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Universität Duisburg-Essen FB Physik Didaktik der Physik Berger, Kersting, Lange SCHULORIENTIERTES EXPERIMENTIEREN WS 2006/2007 Gruppe B Bettina Bonnemann.

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1 Universität Duisburg-Essen FB Physik Didaktik der Physik Berger, Kersting, Lange SCHULORIENTIERTES EXPERIMENTIEREN WS 2006/2007 Gruppe B Bettina Bonnemann Holger Hess Zeljko Malinovic Ulla Daub Udo Kleinkoenen Helga Zimbelmann Bilder aus: Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4 Bearbeitet von Ulla Daub

2 OPTIK LICHTBRECHUNG & TOTALREFLEXION Bild aus: Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

3 Lichtbrechung und Totalreflexion sind für alle Schulformen angesiedelt in den Jahrgangsstufen 7/8 Lehrplan Realschule Reflexion Brechung Optische Geräte Wahrnehmung von Bildern Lehrplan Hauptschule Ausbreitung des Lichts Brechung des Lichts Abbilden mit Hilfe von Sammellinsen Reflexion des Lichts Optische Geräte Bau und optische Funktion des Auges Lehrplan Gesamtschule (Naturwissenschaften) Rahmenthema: Die Geschichte der Erde Fachthema Physik: Sonne, Mond und Sterne Rahmenthema: Sonnenlicht und Leben Rahmenthema: Kommunikation und Verständigung Verbindliche Inhalte laut: Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

4 1. Lichtbrechung Lichtstrahlen werden beim Übergang von einem durchsichtigen Stoff in einen anderen gebrochen. 1.1 Optisch dichteres Medium – der Stoff, in dem der Lichtstrahl mit dem Lot auf die Grenzfläche den kleineren Winkel bildet. Optisch dünneres Medium – der Stoff, in dem der Lichtstrahl mit dem Lot auf die Grenzfläche den größeren Winkel bildet. 1.2 Ein Teil des Lichtes wird reflektiert. 1.3 Die Lichtbrechung ist umso stärker, je flacher der Lichtstrahl auf die Grenzfläche trifft. 1.4 Der Lichtweg ist umkehrbar. 2. Totalreflexion Wenn beim Übergang vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium der Grenzwinkel β r überschritten wird, tritt Totalreflexion ein. Es gilt das Reflexionsgesetz. 3.Gebogener Lichtstrahl Gebogene Lichtstrahlen entstehen infolge von Lichtbrechung. 3.1 Phänomene, die auf gebogene Lichtstrahlen zurück zu führen sind. Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

5 Um die Lichtbrechung und Totalreflexion verstehen zu können, müssen die Schüler/innen zwingend Kenntnisse haben in den Bereichen Geradlinige Ausbreitung des Lichtes Reflexion des Lichtes Aus: Aus: 02spiegelbild/spiegelbild.htm Aus: 02reflexionsgesetz/reflexion4.htm Aus: Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

6 Zunächst eine kurze Wiederholung: Was wissen wir über das Licht? Experiment 1Gebogener Lichtstrahl In einem Modellversuch wird über eine Zuckerlösung (50g Zucker auf 100 cm 3 Wasser) vorsichtig 100 cm 3 Wasser geschichtet. Lässt man das Becken mehrere Stunden stehen, bildet sich eine von oben nach unten kontinuierlich zunehmende Zuckerkonzentration und somit auch eine kontinuierlich nach unten zunehmende optisch Dichte aus. Man sieht im nebenstehenden Bild wie dadurch der Lichtstrahl "gebogen" wird. Angestrebtes Ergebnis Motivation – Durch die Irritation des soeben wiederholten Wissens (geradlinige Ausbreitung des Lichtes) soll das Interesse und die Neugier der Schüler/innen geweckt werden. Sie sollen angeregt werden darüber nachzudenken, wie dieser gebogene Lichtstrahl zustande kommt. Möglicherweise fällt in der Versuchsbesprechung bereits das Stichwort Lichtbrechung oder es werden Vermutungen in dieser Richtung geäußert, dann lassen sich sehr gut die Freihandversuche zur Lichtbrechung anschließen. Demonstrationsversuch Bilder und Versuchsbeschreibung aus: Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

