur Ermittlung der Vorkenntnisse.
Brief an die Eltern zur Information über die geplanten Hausversuche.

Schüler - Praktikum: Licht und Schatten 2. Stunde

Ziele: Psychomotorisch:
Erwerb experimenteller Fertigkeiten, insbesondere Umgang mit dem
Diaprojektor; Erzeugung begrenzter Lichtbündel und scharfer Schatten.
Kognitiv: Erkennen des Prinzips der geradlinige Ausbreitung des Lichts
Affektiv: Abbau eines unbegründeten Respekts vor technischen Geräten
Sozial: Gemeinsames, gezieltes Beobachten von Phänomenen und Optimieren von Experimenten; Führung eines Gruppenprotokolls.

Ablauf: Die Klasse wird (nach dem "Ostereier-Zufallsprinzip") in 8 Gruppen á 3-4 Schüler eingeteilt. Je vier Gruppen führen im Wechsel Versuch 1 und 2 aus.

In Versuch 1 geht es darum, mit dem Diaprojektor scharfe Schattenbilder zu erzeugen. Der Versuch knüpft an die spielerischen Versuche an, die wohl jedes Kind irgendwann gemacht hat und führt hin zu der Erkenntnis, daß ein scharfer Schattenwurf nur mit einer Punktlichtquelle zu erreichen ist (solange keine ideale Parallelstrahlung vorliegt).

In Versuch 2 werden die Ausbreitungseigenschaften von Licht untersucht, insbesondere die geradlinige in Luft, die Reflexion an einem Spiegel sowie Absorption und Streuung an weißem bzw. schwarzem Papier.

Turnusgemäß eine Gruppe untersucht zusammen mit dem Lehrer den Aufbau eines Diaprojektors.

Beobachtungen:
Beim Aufschrauben der Diaprojektoren sowie bei Versuch 1 waren Interesse und Spaß der Schüler besonders offensichtlich, sie beschäftigen beide anwesenden Lehrer allerdings auch überproportional stark. Die Vorkenntnisse der (vorwiegend männlichen) Schüler bezüglich optischer Elemente im Diaprojektor waren teilweise gut, die Neugier wurde dadurch jedoch nicht gebremst. Die Mädchen beteiligten sich etwas zurückhaltender, aber durchaus interessiert. Eine der Schülerinnen lieferte eine sehr präzise Zeichnung des optischen und elektrischen Aufbaus, die in den folgenden Stunden als Folienkopie zur Besprechung eingesetzt wurde. Der Einblick ins Innenleben der Diaprojektoren wurde auch genutzt, um auf elektrische Bauteile (Transformatorspulen!) hinzuweisen.

Medien: Für Versuch 1 vier (ältere) Diaprojektoren, für Versuch 2 vier Halogen-Experimentierlampen.
Spiegel, Fotokarton, Schere, Klebeband etc.
Für beide Versuche je ein Arbeitsblatt mit Versuchsanleitung und Aufgabenstellung für Nachbearbeitung.
Farbig verpackte Schokoladen-Ostereier zur Einteilung der Gruppen.

HA: Ausarbeitung eines individuellen Versuchsprotokolls auf der Basis des Gruppenprotokolls.

Besprechung des Schüler-Praktikums: Ausbreitung des Lichts 3. Stunde

Ziele: Kognitiv: Aufbau der Beleuchtungseinheit des Diaprojektors
Einführung der Begriffe Lichtstrahl, Blende, Absorption, Streuung, Reflexion

Ablauf: Im Unterrichtsgespräch werden die Beobachtungen von Versuch 2 (Ausbreitung des Lichts) sowie der Aufbau des Diaprojektors besprochen. Die Praktikumsversuche werden nochmals in Form kleiner Demonstrationsversuche wiederholt. In Form einer Verallgemeinerung werden Grundgesetze der geometrischen Optik formuliert und dazu wichtige Fachbegriffe eingeführt:

1. Lichtquellen strahlen in der Regel Licht nach allen Richtungen aus.
2. Eine Blende beschränkt die Ausstrahlung auf Lichtbündel.
3. Den Grenzfall eines beliebig engen Lichtbündel nennen wir Lichtstrahl
(Betonung des Modellcharakters)
4. Lichtstrahlen überlagern sich ungestört.
5. Ungestörte Lichtstrahlen breiten sich geradlinig aus.
Einführung der Begriffe Absorption, Streuung und Reflexion.
Formulierung und Überprüfung des Reflexionsgesetzes.

