In Werner (2000) wird die Nutzung der Zeigeroptik in einem Unterrichtsgang ausführlich beschrieben. Wie auch bei der Fermat-Optik soll hier darauf nicht näher eingegangen werden. An dieser Stelle wird nur auf die grundlegende Idee hingewiesen und der Bezug zum bereits bekannten Lichtwegkonzept aufgezeigt.
Die Zeigeroptik hat ihren Ursprung in einer populärwissenschaftlichen Darstellung der Quantenelektrodynamik von Richard Feynman (Feynman, 2005). Dort führt er Zeiger ein, um optische Phänomene zu begründen, ohne die Frage nach der genauen Natur des ”Lichts” beantworten zu müssen.
Für die Verwendung des Zeigerformalismus ergeben sich folgende Regeln (nach: Erb und Schön, 1996):
(a) Jedem Lichtweg wird ein Zeiger zugeordnet, der sich während der Licht-ausbreitung dreht. Wenn der Zeiger eine vollständige Drehung durchge-führt hat, hat das Licht einen Weg zurückgelegt, der gleich seiner Basis-länge (WellenBasis-länge) λ ist.
(b) Die Länge des Zeigers wird so gewählt, dass das Quadrat die
Wahrschein-4.3. Die Zeigeroptik – Oberstufe 85
A
B
Abbildung 4.24: Die Entstehung eines Ellipsenspiegels über die Spiegelwelt-konstruktion.
lichkeit angibt, am Empfänger ein Photon zu registrieren.
(c) Um die Intensität zu erhalten, müssen alle Zeiger wie Vektoren addiert werden. Anschließend wird die Resultierende quadriert.
(d) Bei mehreren Lichtwegen von einer Lichtquelle zum Empfänger müssen alle Wege berücksichtigt werden, um das richtige Ergebnis für die Inten-sität zu erhalten.
(e) Jeder Lichtweg trägt vom Betrag gleich viel zum Ergebnis bei.
Im Gegensatz zur Fermat-Optik wird postuliert, dass alle Lichtwege zur In-tensität an einem bestimmten Punkt beitragen. Als verdeutlichendes Beispiel dient die schon aus der Anfangsoptik bekannte Reflexion an einem Spiegel.
Statt der unendlichen Zahl an Lichtwegen soll näherungsweise eine repräsen-tative Anzahl an Lichtwegen herausgegriffen werden (Abbildung 4.25). Jedem
Lichtweg wird ein Zeiger zugeordnet, der je nach Länge des Lichtweges in ei-ne bestimmte Richtung zeigt. Nach Postulat haben alle Zeiger die gleiche Länge und unterscheiden sich nur durch ihren Phasenwinkel. Addiert man graphisch alle Zeiger, so ergibt sich die dazugehörige Cornu-Spirale. Es fällt auf, dass die Lichtwege um Weg 13 herum den größten Beitrag zur Intensität liefern.
Spiegel
1 13 25
1
13 25
S E
Abbildung 4.25: Ausmessung der Lichtwege bei der Reflexion am Spiegel mit dem Zeigerformalismus (nach Erb, 1995c).
Wie könnte man die Intensität noch weiter vergrößern? Aus der Logik des Zeigerformalismus heraus müsste man diejenigen Lichtwege ausschließen, deren Zeiger in die ”falsche” Richtung zeigen und somit nicht konstruktiv zur Intensität beitragen. Dies ist für die wenigen Lichtwege in Abbildung 4.26 durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich die Länge des resultierenden Zeigers vergrößert. Praktisch kann dies erreicht werden, indem man die reflektierende Schicht des Spiegels an den jeweiligen Flächen wegkratzt.
Spiegel
1 13 25
S E
22 3 13
Abbildung 4.26: Die Verhinderung der negativ zur Resultierenden beitra-genden Lichwege führt zu einer Resultierenden größeren Betrags.
Für eine größere Zahl von Lichtwegen bietet sich die Nutzung des Com-puters an. Dazu wurde im Rahmen einer Examensarbeit ein Programm
ge-4.3. Die Zeigeroptik – Oberstufe 87
schrieben (Müller, 2004). Übergibt man die Arbeit der Auslöschung der un-geeigneten Lichtwege dem Computer und lässt sich die Gestalt des Spiegels, der diese Bedingungen erfüllt ausgeben, so ergibt sich das bekannte Gitter (Abbildung 4.27).
Abbildung 4.27:Die mit einem Computerprogramm errechnete Gestalt eines Spiegels, der bei den vorgegebenen PunktenS undE aus Abbildung 4.25 und
4.26 die maximale Intensität erreicht – es entsteht ein Gitter.
Weitere Phänomene, wie die streifige Struktur einer Seifenhaut oder die
”geköpfte” Seifenblase (Weber, 1999) lassen sich mit der Zeigeroptik ebenso einfach behandeln wie Beugungs- bzw. Interferenzerscheinungen (Erb, 1995a;
Sommer, 2005).
Bis auf die Behandlung von Polarisationserscheinungen oder spezieller Phänomene wie beispielsweise der Kerr- oder Faradayeffekt lassen sich alle Gebiete der Optik mit dem Zeigerformalismus beschreiben. Dass das Gebiet der Polarisation dennoch nicht von der phänomenologischen Betrachtungs-weise ausgeschlossen ist, zeigt Grebe-Ellis (2005). In jener Arbeit werden weitere grundsätzliche Betrachtungen zur phänomenologischen Optik ange-stellt. Am Beispiel der Polarisation werden erkenntnistheoretische und ex-perimentiermethodische Aspekte untersucht und anhand vieler Experimente erörtert.
Teil II
Methoden
Kapitel 5
Aufbau der Untersuchung
5.1 Untersuchungsbedarf
Kapitel 2 zeigt, dass im Bereich der außerschulischen Lernorte noch einige Fragen offenstehen. Gerade im Bezug auf die besonders im deutschsprachigen Raum sowohl bei Geldgebern aber auch bei den Nutzern beliebten Schüler-labore scheint die Wirksamkeitsforschung den wohlwollenden und vielfach anekdotenhaft zugewiesenen Nutzen jener Labore hinterher zu hinken. Bis auf die relativ ähnlich ausgerichteten Arbeiten von Engeln (2004) und Brandt (2005) sind keine substantiellen Untersuchungen durchgeführt worden. So fehlen (nicht nur im deutschsprachigen Raum) vollständig Studien, die den Einfluss mehrfacher Besuche eines außerschulischen Lernortes auf bestimm-te Bildungsziele erheben. Darüberhinaus sind keine Arbeibestimm-ten bekannt, die eingehender auf den Nutzen der vielfach geforderten engen Vernetzung von Besuch und Curriculum und einem daraus folgenden möglichen Einfluss auf das Interesse abheben. Die vorliegende Arbeit versucht, diese Aspekte nä-her zu beleuchten und dabei verschiedene Altersklassen zu berücksichtigen.
Gerade vor dem Hintergrund des einsetzenden Interessenverfalls mit Anfang des Physikunterrichts scheint es interessant, Vergleiche zwischen Schülern der 8. Klasse mit Anfangsunterrcht und Grundschülern der 5. Klasse mit begin-nendem Unterricht in Naturwissenschaften anzustellen. Außerdem wird mit der Berücksichtigung von 5. Klassen der Mahnung von Prenzel et al. (2000) Rechnung getragen, auch jüngere Schüler in längsschnittartige Untersuchun-gen miteinzubeziehen.