7 Experimente 2Brechung des Lichtes Freihandversuche Bilder und Versuchsbeschreibung aus: Die Freihandversuche zur Brechung des Lichtes können entweder in Gruppenarbeit (3-4 Schüler/innen), oder als Stationenarbeit durchgeführt werden. 2.1 Das durchsichtige Lineal Benötigtes Gerät Durchsichtiges Lineal. Unterlage mit geradem Strich. Arbeitsauftrag Man stellt ein durchsichtiges Lineal auf eine Unterlage, auf der auch ein gerader Strich ist, z.B. ein Bleistift oder der Rand einer Abbildung und beobachtet es aus verschiedenen Winkeln. Man beobachtet den Versatz und die Bildgröße unter dem Lineal. Ergebnis in einem deutschen Satz formulieren. Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

8 Experimente 2Brechung des Lichtes Freihandversuche Bilder und Versuchsbeschreibung aus: 2.2 Am Grund des Wasserglases Benötigtes Gerät gefülltes Wasserglas mit geradem Boden. Arbeitsauftrag Man stellt ein gefülltes Wasserglas mit geradem glatten Boden auf eine Unterlage zum Beispiel ein Buch. Man beobachtet das Bild an der Wasseroberfläche aus verschiedenen Winkeln. Ergebnis in einem deutschen Satz formulieren. Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

9 Experimente 2Brechung des Lichtes Freihandversuche Bilder und Versuchsbeschreibung aus: Benötigtes Gerät Mit Wasser gefülltes Gefäß. Zwei biegbare gerade Drähte. Arbeitsauftrag Man stellt einen geraden Draht (hier der blaue) schräg ins Wasser und betrachtet ihn von der Seite. Er scheint einen Knick zu haben. Man nimmt einen zweiten Draht (hier der schwarze) und biegt in so, dass er bei einer bestimmten Betrachtungsweise ohne Knick erscheint. Ergebnis in einem deutschen Satz formulieren. 2.3 Knick bei Brechung Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

10 Experimente 2Brechung des Lichtes Freihandversuche Bilder und Versuchsbeschreibung aus: 2.4 Vergleich des Laserstrahls mit einem geraden Stab Benötigtes Gerät Mit Wasser gefülltes Gefäß auf dessen Boden man einen Maßstab oder kariertes Papier anbringt. Laserpointer (Vorsicht ! Nie in den Strahl schauen!). gerader Stab (z.B. Schaschlikstäbchen) Arbeitsauftrag Man bringt in die Schale kariertes Papier und füllt sie mit Wasser. Man stellt den Stab schräg ins Wasser und leuchtet mit dem Laserpointer parallel zum Stab, so dass man den Reflex am Boden sehen und den Strahlengang nachvollziehen und nachzeichnen kann. Man variiert den Winkel von Stab und Laserstrahl. Man kann dazu auch den Stab an den Laserpointer mit Klebeband befestigen. Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

11 Experimente 2Brechung des Lichtes Freihandversuche Bilder und Versuchsbeschreibung aus: 2.5 Versuche an einer rechteckigen Wasserschale Benötigtes Gerät Mit Wasser gefülltes rechteckiges Gefäß, z.B. Schächtelchen für Kleinteile aus dem Baumarkt. Laserpointer (Vorsicht ! Nie in den Strahl schauen!). Arbeitsauftrag Man stellt die Wasserschale auf ein kariertes Papier und füllt sie mit Wasser. Man leuchtet mit dem Laserpointer parallel zum Boden, so dass man die Reflexe auf dem Papier verfolgen kann und den Strahlengang nachvollziehen und nachzeichnen kann. Man macht folgende Teilversuche: Man strahlt so schräg durch den Wasserquader, dass der Laserstrahl zwei gegenüberliegende Seitenflächen durchläuft. (Siehe oberes Foto). Man strahlt so in den Wasserquader, dass der Laserstrahl zwei benachbarte Seitenflächen durchläuft (Siehe mittleres Foto). Man strahlt so in den Wasserquader, dass der Laserstrahl an der benachbarten Seitenflächen total reflektiert wird (Siehe unteres Foto). Man zeichnet für jeden der Teilversuche den typischen Strahlengang ab und formuliert die wichtigsten Erkenntnisse in kurzen Sätzen. Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