Medien: Folienkopie der Skizze einer Schülerin: Schematischer Aufbau des Diaprojektors
Demowand mit Lichtquelle, Spaltblenden (Schülererzeugnisse), Spiegel.
Diaprojektor als Lichtquelle mit schwarzer, weißer Fläche sowie Spiegel.

HA: Welche Form braucht ein Hohlspiegel und in welcher Position muß sich die Lichtquelle befinden, damit das Licht wieder auf die Lichtquelle zurückgeworfen wird?

Übungs- und Wiederholungsstunde 4. Stunde

Ziele: Affektiv: Untersuchung der Frage: sind Lichtstrahlen sichtbar?
Kognitiv: Festigung der Begriffe Absorption, Streuung, Reflexion
Der Hohlspiegel (im Diaprojektor) als Anwendung des Reflexionsgesetzes

Ablauf: Ein Diaprojektor strahlt in einen ca. 1.5 m entfernten, offenen Karton. Die Schüler sind geschlossen der Meinung, der Projektor sei ausgeschaltet, da dessen Strahl für die Schüler nicht sichtbar ist. Auf die Frage, wie sie zu dieser Vermutung kommen und wie sie zu überprüfen wäre, entsteht eine Diskussion über Ausbreitungseigenschaften von Licht. Dabei werden die Begriffe Streuung, Absorption, Reflexion wiederholt und ihre Bedeutung nochmals konkretisiert. Es stellt sich heraus, daß das Reflexionsgesetz an sich kaum Probleme macht, daß jedoch die Begriffe Streuung und Reflexion besser gegeneinander abgegrenzt werden müssen.

Als praktische Anwendung des Reflexionsgesetzes wird die Form des Reflektors im Diaprojektor (Hohlspiegel) an der Demo-Wand gemeinsam erarbeitet. Er soll das Licht einer Punktlichtquelle auf die Quelle zurückwerfen. Nachdem die Schüler den Taschenlampenreflektor erwähnt haben, wird auch für diesen der Stahlengang konstruiert.

Medien: Projektor mit seitlicher Abdeckung des Objektivs, Karton als Strahlfalle; Kreidestaub.
Klappfolie zum Strahlverlauf im Hohlspiegel,
Demowand mit Lichtquelle und mehreren kleinen Spiegeln (als Segmente eines Hohlspiegels).

HA: Ergebnisse von Versuch 1 des Schülerpraktikums wiederholen, Erarbeiten eines Erklärungsmodells.

Besprechung des Schüler-Praktikums: Schattenwurf 5. Stunde

Ziele: Psychomotorisch, affektiv und sozial:
Präsentation von Versuchsergebnissen vor der Klasse
Kognitiv: Einsatz des Strahlenmodells und der Kenntnisse aus der Geometrie
zur Konstruktion der Schattenwürfe,
Erarbeitung der Begriffe Kernschatten, Halbschatten, Randstrahl,
Übertragung der Ergebnisse auf das Problem der Erzeugung schmaler Strahlbündel.
Affektiv: Erstes Kennenlernen des Phänomens der Brechung von Licht.

Ablauf: Zur Wiederholung der Reflexion wird eine Folie aufgelegt,
die die Hohlspiegel des Sonnenkraftwerks in Almeria/Spanien zeigt.
Die Schüler beschreiben die Funktion eines Hohlspiegels.

