Reflexion und Spiegelbilder - Optik am Gymnasium Kl.7/8

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Dietrich Hinkeldey: Physik kontextorientiert Gymnasium: Optik © Auer Verlag

Vorwort

Ein neues Arbeitsbuch zum Thema „Optik“ – sind da nicht schon genug auf dem Markt? Das vorliegende Buch bietet Ihnen die Möglichkeit, alle Teilthemen der Optik mit Schülerversuchen in Partner- oder Kleingruppenarbeit zu erarbeiten. Nur an den Stellen, bei denen es sicherheitstechnisch nicht möglich ist, wurde auf Lehrer-Demonstrationsversuche zurückgegriffen.

In der heutigen Zeit lassen sich jede Menge Animationen zu physikalischen Versuchen im Internet finden, die man den Jugendlichen präsentieren könnte. Das sieht alles perfekt aus und ist leicht zu handhaben. Aber es bleibt eine „second-life-Erfahrung“. Die Schüler begreifen die Zusammenhänge nicht unmittelbar. Sie werden dabei nicht selbst tätig und erfahren die Naturgesetze nicht durch selbst durchgeführte Versuche.

Schülerversuche erfordern gewiss etwas mehr Zeit als eine gleichartige Lehrerdemonstration. Aber der Erkenntnisgewinn ist umso nachhaltiger.

Das vorliegende Buch mit CD-ROM bietet daher Ihnen als Lehrkraft und Ihren Schülerinnen und Schülern¹ in sieben Ka piteln:

# den Physikstoff zum Thema „Optik“ bis zum Mittleren Bildungsabschluss;

# einen Überblick zu Beginn eines jeden Kapitels zu Zeitbedarf , Klassenstufe , Ziel , beson- derem Material , Sozialformen , Präsentationsformen und Stolpersteinen , ggf. Infor- mationen ;

# einen motivierenden Einstieg und erste Fragen zu dem jeweiligen Themenkomplex, die am Ende des Kapitels beantwortet werden können;

# Anleitungen zu Schülerversuchen;

# Lehrer-Demonstrationsversuche erscheinen nur, wenn sie aus Sicherheitsgründen notwendig sind;

# zu jedem Kapitel einen Highlight-Versuch ;

# jedes Kapitel endet mit dem Rückblick , der auf die ersten Fragen verweist;

# jeweils einen Test, mit dem Sie den Lernfortschritt Ihrer Schüler überprüfen können;

# Aufgaben zum Weiterdenken für die schnellen und guten Schüler.

Die Versuche enthalten:

# eine allgemeine Einordung des Versuchs zu Beginn mit einem Verweis auf die Bildungsstandards der KMK (vgl. Anhang auf CD) und den jeweiligen Kontextbezug (mit Bild);

# den klassischen Aufbau eines Versuchsprotokolls (Material, Anleitungen, Beobachtungen usw.);

das übliche Stativmaterial wird normalerweise nicht extra aufgeführt;

# immer wieder Verweise auf Hilfestellungen (auf der CD) zur Stärkung des selbstständigen Arbeitens;

Auf der beigefügten CD finden Sie zu jedem Kapitel:

# editierbare Vorlagen (z. B. Protokoll-Vorlage);

# Gefährdungsbeurteilungen, soweit nötig, in editierbarer Form;

# alle Hilfen zum Ausdrucken;

# einen Bilderordner mit nützlichen Bildern aus dem Buch für Sie und Ihre Schüler;

# den Test in editierbarer Form (Aufgabenversion und Lösungen);

# Aufgaben zum Weiterdenken zur Differenzierung (mit Lösungen), ebenfalls mit Bezug zu den Bil- dungsstandards.

Dietrich Hinkeldey

1 Aufgrund der besseren Lesbarkeit ist in diesem Buch mit Schüler auch immer Schülerin gemeint, ebenso verhält es sich mit Lehrer und Lehrerin.

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eldey: Physik kontextorientiert Gymnasium: Optik erlag

Ergebnisse:

Variante A:

Aufbau A Kaleidoskop-Bild A

Variante B:

Aufbau B Kaleidoskop-Bild B

Variante C:

Aufbau C Kaleidoskop-Bild C

Forscherfragen:

1. Wie kommt das Kaleidoskop-Bild zustande? Das Bild der Pailletten wird an den drei Spiegel- wänden mehrfach gespiegelt, sodass ein drehsymmetrisches Bild entsteht, das einem bunten Schneekristall ähnelt.

2. Wie entsteht ein Spiegelbild, z.B. beim Spiegel im Badezimmer? Die einfallenden Lichtstrah- len werden am Spiegel reflektiert, aber unser Auge sieht den Knick nicht und meint, das Licht käme von einer Stelle hinter dem Spiegel.

3. Wie werden Lichtstrahlen gespiegelt (reflektiert)? Misst man den Winkel zum Lot, dann ist der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel.

4. Warum ist mein Spiegelbild seitenverkehrt? Ein Spiegel vertauscht vorne und hinten, nicht rechts und links.

5. Was macht ein gebogener Spiegel anders? Die Lichtstrahlen werden an jeder Stelle anders gespiegelt. Deswegen ändert sich auch das Spiegelbild.