12 Experimente 2Brechung des Lichtes Freihandversuche Bilder und Versuchsbeschreibung aus: 2.6 Brechung am zylinderförmigen Wassergefäß Benötigtes Gerät Zylinderförmiges mit Wasser gefülltes Glas oder Plastikflasche. Laserpointer (Vorsicht ! Nie in den Strahl schauen!). Wand. Arbeitsauftrag Mit festgehaltenem (festgeklemmten) Laserpointer eine Wand beleuchten. Plastikflasche/Glas langsam in den Strahlengang schieben und dabei den Ort des Reflexes an der Wand beobachten. Ergebnis in einem deutschen Satz formulieren. Bei einem matten durchsichtigen Gefäß kann man mit Hilfe der Reflexe an der Gefäßwand und an der Projektionswand gut den Strahlengang nachzeichnen. Ein eingelegtes kariertes Papier erleichtert es, den Strahlengang ins Heft zu übertragen. Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

13 Experimente 2Brechung des Lichtes Freihandversuche Bilder und Versuchsbeschreibung aus: 2.7 Münze in der Tasse Benötigtes Gerät Undurchsichtiger Becher oder Tasse. Münze. Wasser. Arbeitsauftrag Man legt eine Münze in den Becher und peilt über den Rand, so dass man die Münze gerade nicht mehr sieht (linkes Bild). Anschließend gießt man vorsichtig Wasser hinein, so dass die Münze nicht weggespült wird und beobachtet weiter den Becher. Zur Präzisierung, kann man eine Peilvorrichtung (z.B. ein Rohr oder eine Stuhllehne, über die man gerade darüber peilt) verwenden. Es sieht so aus, wie wenn die Münze durch das Wasser angehoben wurde. (Vergleiche dazu die untere Skizze). Bestimme entsprechend der Skizze und Deinen Beobachtungen a und b. Formuliere das Ergebnis in kurzen klaren Sätzen. Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

14 Experimente 2Brechung des Lichtes Freihandversuche Bilder und Versuchsbeschreibung aus: 2.8 Hebung einer Münze Benötigtes Gerät Zwei gleiche Gläser, eines leer, eines mit Wasser gefüllt. Zwei Münzen. Längenmessgerät (Lineal), Stift. Arbeitsauftrag Man bringt beide Münzen auf den Boden der Gläser und füllt eines mit Wasser. Das Wasser über der Münze scheint diese zu heben. Mit einem Stift markiert man von außen, wie weit die Münze scheinbar gehoben wird. Vergleiche mit dem Tassenversuch. Formuliere das Ergebnis in einem Satz Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

15 Experimente 2Brechung des Lichtes Freihandversuche Angestrebtes Ergebnis Lernziel 1 – Lichtstrahlen werden beim Übergang von einem durchsichtigen Stoff in einen anderen gebrochen. Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4 Bilder und Versuchsbeschreibung aus:

16 Experimente 3Brechwanne Angestrebtes Ergebnis Lernziel 1.1 – Klärung der Begriffe optisch dichteres/dünneres Medium. Lernziel 1.2 – Ein Teil des Lichtes wird reflektiert. Lernziel 2 – (in Ansätzen) Beim Übergang des Lichtstrahls von Wasser nach Luft wird er unter bestimmten Einfallswinkeln nicht mehr gebrochen, sondern nur noch reflektiert. Benötigtes Gerät Brechwanne - halbrunde, durchsichtige Plastik- schüssel auf runder Messscheibe mit Winkeleinteilung - daran befestigt: schwenkbare Lichtquelle - Stromquelle Arbeitsauftrag Ausprobieren: - Lichtstrahl von oben - Lichtstrahl von unten - verschiedene Einfallswinkel Beobachtungen schriftlich festhalten Gruppenarbeit (3-4 Schüler/innen) 3.1 Verschiedene Einfallswinkel ausprobieren Schüler/innenversuche Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