Der Versuch 1 des Schüler - Praktikums wird wiederholt und interpretiert:

	Punktförmige Lichtquelle  (Projektor & Lochblende):  Scharfer Schattenwurf, Randstrahlen grenzen Schattenraum ab		Zwei Punktförmige Lichtquellen (Projektor & Zweifach- Lochblende):  Überlagerung zweier Schatten		Ausgedehnte Lichtquelle  (Projektor ohne Blende): Verschwommenes  Schattenbild,  da jeder Punkt einer hellen Fläche als punktförmige Lichtquelle wirkt

Über den Zwischenschritt eines Negativ-Schattenbildes (Lichtzeiger) und verschiedener Mehrfach-Lochblenden demonstriert der Lehrer, wie mit zwei Spaltblenden ein schmales Lichtbündel erzeugt werden kann. Ein solches Lichtbündel eignet sich vorzüglich für die Hausversuche zur Untersuchung der Brechung.

	Aus einem Lichtzeiger werden...
	....durch eine Drei-Lochblende  drei Lichtzeiger		....durch eine Vier-Lochblende  vier Lichtzeiger

Medien: Bildfolie des Sonnenkraftwerks in Almeria/Spanien (Hohlspiegel)
Projektor, Lochblende aus Tonpapier, Figuren aus Tonpapier für die Schattenwürfe (Schülererzeugnisse aus der Praktikumsstunde);
Alter Diaprojektor mit herausnehmbaren Kondensorlinsen, Wassergläser.

Für alle Schüler wird als Experimentiermaterial ausgegeben: Plastikgefäß,
Diarähmchen, Tonpapier.

HA: Hausexperiment: Untersuchung der Lichtbrechung mit Diaprojektor und Wassergefäß.

		Untersuchung der Brechung und Reflexion an der Grenzfläche Luft-Wasser.

Brechungsgesetz 6. Stunde

Ziele: Sozial und psychomotorisch:
Präsentation und Beschreibung von Versuchsergebnissen vor der Klasse
Kognitiv: Erarbeitung des Brechungsgesetzes

Ablauf: Zu Beginn der Stunde findet sich niemand, der über die Hausversuche berichten kann oder will. Ein Großteil der Schüler hat sie offensichtlich nicht durchgeführt. Aus den Äußerungen der Schüler bzw. deren Schweigen auf Nachfragen wird nicht klar, was der eigentliche Grund dieses Verhaltens ist. Erst aus späteren Andeutungen ist zu entnehmen, daß zumindest eine kleine Gruppe die Versuche durchgeführt hatte - offensichtlich trauten sie sich nicht, dies vor dem Rest der Klasse bekanntzugeben.
Allein auf Grund der Tatsache, daß ein Großteil der Schüler die Versuche nicht durchgeführt hat, bleibt nichts anderes übrig, als die Versuche in gewohnter Weise an der Demowand zu präsentieren und im Lehrer - Schülergespräch zu interpretieren. Die Schüler arbeiten dabei in gewohnter Weise mit. Das Brechungsgesetz wird formuliert und am Beispiel der Parallelverschiebung an einer planparallene Platte eingeübt.

Medien: Optik-Demowand, Plexiglasquader

HA: Konstruktion eines symmetrischen Strahlverlaufs im Prisma (Vervollständigen einer Zeichnung )

Grundeigenschaften der Sammellinse 7. Stunde

Ziele: Kognitiv: Einführung der Begriffe Brennweite, optische Achse, Brennpunkts- und Parallelstrahlen. Erkennen, daß es sich hierbei um Idealisierungen handelt.

Ablauf: Hausaufgabenbesprechung: Strahlverlauf im Prisma.

Zur Demonstration der Eigenschaft der Sammellinse entzündet das durch eine Sammellinse gebündelte Licht eines Diaprojektors ein Streichholz. Verschieden geformte Linsenmodelle (u.a. die Kondensorlinsen eines Diaprojektors) werden untersucht und die Sammellinse gegen die Zerstreuungslinse abgegrenzt.
Feststellung: Sammellinsen haben mindestens eine nach außen gewölbte Fläche (konvexe Fläche). Zur Unterscheidung der "Sammelwirkung" eignet sich die Brennweite. Brennpunktstrahlen werden zu Parallelstrahlen und umgekehrt.

Als Überleitung zur Abbildung mit der Sammellinse und zur Einstimmung in die Hausexperimente wird ein Dia mit Hilfe einer gewöhnlichen Sammellinse an die Wand projeziert.