6. Warum ist der Reflektor eines Scheinwerfers gebogen? In Scheinwerfern werden Parabolspie-

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Versuch 3.2: Reflexionsgesetz und Spiegelbild

Bildungsstandards: F1, F3; E1, E4, E7; K2, K5 Kontextbezug: Spiegelbilder

Material: 1 optische Lampe mit Kondensor; 1 Ein- und Mehrspalt-Schlitz- blende; 1 Raucherzeuger; 1 optische Kreisscheibe mit Fuß;

1 Spiegel auf einem Klotz; 1 großflächiger Spiegel;

1 Pappbuchstabe „F“ (Vorder- und Rückseite in verschiedenen Farben) Anleitung:

a) Setzt die Einspalt-Schlitzblende vor die Lampe und richtet den Spiegel an der Grundlinie der opti- schen Kreisscheibe aus. Richtet nun diesen Strahl genau auf die Mitte der Kreisscheibe. Ihr seht einen Lichtbalken, der auf den Spiegel zu läuft und einen, der vom Spiegel reflektiert wird. Lasst nun diesen Lichtstrahl unter verschiedenen Winkeln auf den Spiegel einfallen und messt jeweils den Einfallswinkel und den Ausfallswinkel, jeweils zum Lot.

(Hinweis: Das Lot steht immer senkrecht zur Oberfläche im Auftreffpunkt des Licht- strahls.)

b) Benutzt anschließend die Mehrspalt-Schlitzblende und betrachtet erneut die Lichtstrahlen.

Formuliert dann das Reflexionsgesetz.

c) Lest und ergänzt den Informationskasten.

d) Betrachtet euer eigenes Spiegelbild im großen Spiegel und beschreibt es.

e) Haltet nun den Pappbuchstaben vor den Spiegel.

Beschreibt das Spiegelbild und „was“ der Spiegel vertauscht.

Beobachtung: Notiert eure Ergebnisse und Beobachtungen hier bzw. in der Protokoll-Vorlage.

a) Nutzt diese Messwerttabelle:

Einfallswinkel a Ausfallswinkel b

b) Nutzt diesen Satzanfang: Bei einem ebenen Spiegel gilt … e) Nutzt diesen Satzanfang: Ein Spiegel vertauscht …

s. Hilfe 3.2 a

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Versuch 3.3: Reflexion an gekrümmten Oberflächen

Bildungsstandards: F1, F3; E1, E4, E7; K2, K3, K5

Kontextbezug: Kosmetikspiegel; Panorama-Verkehrsspiegel

Material: 1 sphärischer Hohlspiegel (z. B. Kosmetikspiegel); helles Sonnenlicht oder 1 starker Scheinwerfer; 1 optische Bank; 1 Hohlspiegel ( f = 10 cm); 1 montier- barer „Tisch“ (ggf. höhenverstellbar);

1 Kerze; Streichhölzer oder Feuer- zeug; 1 weißes DIN-A4-Papier;

1 Schirm; 1 Metermaß; 1 optische Scheibe mit Fuß; 1 zylindrischer Hohlspiegel (beidseitig verspiegelt);

1 optische Lampe; 1 Fünfspalt-Schlitz- blende; 1 kleiner Klebepunkt

Anleitung – Teil 1:

a) Überprüft mit dem sphärischen Hohlspiegel und Sonnenlicht, ob und was der wahre Kern dieser Sage ist. (Alternative: An einem Tag mit wenig Sonne bzw. bedecktem Himmel nutzt den Schein- werfer als Sonnenersatz.)

Information 2:

Den Punkt, den ihr bei Versuchsteil a) entdeckt habt, nennt man Brennpunkt. Den Abstand zwischen Brennpunkt und Spiegel (entlang der optischen Achse) nennt man Brennweite f.

b) Montiert auf der optischen Bank den Hohlspiegel (f = 10 cm) und in einem großen Abstand dazu den

„Tisch“. Stellt die Kerze auf diesen Tisch und richtet

die Höhe so ein, dass die Kerzenflamme sich in der Höhe der optischen Achse befindet.

Entzündet die Kerze und sucht mit einer Papierecke, wo sich die reflektierenden Strahlen bündeln.

Stellt an dieser Stelle den Schirm auf. Beschreibt das Bild und beschriftet (hier) die Versuchsskizze mit den wichtigen Größen:

c) Nähert nun die Kerze in mehreren Schritten dem Hohlspiegel. Notiert für jede Situation die fol- genden Größen: Brennweite f, Gegenstandsweite g, die Bildweite b, Bildgröße B, Gegenstands- größe G und die Eigenschaften des Bildes (z. B. Schärfe, Ausrichtung usw.). Beschreibt die Verän- derungen.

d) Setzt die Fünfspalt-Schlitzblende vor die Lampe und richtet den zylindrischen Hohlspiegel an der Grundlinie der optischen Kreisscheibe aus. Richtet nun die Lampe so aus, dass der mittlere Strahl

Information 1:

Der Sage nach belagerten vor 2 200 Jahren römische Schiffe die Stadt Syrakus. Archimedes, der in Syrakus lebte, ersann einen Hohlspiegel, mit dem er das Sonnenlicht einfing und dieses auf die Schiffe so konzentrierte, dass sie in Brand gerieten.