17 Experimente 3Brechwanne Angestrebtes Ergebnis Lernziel 1.3 – Die Lichtbrechung ist umso stärker, je flacher der Lichtstrahl auf die Grenzfläche trifft. Benötigtes Gerät Brechwanne - halbrunde, durchsichtige Plastik- schüssel auf runder Messscheibe mit Winkeleinteilung - daran befestigt: schwenkbare Lichtquelle - Stromquelle Arbeitsauftrag Es soll eine Messreihe durchgeführt werden für den Übergang des Lichtstrahls von Luft nach Wasser, beginnend mit lotrechtem (0°) Lichtstrahl und Vergrößerung des Einfalls- winkels in 10er-Schritten. Die zugehörigen Brechungswinkel und die Differenz von Einfalls- und Brechungswinkel sollen in der Tabelle festgehalten werden. Gruppenarbeit (3-4 Schüler/innen) 3.2 Messreihe: Einfallswinkel α (Luft) – Brechungswinkel β (Wasser) Schüler/innenversuche Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

18 Experimente 3Brechwanne Schüler/innenversuche Angestrebtes Ergebnis Lernziel 1.4 – Der Lichtweg ist umkehrbar. Lernziel 2 – Wenn beim Übergang vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium der Grenzwinkel β R überschritten wird, tritt Totalreflexion ein. Es gilt das Reflexionsgesetz. Benötigtes Gerät Brechwanne - halbrunde, durchsichtige Plastik- schüssel auf runder Messscheibe mit Winkeleinteilung - daran befestigt: schwenkbare Lichtquelle - Stromquelle Arbeitsauftrag Es soll eine Messreihe durchgeführt werden für den Übergang des Lichtstrahls von Wasser nach Luft, beginnend mit lotrechtem (0°) Lichtstrahl und Vergrößerung des Einfalls- winkels in 10er-Schritten, bei Bedarf auch in kleineren Schritten. Die zugehörigen Brechungswinkel und die Differenz von Einfalls- und Brechungswinkel sollen in der Tabelle festgehalten werden. Gruppenarbeit (3-4 Schüler/innen) 3.3 Messreihe: Einfallswinkel α (Wasser) – Brechungswinkel β (Luft) Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

19 Zunächst steht jetzt eine Diskussion an, wie der gebogene Lichtstrahl denn nun tatsächlich zustande kommt. Auf Grund des Gelernten sollen Vermutungen geäußert und Theorien aufgestellt werden. Nach der Klärung dieser Frage bauen die Schüler/innen den Versuch selbst auf, experimentieren mit dem Laserpointer und untersuchen, wie sich das Bild von Gegen- ständen, die sich hinter dem Wasserbassin befinden, verhält, wenn man aus unterschied- lichen Winkeln auf sie schaut. Hier müssen weitere Informationen folgen, z.B. zu den Themen Untere/Obere Luftspiegelung und Refraktion, die die Schüler/innen sofort an ihrem Versuchsaufbau überprüfen können. Angestrebtes Ergebnis Lernziel 3 – Gebogene Lichtstrahlen entstehen infolge von Lichtbrechung. Lernziel 3.1 – Die Schüler/innen lernen Phänomene, die auf gebogene Lichtstrahlen zurück zu führen sind, kennen. Bilder und Versuchsbeschreibung aus: Experiment 4Gebogener Lichtstrahl Gruppenarbeit (3-4 Schüler/innen) Schüler/innenversuch Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

20 Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4 In der an den Einführungsvortrag anschließenden Diskussion im Plenum soll Stellung genommen werden 1. zu fachlichen und didaktischen Aspekten des gewählten Themas und der gewählten Experimente 2. zum Vortrag selbst Beiträge zu 1. Es wurden Bedenken und Einwände geäußert zur Verwendung eines Laserpointers in der Schule. Hierzu gab es verschiedene Meinungen: Wegen der Gefahr von Augen- und Hautverletzungen sollten Laserpointer nicht in Schüler/innen-Hände gelangen, sondern der Umgang mit ihnen sollte allein dem/der Lehrer/in vorbehalten sein. Laserpointer sollten aus Sicherheitsgründen als Experimentiergeräte ganz aus der Schule verbannt werden. Es gibt unterschiedlich gefährliche Laserpointer, daher sind sie in Klassen eingeteilt. Da es zu den Klassen keine konkreten Informationen gab, habe ich im Folgenden eine Internetseite des Physiktreffs der Bezirksregierung Düsseldorf wieder gegeben ( ), die diese Klassen beschreibt. 2. Die Folien sind zu überladen, es ist zuviel Text auf den Folien. Die Schriftgröße ist dementsprechend zu gering. Da man als Zuhörer ständig bestrebt ist den Text zu lesen, wird das aufmerksame Verfolgen des Gesprochenen behindert.