Medien: Demowand, Prisma, verschiedene Linsenmodelle; Diaprojektor, Linse, Dia.

HA: Hausexperimente zur Abbildung

3.2 Bilder

Abbildung durch Sammellinse 8. Stunde

Die Abbildung durch die Sammellinse basiert darauf,
- daß Strahlen, die von einem Punkt einer Gegenstandsebene ausgehen, sich in genau einem Punkt der dazugehörigen Bildebene treffen,
- daß die Nachbarschaftsbeziehungen dieser Punkt erhalten bleiben (Stetigkeit der Abbildung).
Es reicht damit nicht aus, induktiv zu zeigen, daß jeder Punkt der Gegenstandsebene auf einen Punkt der Bildebene abgebildet wird. Erst die Synthese der einzelnen Bildpunkte macht aus der Abbildung einzelner Punkte etwas neues, ein Bild.

Die meisten Lehrbücher führen die Abbildung durch die Sammellinse durch die Abbildung einzelner Gegenstandpunkte ein. Die Synthese, das Phänomen, daß aus der Abbildung einzelner Punkte tatsächlich ein Bild entsteht, wird übergangen mit der interessanten aber einfachen Feststellung, daß das entstandene Bild "auf dem Kopf steht".

Mit diesem Vorgehen lassen sich alle notwendigen Beziehung zwischen Gegenstands-, Brenn- und Bildweite ableiten. Durch die vielen Strahlen wird jedoch die aus dem Strahlensatz folgende, und im Grunde einfache, Bestimmungsgleichung für den Abbildungsmaßstab eher verdeckt. Die hilfreichen Bezüge zum einfacheren Prinzip der Lochkamera treten kaum mehr hervor.

Ich habe mich aus lernpsychologischen und methodischen Gründen dazu entschieden, n i c h t den Weg über die Abbildung einzelner Gegenstandspunkte zu gehen, sondern die Abbildung durch die Sammellinse als deckungsgleiche Überlagerung einzelner "Lochkamerabilder" einzuführen. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, daß die einfacheren Verhältnisse bei der Lochkamera automatisch zur Beschreibung der Abbildung herangezogen werden. Bei den Schülern soll damit ein "gesamtheitlicheres" Verständnis der Abbildung erzielt werden, das später wieder sicherer rekapituliert werden kann. Die Abbildung der einzelnen Punkte folgt dann quasi deduktiv aus der beobachteten deckungsgleichen Überlagerung der kompletten Lochkamerabilder. Auch die unten beschriebenen Versuche mit dem Diaprojektor sprechen aus methodischer Sicht für diesen Zugang.

Ziele: Affektiv: Abbildung mit einfachsten Mitteln: das Prinzip der Lochkamera
Rückblick auf den historischen Entwicklungsgang von Photoapparat und Diaprojektor
Psychomotorisch, sozial:
Präsentation eigener Versuchsergebnisse,
Experimentelle Überprüfung des Vergrößerungsfaktors bei der "Lochkamera-Projektion"
Kognitiv: Bezüge zur Mathematik (Strahlensatz) erkennen,
Strahlenoptische Konstruktion der Abbildung durch eine Sammellinse

Ablauf: Ausgehend von der Projektion eines Dias durch eine Lochblende stellen die Schüler die Ergebnisse ihrer Hausversuche vor. Die Abbildung durch eine Lochblende wird beschrieben. Es wird festgestellt, daß der Abbildungsmaßstab mit den Strahlensätzen berechenbar ist, die Vermutung wird durch eine Messung bestätigt. Wird zusätzlich zur Lochblende eine (Objektiv-)Linse eingesetzt, wird das Bild schärfer.

Mit Hilfe einer Zweilochblende wird untersucht, worauf die Abbildung durch eine Sammellinse beruht. Eine Zweilochblende o h n e Linse führt zu zwei Lochkamerabildern. Den Schülern fällt sofort auf, daß eine Linse dafür sorgt, daß die beiden Lochblendenbilder näher zusammenrücken. Es braucht allerdings etwas Mithilfe des Lehrers, um zu erkennen, daß die deckungsgleiche Überlagerung der beiden Bilder in einer bestimmten Ebene zu einer scharfen Abbildung führt. Dieses Ergebnis läßt sich verallgemeinern auf viele Lochblendenbilder und damit auf die Abbildung durch eine Sammellinse "ohne Blende".