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c) Ergänzt in Bild 3 den Parallelstrahl und den Brennpunktstrahl sowie deren Reflexion.

Information 4:

Man braucht also nur zwei dieser drei besonderen Strahlen (aus Information 3) einzuzeich- nen, um den gemeinsamen Schnittpunkt zu bestimmen. So kann man die Lage eines Bildes konstruieren (hier das der Lampe), denn alle Strahlen müssen sich auch dort schneiden.

d) Ergänzt mithilfe von Information 4 in Bild 3 den Mittelpunktstrahl. Konstruiert anschließend die verschiedenen Situationen, die in der Tabelle hier angegeben sind, und ergänzt eure Ergebnisse.

Abstand der Kerze vom Spiegel:

Abstand des Abbildes

vom Spiegel: Art des Abbildes:

größer als die doppelte Brennweite

genau doppelte Brennweite

zwischen einfacher und doppelter Brennweite nur wenig mehr als die einfache Brennweite genau die einfache Brennweite

kleiner als die einfache Brennweite

Anleitung – Teil 3:

a) Benutzt nun den Hohlspiegel mit der Rückseite, so erhaltet ihr einen Wölbspiegel. Setzt die Fünf-Schlitzblende vor die optische Lampe und beleuchtet so den Wölbspiegel parallel zur optischen Achse. Notiert und skizziert eure Beobachtungen.

b) Betrachtet euer Gesicht im Wölbspiegel und beschreibt eure Beobachtungen.

c) Untersucht, wie beim Wölbspiegel ein Bild entsteht. Beachtet auch hier Information 3 und zeichnet diese drei Strahlen hier ein.

Wölbspiegel

Optische Achse

Kerze F

M

d) Nennt Beispiele, wo man Wölbspiegel im Alltag einsetzt.

Beobachtung: Notiert eure Ergebnisse und Beobachtungen hier bzw. in der Protokoll-Vorlage.

s. Hilfe 3.3 d

s. Hilfe 3.3 e s. Hilfe 3.3 c

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Versuch 3.5: Spiegelkasten bauen

Bildungsstandards: F1, F3; E1, E8; K4, K5 Kontextbezug: Spiegelkabinett

Material: 1 Schuhkarton; 2 Spiegel (Maße: Größe der 2 kleineren gegenüberliegenden Seiten);

doppelseitiges Klebeband; einige Glüh- lämpchen; Klingeldraht; 1 Batterie;

1 Schere; ggf. 1 Taschenlampe Anleitung:

a) Stecht mit der Schere zwei kleine Löcher in den Schuhkarton: eines mittig in eine kurze Seite, das andere mittig in eine lange Seite.

b) Platziert einen Spiegel an der Innenseite der gelochten kurzen Seite, sodass die verspiegelte Seite nach innen zeigt. Markiert auf der Spiegelrückseite das „Guckloch“. Nehmt anschließend den Spiegel wieder heraus und entfernt vorsichtig die Schutzschicht. Nun klebt ihr mit dem Klebeband den Spiegel so in den Karton, dass ihr durch das „Guckloch“ und den Spiegel hindurch in den Kar- ton schauen könnt. Das „Guckloch“ darf größer sein als die freie Stelle am Spiegel.

c) Klebt auf der anderen Seite den zweiten Spiegel auch so ein, dass sich die verspiegelten Flächen gegenüberstehen.

d) Verbindet die Lämpchen mit Draht und bringt diese Lichter- kette mittig an den Innenwänden des Kartons an. Führt die Drahtenden wieder nach außen und schließt sie an die Bat- terie an.

(Alternativ kann die Lichterkette weggelassen werden.) e) Verschließt den Karton und schaut durch das „Guckloch“ ins

Innere. Skizziert und beschreibt eure Beobachtungen.

(Alternative: Wurde keine Lichterkette eingebaut, leuchtet ihr mit einer Taschenlampe in das seitliche Loch.)

Beobachtung: Notiert eure Skizze und Beschreibung in der Protokoll-Vorlage.

Versuch 3.6: Reflektor

Bildungsstandards: F1, F3; E5, E8; K1, K4, K5

Kontextbezug: Autoscheinwerfer; Taschenlampe

Material: 1 optische Lampe mit Kondensor; 1 glänzender (Schmuck-)Ring; 1 polierte Blattfeder (Länge: 20 cm); 1 Holzbrett (Maße: mind. 15 × 15 cm); ca. 15 Nägel (Länge: 3 cm); 1 Hammer; 1 Taschenlampe mit verstellbarem Reflektor Anleitung:

a) Legt den Ring auf den Tisch und beleuchtet ihn mit der optischen Lampe flach von der Seite und beobachtet die reflektierten Strahlen. Zeichnet diese hier ein und beschreibt euer Ergebnis.

s. Hilfe 3.6 a