21 Laser und ihre Klassen Vor einigen Jahren zählten Laser in der Physiksammlung zu den teuersten Geräten, die vorhanden waren. Wenn überhaupt, dann wurden sie mit Samthandschuhen angefasst. Heute sind Laserpointer preiswerte Massenware und in jedem Warenhaus erhältlich. Nicht etwa die Tatsache, dass man damit den Unterricht stören kann, sondern die Sorge um die Gesundheit der Schüler hat alle Bezirksregierungen in NRW dazu bewogen, Laserpointer in der Schule zu verbieten. (wohlgemerkt: nicht als Experimentiergerät für uns, sondern als Spielzeug für alle). Trotzdem kam im Zusammenhang damit die Frage auf, in welche Gefährlichkeitsklassen Laser eingeteilt sind. Hier die Antwort: Laser werden in einer europäischen Norm nach ihrer Strahlungsstärke in sog. Klassen eingeteilt. Diese Klasse muss auf jedem Laser angegeben sein. Laser der Klassen 1 und 2 gelten als unbedenklich, der unsachgemäße Gebrauch von Lasern der Klasse 3A, 3B und 4 kann zu irreparablen Augenschäden führen. Klasse 1 ( < 25 m W ) Laser mit sehr geringer Leistung, die eine Wellenlänge im sichtbaren Lichtbereich haben und deren Strahlungsleistung die angegebene Grenze nicht übersteigt. Diese Laser sind bei sachgemäßem Betrieb als sehr sicher anzusehen. Hinweisschild: LASERKLASSE 1 Klasse 2 ( <= 1 mW ) Laser mit einer Strahlungsleistung bis 1 Milliwatt, die sichtbares Licht aussenden. Der Schutz des Auges wird normalerweise durch die Abwendungsreaktion zusammen mit dem Lidschlussreflex gewährleistet. Hinweisschild: LASERSTRAHLUNG - NICHT IN DEN STRAHL BLICKEN – LASERKLASSE 2 aus: Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

22 Klasse 3A ( 1 bis 5 mW ) Laser mit einer Strahlungsleistung von1 bis 5 Milliwatt, deren Bestrahlungsstärke 25 Watt/qm nicht übersteigt. Der Schutz des Auges wird noch durch die Abwendungs- reaktion und den Lidschlussreflex gewährleistet. Der direkte Blick mit optischen Hilfsmitteln wie z.B. Fernglas, Fernrohr, Mikroskop kann gefährlich sein. Hinweisschild: LASERSTRAHLUNG - NICHT IN DEN STRAHL BLICKEN – AUCH NICHT MIT OPTISCHEN INSTRUMENTEN - LASER KLASSE 3A Klasse 3B ( 5 bis 500 mW ) Laser mit einer Strahlungsleistung von 5 bis 500 Milliwatt. Ein direkter Blick in den Laser- strahl kann gefährlich sein. In der Nähe des Laserstrahlaustritts ist es immer gefährlich. Hinweisschild:LASERSTRAHLUNG - NICHT DEM STRAHL AUSSETZEN – LASER KLASSE 3B Klasse 4 ( > 500 mW ) Laser mit hoher Leistung, auch die diffusen Reflexionen können gefährlich sein, Verletz- ungen der Haut verursachen und zu Brandgefahren führen. Die Laser werden nur im industriellen Bereich eingesetzt. Ihre Benutzung erfordert äußerste Vorsicht. Hinweisschild:LASERSTRAHLUNG - BESTRAHLUNG VON AUGE ODER HAUT DURCH DIREKTE ODER STREUSTRAHLUNG VERMEIDEN – LASER KLASSE 4 aus: Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