	Zweilochblende ohne Sammellinse:		Zweilochblende mit Sammellinse:
	ohne Sammellinse: Zwei getrennte Lochkamerabilder		Vor der Bildebene: Zwei überlappende Lochkamerabilder		In der Bildebene: Deckungsgleiche Überlagerung der Lochkamerabilder		Hinter der Bildebene: Zwei überlappende Lochkamerabilder

Medien: Klappfolie: Entwicklung der Abbildung durch die Sammellinse aus der Abbildung durch die Lochblende. Diaprojektor, Scherenschnittdia, Maßband.
Diaprojektor, einige Dias aus einer Serie zur Geschichte des Kinos [7].

HA: Aufgabe aus dem Buch zur Abbildung mit der Lochkamera
(Berechnung des Abbildungsmaßstabs)

Abbildungsgesetz 9. Stunde

Ziele: Kognitiv: Erarbeitung eines möglichst einfachen, allgemeinen Gesetzes
durch Ordnen der verschiedenen Einzelerkenntnisse Einführen neuer Idealisierungen
Untersuchung von Grenzfällen
Psychomotorisch, affektiv:
Experimentelles Untersuchen der Bedingungen für die Abbildung

Ablauf: Anknüpfend an die qualitative Erklärung der Abbildung der vorangegangenen Stunde, werden die wesentlichen Eigenschaften der Abbildung durch eine Sammellinse im Lehrer-Schüler Dialog gesammelt und formuliert:

Im Vergleich zur Abbildung mit der Lochblende
- ist das Bild wesentlich heller,
- gibt es (höchstens) eine Bildebene, in der das Bild scharf ist.
Alle Strahlen, die von einem Punkt der Gegenstandsebene ausgehen,
treffen sich in einem Punkt der Bildebene.

Daraufhin wird die erste Bildkonstruktion versucht und Regeln für die Bildkonstruktion zusammengestellt:
Zwei Strahlen reichen zur Konstruktion eines Bildpunkts!
z.B. Mittelpunktsstrahl und Brennpunktsstrahl.

Vereinfachungen für dünne Linsen:
Zweifache Brechung eines Lichtstrahls wird ersetzt durch einfache Ablenkung an der Mittelebene
Alle Mittelpunktsstrahlen gehen ohne Ablenkung durch die Linse

Zum Schluß der Stunde wird von zwei Schülern (stellvertretend für die Klasse) die Frage untersucht, ob bei beliebiger Gegenstandsweite immer ein Bild zustande kommt. Die Antwort muß verneint werden.

Medien: Folie zur Abbildung (aus der vorangegangenen Stunde), Tafel und bunte Kreide;
Aufbau optische Bank mit Sammellinse (f=15cm), Leucht - "1" aus kleinen Lämpchen.

HA: Aufgabe aus Buch: Konstruktion eines Bildes bei gegebenem g und f

Übungsstunde 10. Stunde

Ziele: Psychomotorisch, sozial: Zeichnerische Bildkonstruktion gemeinsam üben

Ablauf: Ausgehend von Schwierigkeiten einiger Schüler werden verschiedene Bildkonstruktionen an der Tafel durchgeführt. Die Schüler stellen fest, daß für Gegenstandsweiten, die kleiner sind als die Brennweite, kein Bild entstehen kann. Diese Vorhersage wird von zwei Schülern experimentell überprüft, indem für einige Gegenstandsweiten die Bildweiten bestimmt werden. Die Ergebnisse werden in einer Tabelle zusammen mit einer groben Angabe zur Bildgröße festgehalten.

Medien: Tafel und bunte Kreide,
Aufbau mit optischer Bank, Sammellinse (f=15cm), Kerze und Schirm.