23 Ich weiß zwar nicht, wo man die Hinweisschilder mit den Warntexten bekommt, wenn Sie aber das o.a. Warnschild mit dem Gefahrensymbol für Laserstrahlung suchen (um es mit auf den Experimentiertisch zu stellen), hier können Sie es bekommen: Bürklin Elektronik Am Wehrhahn Düsseldorf Tel / Fax: 0211 / selbstklebendes Polyesterschild: Warnung vor dem Laserstrahl, schwarzes Symbol auf gelbem Untergrund. Warnschild nach DIN 4844 Gr. 7 Warnschild Seitenmaß 100 mm Bestell-Nr. 16 L 324 Preis ca. 2,-- DM Warnschild Seitenmaß 200 mm Bestell-Nr. 16 L 325 Preis ca. 7,50 DM Wenn Sie die Gefahrenklassen Ihres Lasers von Leybold oder Ihres Laserpointers selbst bestimmen möchten, dann finden Sie demnächst hier einen Bericht über das optische Leistungsmessgerät CLP-20, mit dem das möglich ist. aus: Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

24 Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4 Allgemeines Aus der Experimentengruppe 2 – Freihandversuche zur Brechung des Lichtes – haben wir zwei Versuche ausgewählt (die Versuche, in denen die Schüler/innen selbst mit dem Laserpointer experimentieren, haben wir nicht getestet): 2.1 Das durchsichtige Lineal 2.7 Münze in der Tasse Aus der Experimentengruppe 3 – Brechwanne – haben wir die beiden Messreihen zum Übergang des Lichtstrahls von Luft in Wasser (Experiment 3.2) und von Wasser in Luft (Experiment 3.3) durchgeführt. Das Experiment 4 haben in zwei Varianten getestet:- mit Zuckerlösung - mit Salzlösung Die Zeitangaben der Versuche aus Experimentengruppe 2 beziehen sich auf eine Gruppengröße von 4 Schüler/innen und es ist zugrunde gelegt, dass jedes Gruppen- mitglied den Versuch einmal selbst durchgeführt hat. Die Zeitangaben für alle Experimente werden sicherlich noch an die Schulform bzw. an den Leistungsstand der Klasse angepasst werden müssen. In der Hauptschule wird mehr Zeit für die Verschriftlichung der Beobachtungen eingeplant werden müssen als auf dem Gymnasium.

25 Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & Das durchsichtige Lineal Zeitangabe 5 min Benötigtes Gerät Durchsichtiges Lineal. Unterlage mit geradem Strich. Bewertung Der Versuch zeichnet sich durch sehr wenig Aufwand aus: Es wird lediglich Material ver- wendet, das Schüler/innen normalerweise immer bei sich haben (in der Schule), so dass ein sehr direkter Alltagsbezug hergestellt ist. Der Zeitaufwand ist mit 5 Minuten ebenfalls sehr gering. Arbeitsauftrag Man stellt ein durchsichtiges Lineal auf eine Unterlage, auf der auch ein gerader Strich ist, z.B. ein Bleistift oder der Rand einer Abbildung und beobachtet es aus verschiedenen Winkeln. Man beobachtet den Versatz und die Bildgröße unter dem Lineal. Ergebnis in einem deutschen Satz formulieren. Bilder und Versuchsbeschreibung aus:

26 Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & Münze in der Tasse Zeitangabe 10 min Benötigtes Gerät Undurchsichtiger Becher oder Tasse Münze Messbecher Wasser Bewertung Auch hier ist der Alltagsbezug durch die Verwendung von alltäglichem Gerät bzw. Material gegeben. Tassen kann man die Schüler/innen mit bringen lassen ( Verantwortung entwickeln) oder zur Not selbst mitbringen bzw. im Lehrer- zimmer ausleihen. Der Versuch ist einfach durchzuführen, wenn die Schüler/innen sich darüber klar geworden sind, dass der Blickwinkel bei- behalten werden muss (ev. Hinweis auf dem Arbeitsblatt). Es muss zusammen gearbeitet werden: eine/r guckt – ein/e andere/r schüttet das Wasser in den Becher ( Teamfähigkeit, soziale Kompetenzen fördern). Arbeitsauftrag Man legt eine Münze in den Becher und peilt über den Rand, so dass man die Münze gerade nicht mehr sieht (linkes Bild). Anschließend gießt man vorsichtig Wasser hinein, so dass die Münze nicht weggespült wird und beobachtet weiter den Becher. Zur Präzisierung, kann man eine Peilvorrichtung (z.B. ein Rohr oder eine Stuhl- lehne, über die man gerade darüber peilt) verwenden. Formuliere das Ergebnis in kurzen klaren Sätzen. Bilder und Versuchsbeschreibung aus:

27 Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & Messreihe: Einfallswinkel α (Luft) – Brechungswinkel β (Wasser) 3.3 Messreihe: Einfallswinkel α (Wasser) – Brechungswinkel β (Luft) Zeitangabe Aufbau min Messung 20 min (jeweils) Benötigtes Gerät Brechwanne / Brechungsgerät halbrunde, durchsichtige Plastikschüssel auf runder Messscheibe mit Winkeleinteilung, daran befestigt: schwenkbare Lichtquelle Stativstange mit Befestigungsmaterial Stromquelle Gerätefehler Bei dem von uns verwendeten Brechungsgerät gab es Schwierigkeiten mit dem Lichtstrahl den Mittelpunkt der Messscheibe zu treffen. Gewählte Einstellungen s. Tabelle Messergebnisse s. Tabelle Arbeitsauftrag Es soll eine Messreihe durchgeführt werden für den Übergang des Licht- strahls von Wasser nach Luft bzw. umgekehrt, beginnend mit lotrechtem (0°) Lichtstrahl und Vergrößerung des Einfallswinkels in 10er-Schritten, bei Bedarf auch in kleineren Schritten. Die zugehörigen Brechungswinkel und die Differenz von Einfalls- und Brech- ungswinkel sollen in der Tabelle festgehalten werden.

28 Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & Messreihe: Einfallswinkel α (Luft) – Brechungswinkel β (Wasser) 3.3 Messreihe: Einfallswinkel α (Wasser) – Brechungswinkel β (Luft) Unerwünschte Effekte Die Einstellung der Lichtquelle auf den nächst größeren Einfallswinkel führt zu Be- wegungen auf der Wasseroberfläche, wodurch Wartezeiten entstehen. Die 10er-Schritte ließen sich nicht jedes Mal einhalten, weil die Lichtquelle an manchen Stellen nicht zu arretieren war. Genaues Ablesen war wegen des relativ breiten Lichtstrahls erschwert (Bilder 1 und 2). Verbesserung Eventuell feste Lichtquelle und bewegliche Messscheibe mit stabilem Medium (z.B. Glas) verwenden. Vergleiche Vor allem bei der 1. Messreihe (Übergang Luft – Wasser) lagen die gemessenen Werte um 1 – 3° über den Literaturwerten. Bewertung Aufgrund der relativ großen Anzahl unerwünschter Effekte ist es dringend nötig die Ver- suche nochmals mit anderen Geräten (gleicher Bauart) durchzuführen, um zu prüfen, ob die Ungenauigkeiten (Treffen des Mittelpunktes, Messergebnisse) tatsächlich auf einen Gerätefehler zurückzuführen sind (was uns in dieser Sitzung aus Zeitmangel nicht möglich war). Darüber hinaus wäre ein Vergleich mit dem alternativen Versuch (feste Lichtquelle – bewegliche Messscheibe, s.o.) im Hinblick auf die benötigte Zeit sicherlich sinnvoll, denn in der hier durchgeführten Form dauert das Experiment so lange, dass eine anschließende Reflexion im Rahmen einer Unterrichtsstunde kaum noch möglich ist.

29 Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & Messreihe: Einfallswinkel α (Luft) – Brechungswinkel β (Wasser) 3.3 Messreihe: Einfallswinkel α (Wasser) – Brechungswinkel β (Luft)

30 Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & Messreihe: Einfallswinkel α (Luft) – Brechungswinkel β (Wasser) 3.3 Messreihe: Einfallswinkel α (Wasser) – Brechungswinkel β (Luft)