HA: entfällt, da Vertretungsstunde am selben Tag

Anwendungen der Abbildung 11. Stunde

Ziele: Kognitiv, affektiv:
Einordnen alltäglicher Erfahrungen, die auf optischen Abbildungen beruhen
Analogien bilden, dabei das Gelernte festigen und einüben.

Bem: Nach einer "Doppelkombination" Physikstunde - Mathearbeit - Physikstunde (an einem 7-Stunden Vormittag) ist die Konzentration der Schüler verständlicherweise nicht optimal. Die Stunde wurde deshalb möglichst locker gestaltet und wurde zeitweise zu einer Vorführstunde des Lehrers mit lebhaften Publikum (Lehrer war auch erst am Morgen informiert worden).

Ablauf: Im Aufbau der vorangegangenen Stunde (Abbildung durch Sammellinse) wird die Linse durch ein Diaprojektor-Objektiv sowie ein Kameraobjektiv ersetzt, um die prinzipielle Analogie der beiden Anordnungen zu demonstrieren. Aus den Erfahrungen der letzten Stunde ist klar, daß "scharfgestellt" werden muß und wie dies geschehen kann. Daran anschließend wird das Auge skizziert - einige Schüler wissen etwas darüber - und festgestellt, daß im Auge nicht durch Verschieben der Linse, sondern durch Verändern der Brennweite scharfgestellt wird.
Damit kann man endlich der Frage nachgehen, weshalb wir - auch in nüchternem Zustand - manches doppelt sehen: nämlich im Spiegel. Aufgrund der zwar interessierten, aber reichlich erschöpften Schülerschar kommt der entscheidende Tip zur Erklärung des Spiegelungsphänomens vom Lehrer, der auch die entsprechende Tafelskizze liefert: Das Gehirn geht von einer geradlinigen Ausbreitung der Lichtstrahlen aus und ortet den Gegenstand fälschlicherweise hinter dem Spiegel.

Medien: Optische Bank, 85mm-Projektorobjektiv, 135mm-Kleinbildkamera-Objektiv, Kerze,
Spiegel und Playmobilmännchen, buntes Metermaß für Abstandsmessung Spiegel - Objekt.

HA: Bildkonstruktion mit Gegenstand in verschiedenen Gegenstandsweiten und fester Brennweite;
Arbeitsblatt mit Texten zu:
Sehtheorien des Altertums (aus [9]), Geschichte des Diaprojektors (aus [2])

Wiederholung, Vorbereitung auf die Klassenarbeit 12. Stunde

Ablauf: Ein Schüler darf versuchen, den "Fisch" zu treffen, der Grund für die Erfolglosigkeit wird diskutiert. Die Schüler lernen den Umgang mit einer Tabelle, die die Zuordnung von Einfalls- und Brechungswinkeln ermöglicht.

Medien: Aufbau Zielfernrohr und Wassergefäß, Tafel und bunte Kreide.

Klassenarbeit 13. Stunde

Besprechung der Arbeit; Sowie: Wie färbt das Dia das weiße Licht der Lampe? 14. Stunde

Ziele: Kognitiv: Erkennen, daß die Frage nach den Farben bei der Projektion gestellt werden muß.

Ablauf: Nach der Besprechung der Klassenarbeit kommen wir mit einem einfachen Projektionsaufbau wieder zum Diaprojektor zurück. Diesmal wird auf die Farben des Bildes hingewiesen. Wie kommen sie zustande? Die Zusammensetzung des weißen Lichts aus den verschiedenen Spektralfarben ist den meisten Schülern bekannt, u. a. aus dem Chemieunterricht. Zum Abschluß der Stunde wird gezeigt, wie man mit einem Diaprojektor und einem Wassergefäß leutende Regenbogenfarben an die Wand zaubert.

Medien: Lampe, Dia und Linse; Projektor und größeres, quaderförmiges Wassergefäß.