31 Bild 1 Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

32 Bild 2 Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

33 Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4 1. & 4. Gebogener Lichtstrahl Arbeitsauftrag 1. Versuch mit Zucker Eine gesättigte Zuckerlösung (500g Zucker auf 1000 cm 3 Wasser) wird in ein Wasserbassin gegossen. Darauf wird mit Hilfe eines Gummischlauches vorsichtig 1 Liter Wasser geschichtet. Einige Zeit stehen lassen, damit sich eine von oben nach unten kontinuierlich steigende Zuckerkonzentration bildet. 2. Versuch mit Salz Genauso mit gesättigter Salzlösung (360g Salz auf 1000 cm 3 Wasser) Zeitangabe Aufbau 20 min Benötigtes Gerät Wasserbassin, Wasser Messbecher, Schlauch Zucker und/oder Salz Laserpointer Besondere Beobachtungen Im Experiment mit der Zuckerlösung ist der gebogene Lichtstrahl sofort zu sehen (Bild 3) Im Experiment mit der Salzlösung ist der ge- bogene Lichtstrahl selbst nach einiger Warte- zeit nicht so gut zu erkennen, wie in der Zuckerlösung (Bild 4) Zucker: Die Schichtgrenze zwischen Zucker- lösung und Wasser ist deutlich erkennbar. Salz: Direkt nach dem Einfüllen sind 3 Schichten zu sehen, was vermutlich auf unterschiedliche Einfüllgeschwindigkeiten zurück zu führen ist. Der erste Teil des Wassers war relativ schnell eingefüllt worden, so dass sich das Wasser mit einem Teil der Salzlösung vermischt hat. Der zweite Teil des Wassers wurde langsamer ein- gefüllt, hat sich nicht vermischt und bildete so die dritte Schicht. Bilder aus:

34 Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4 1. & 4. Gebogener Lichtstrahl Verbesserungen Gleichmäßige Einfüllgeschwindigkeit Bewertung Unsere Versuche haben ergeben, dass sich mit der Zuckerlösung wesentlich bessere und schnellere Ergebnisse erzielen lassen, als mit der Salzlösung (vgl. Bild 3 & 4). Der gebogene Lichtstrahl kann unmittelbar nach dem Schichten des Wassers auf die gesättigte Zuckerlösung gezeigt werden (Bild 3). In der Salzlösung ist er auch nach längerer Wartezeit nicht so gut zu sehen, wie in der Zuckerlösung. Da die Schüler/innen nicht selbst mit dem Laserpointer experimentieren sollen (vgl. Diskussionsergebnisse), muss nach der Aufbauphase eine Demonstrationsphase eingeplant werden, in der der/die Lehrer/in am Wasserbassin jeder einzelnen Gruppe den gebogenen Lichtstrahl zeigt. Ebenfalls kurz nach dem Auffüllen sind beim Blicken (aus verschiedenen Blickwinkeln) durch das Wasserbassin auf dahinter platzierte Gegenstände folgende Phänomene zu beobachten: Verzerrungen (Bilder 5 & 6) Spiegelungen (Bilder 6 & 7) Dreifachbilder (Bilder 8 & 9) Bei den Dreifachbildern lässt sich sogar noch ein viertes Bild beobachten, da es zu- sätzlich eine Spiegelung an der Wasseroberfläche gibt (Bilder 8 & 9). Diese drei Phänomene waren auch beim Salzlösungsversuch zu beobachten. Nach der Beobachtungsphase folgt eine Reflexionsphase, in der die Schüler/innen ihre Überlegungen und Theorien zum Entstehen dieser Phänomene diskutieren. Hier wird es sicher nötig sein weitere Informationen und Erklärungen anzubieten, damit ein grundsätzliches Verständnis ermöglicht wird.

35 Bild 3 Gebogener Lichtstrahl in Zuckerlösung kurz nach dem Einfüllen Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

36 Bild 4 Lichtstrahl in Salzlösung kurz nach dem Einfüllen Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

37 Bild 5 Salz - Blick durch das Wasserbassin in Längsrichtung Verzerrung Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

38 Bild 6 Verzerrung Salz - Blick durch das Wasserbassin in Längsrichtung Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

39 Bild 7 Zucker - Blick durch das Wasserbassin in Querrichtung Spiegelung Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

40 Bild 8 Dreifach- bzw Vierfachbild Zucker - Blick durch das Wasserbassin in Längsrichtung Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

41 Bild 9 Salz - Blick durch das Wasserbassin in Längsrichtung Dreifach- bzw Vierfachbild Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4

42 Bild 10 Gebogener Lichtstrahl in Zuckerlösung ca. 18 Stunden nach dem Einfüllen Didaktische Grundversuche 1 Einführungsvortrag Thema Lernziele Vorwissen Experimente Diskussionsergebnisse Versuchsprotokolle mit Bewertung Experimente 2 Experimente 3 Experimente 1 & 4


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