Lichtbrechung mit einfachen Mitteln: Der Strahl eines Diaprojektors wird durch eine Spaltblende eingeschränkt und über die Kante eines Wassergefäßes gebrochen

Schülerpraktikum: Brechung des Lichts 15. Stunde

Ziele: Psychomotorisch: Umgang mit optischen Elementen
Sozial: Gemeinsames Experimentieren, Planen und Optimieren
Affektiv: Zerlegung von weißem Licht in die "Regenbogenfarben",
Additive Mischung der Spektralfarben
Kognitiv: Prinzip des Regenbogens

Ablauf: Die Schüler sind durch die Anleitung, die sie als Hausaufgabe durchzuarbeiten hatten, vorbereitet. Mit Hilfe eines Diaprojektors und eines Spaltdias wird ein schmales, aber lichtstarkes Lichtbündel erzeugt. Das Prinzip der Enstehung eines Regenbogens wird in zweidimensionaler Form untersucht, indem das Lichtbündel in ein zylindrisches, mit Wasser gefülltes Glas eingestrahlt wird. Das Glas dient als Modell für die kugelförmigen Regentropfen, im Winkel von ca. 42° wird ein Regenbogen erkennbar.
Mit einem quaderförmigen Wassergefäß, über Eck eingestrahlt, lassen sich die Spektralfarben wesentlich brillianter erzeugen.

Beobachtungen:
Die Schüler sind in der Lage, die Versuche weitgehend selbständig durchzuführen, es gibt keine Probleme im Umgang mit den Geräten oder mit der Fragestellung und Anleitung. Die einzelnen Gruppen vergleichen interessiert ihre Ergebnisse und experimentellen Techniken. Die Aufgabe, die Spektralfarben wieder zu Weiß zu vereinigen, wird von den Schülern auf verschiedene Weise angegangen, allerdings von keiner Gruppe völlig eigenständig gelöst.

Medien: 4 Diaprojektoren, Spaltdias, Spaltblenden, zylindrische und quaderförmige
Wassergefäße, Schirme;
Prismen, Linsen und Spiegel zur Überlagerung der Spektralfarben.

HA: Protokollieren der Experimente, insbesondere die Anordnung der Farben

Spektralzerlegung 16. Stunde

Ziele: Affektiv: Einordnen von Naturerscheinungen, Bezüge zur Kunst erkennen.
Kognitiv: Prinzip der subtraktiven Farbmischung

Ablauf: Zunächst werden die Ergebnisse des Schülerpaktikums der vorangegangenen Stunde besprochen. Es wird festgestellt, daß es verschiedene Arten von Licht gibt, die vom Auge als unterschiedliche Farben wahrgenommen werden, die sich physikalisch durch verschieden starke Brechung unterscheiden. Blaues Licht wird von Wasser oder Glas stärker gebrochen als rotes Licht.

Folgende Fragen werden besprochen:
Wie kommt der Regenbogen zustande?
Die Brechung und Reflexion am Wassertropfen wird schematisch skizziert.

Wie färbt das Dia das Licht der Lampe?
Das Dia wird als Farbfilter beschrieben, die (subtraktive) Wirkung von Filtern wird experimentell überprüft.

Was passiert beim Mischen von Wasserfarben?
Anhand eines vereinfachten Schemas wird die subtraktive Farbmischung
(blau und gelb gibt grün) erklärt.

Weshalb ist der Himmel blau und die untergehende Sonne rot?
Anhand einer Schemazeichnung wird der Lichtweg des Sonnenlichts verdeutlicht. Blaues Licht wird verstärkt gestreut, das verbleibende Sonnenlicht erscheint je nach Länge des Lichtwegs gelb oder orange.

Das Phänomen der Komplementärfarben wird durch einen Experiment veranschaulicht: Das Spektrum des weißen Lichts wird zunächst in zwei Bereiche getrennt und diese durch eine Sammellinse jeweils wieder gemischt (Abbildung der Frontfläche des Prismas). Es enstehen die Komplementärfarben, z.B. Gelb und Blau (Wie am Tageshimmel) oder Rot und Türkis (wie beim Sonnenuntergang). Die Addition der Komplementärfarben ergibt wieder Weiß.

Medien: Spektralzerlegung mittels Halogenlampe und Geradsichtprisma.
Aufteilung des Spektrums durch Spiegel und Mischung des Spektrums durch Linse.

	Im Labor wird getan, was Goethe strikt ablehnte: Das Licht einer Lampe wird durch Apparate gezwängt, in die Spektralfarben zerlegt und dieses Spekturm dann auch noch zerschnitten!
	Es entstehen... Die Farben des Himmels am Tage: Blauer Himmel und gelbe Sonne.
	Und die Farben des Himmels bei Sonnenaufgang und -untergang: orange Sonne und türkisfarbener Himmel. Zusammen ergeben die Farben wieder Weiß!

Nichtsichtbare Spektralbereiche 17. Stunde

Ziele: Psychomotorisch und sozial: Gemeinsame, experimentelle Lösung eines Problems
Kognitiv: Erweiterung des Spektrums um den infraroten (und ultravioletten) Bereich
Affektiv: Erzeugung hoher Temperaturen

Ablauf: Zunächst wird ein Preis ausgesetzt für denjenigen, der mithilfe eines Diaprojektors und einer Sammellinse einen Temperaturfühler auf über 400°C erhitzen kann. Nach einigen Versuchen stellt sich heraus, daß durch reines Positionieren lediglich bis zu 120°C erreichbar sind. Die Ratlosigkeit währt nicht lange, erste Vorschläge, den Projektor zu manipulieren, gehen ein. Nachdem die Folie mit dem Aufbau des Projektors aufgelegt wird, kommt schließlich der Vorschlag, das Glasfilter aus dem Kondensor zu nehmen. Jetzt wird innerhalb weniger Minuten die 400°C - Marke überschritten!
(Eine versteckt angebrachte Klingel meldet Alarm und ein Ventilator läuft an)

Auf die Frage:
Was bewirkt das durchsichtige Glasfilter im Diaprojektor?
formulieren die Schüler die Vermutung:
Es absorbiert eine Strahlung,
- die stark zur Erwärmung bestrahlter Gegenstände beiträgt,
- die unsichtbar ist

In einem zweiten Versuch wird das Spektrum einer Halogenlampe mit einem "künstlichen Auge", einer Photodiode, untersucht. Diesmal lautet die Preis-Frage: Wer findet den Bereich, an dem die Diode das höchste Signal liefert? Zunächst wird im sichtbaren Bereich gesucht, nachdem der Lehrer "immer noch nicht zufrieden" ist, auch daneben. An beiden Rändern des sichtbaren Spektrums sieht die Diode noch Strahlung, jenseits des roten Bereichs liegt sogar das Maximum! In diesem Teil des Spektrums geht der Ausschlag stark zurück, wenn das Filter in den Strahlengang gebracht wird, in den anderen Bereichen nur unwesentlich.

Der Versuch wird skizziert (Tafelbild siehe Anhang)
und die Beobachtungen festgehalten:
ohne Filter: höchster Ausschlag des Diodensignals im Infraroten
mit Filter: Ausschlag im Infraroten geht fast vollständig zurück.

Die Folgerungen aus dem Versuch werden festgehalten und etwas verallgemeinert:

Das Filter schützt das Dia vor übermäßiger Erwärmung
Eine Glühbirne (und auch die Sonne) strahlt einen Großteil ihrer Energie im Infraroten ab.

Damit ist der Bogen geschlagen zur ersten Stunde, als festgestellt wurde, daß Licht eine Form von Energie ist.
Einige Schüler wissen von der Filterwirkung der Atmosphäre im Ultravioletten (Ozonschicht) und im Infraroten (Treibhauseffekt). Es schließt sich ein kurzer Lehrervortrag an, in dem die beiden Problematiken in das eben erworbene Wissen eingebettet werden.

Die Stunde, die Lehrplaneinheit und das Schuljahr wird sodann mit der Ausgabe der Preise für die beiden erfolgreichen Forscher und von "Trostpreisen" für die anderen Schüler beendet.

Medien: Projektor mit herausnehmbarem Infrarotfilter, Sammellinse,
Temperaturfühler (über Analogausgang der Anzeige wird eine Alarmklingel geschaltet)
Spektralzerlegung mittels Halogenlampe und Geradsichtprisma; Photodiode und 1V-Analoganzeige

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