Farben - Optik am Gymnasium Kl.8/9

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ysik kontextorientiert Gymnasium: Optik

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

VORSC

HAU

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eldey: Physik kontextorientiert Gymnasium: Optik erlag

Forscherfragen:

1. Was ist „weißes“ Licht? Weißes Licht kann man durch ein Prisma in seine einzelnen Farben (Regenbogenfarben) zerlegen.

2. Was „macht“ ein Farbfilter mit dem „weißen“ Licht? Ein Farbfilter lässt nur einen Teil des wei- ßen Lichtes durch. Dieser verbleibende Anteil mischt sich zu einer bestimmten Farbe.

3. Wie kommt es, dass die Bauklötze je nach Beleuchtung immer anders aussehen? Ein Körper

„verschluckt“ einen Teil des Lichtes, mit dem er beleuchtet wird und einen anderen Teil des Lich- tes reflektiert er. Nur den reflektierten Lichtanteil können wir sehen.

4. Was ist der Unterschied zwischen einer gelben Lampe und einem gelben T-Shirt? Das gelbe Licht einer Lampe enthält nur den gelben Teil des Regenbogenspektrums. Ein gelbes T-Shirt re- flektiert nur den gelben Teil des weißen Lichtes, das aus allen Regenbogenfarben besteht.

5. Was passiert, wenn man im Wasserfarbenkasten eine neue Farbe mischt? Die verschiede- nen Farbteilchen reflektieren die unterschiedlichen Anteile des Lichtes. Zusammen ergeben sie einen neuen Farbeindruck.

6. Wie entstehen die Farben beim Regenbogen? Das Sonnenlicht bricht sich in den Regentropfen und wird dabei in die Spektralfarben aufgeteilt. Der Hauptregenbogen erscheint im 42° Winkel, wenn der Beobachter die Sonne im Rücken hat.

7. Wie entsteht das farbige Bild beim Fernseher? Der Farbeindruck eines Bildpunktes entsteht durch die Mischung von den drei Farbkanälen Rot, Grün und Blau (additive Farbmischung). Jeder Kanal kann die Werte 0 bis 1 haben.

8. Was ist „schwarzes“ Licht? Es gibt doch Schwarzlicht-Lampen. Schwarzlicht enthält einen großen Anteil von unsichtbaren UV-Licht (ultraviolettes Licht), das besondere Stoffe (fluoreszie- rende Stoffe) zum Leuchten bringt.

VORSC

HAU

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Versuch 7.2: Unsichtbares Licht

Bildungsstandards: F1, F3; E3, E6, E7; K1, K2, K5 Kontextbezug: Sonnenbrand; Wärmestrahlung

Material: Verdunklungsmöglichkeit; 1 weißes Papier; 1 Schere;

1 Zinksulfid-Schirm; 1 Spiegel; 1 Einspalt-Blende;

1 Geradsicht-Prisma; 1 UV-LED Taschenlampe;

1 Glühlampe (6 V / 5 A); 1 Wärmelampe;

1 Thermochrompapier

Hinweis: Ihr benötigt für diese Versuche einen verdunkelten Raum. Bittet ggf. euren Lehrer darum.

Anleitung:

a) Schneidet ein Stück weißes Papier so zurecht, dass die obere Hälfte des Zinksulfid-Schirms damit bedeckt wird (beide Teile = Schirm). Lenkt das Sonnenlicht mithilfe des Spiegels durch die Blende und anschließend durch das Prisma. Bildet das Spektrum auf dem „Schirm“ so ab,

dass es zur Hälfte auf dem Papier und zur anderen Hälfte auf dem Zinksulfid auftrifft (= schraf- fierter Bereich). Beschreibt eure Beobachtung und tragt sie (hier) in Skizze a) ein.

b) Wiederholt Versuchsteil a). Verwendet diesmal statt des Sonnenlichts die UV-LED- Taschenlampe. Beschreibt, ob und wie sich das Ergebnis verändert.

c) Verwendet nun die Glühlampe und beleuchtet damit erneut den Zinksulfid-Schirm. Beschreibt, was ihr beobachtet und tragt dies in Skizze c) ein.

d) Klebt bei dem Thermochrompapier den oberen Teil mit einem Stück Papier ab. Beleuchtet diesen Schirm mit dem Spektrallicht der Wärmelampe. Beschreibt eure Beobachtung und tragt sie (hier) in Skizze d) ein.

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

Hinweis: Für diesen Versuchsteil wird, soweit möglich, Sonnenlicht und ein offenes Fenster benötigt.

s. Hilfe 7.2

Skizze a) Spektrum Sonne und

Glühlampe

Spektrum Wärmelampe

Skizze c)

Skizze d)

VORSC

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Versuch 7.4: Regenbogen

Bildungsstandards: F1, F3, F4, F5; E5, E7, E8; K1, K2, K5 Kontextbezug: Regenbogen

Material: Verdunklungsmöglichkeit; 1 Rundkolben mit Stopfen; Wasser; 1 optische Lampe;

1 Einspalt-Schlitzblende; 1 Lochblende; 1 weiße Pappe (Maße: 50 × 70 cm, Mitte:

1 ausgestanztes Loch mit ∅ ca. 2 cm); ggf. 1 Schirm; 1 zylindrischer Glaskörper Hinweis: Ihr benötigt für diese Versuche einen verdunkelten Raum. Bittet ggf. euren Lehrer darum.

Information:

Man kann einen Regenbogen sehen, wenn man die Sonne im Rücken hat und sie so die Regentropfen vor einem beleuchtet. Als Modell für die vielen Regentropfen wird hier ein mit Wasser gefüllter Rundkolben verwendet.

Anleitung:

a) Füllt den Rundkolben komplett mit Wasser und verschließt ihn. Erzeugt mit der Lampe und der Lochblende einen Lichtstrahl und richtet ihn auf die Papp-Lochblende. Stellt den gefüllten Rund- kolben hinter die Papp-Blende. Betrachtet den Rundkolben so, dass das Licht von

schräg hinter euch kommt. (Stellt einen Schirm hinter dem Rundkolben auf.) Notiert (hier) eure Beobachtungen.

b) Wiederholt Versuchsteil a). Erzeugt diesmal mit der Lampe und der Einspalt-Schlitz- blende einen Lichtstrahl und richtet ihn auf den zylindrischen Glaskörper (= Modell für einen Regentropfen). Notiert den Versuchsaufbau und den Verlauf der Lichtstrahlen.

c) Diese Farbzerlegung erfolgt an jedem Wassertropfen. Gebt an, welche Farbe von welchem Regen- tropfen jeweils in das Auge fällt. Erklärt so, wie ein Regenbogen gesehen wird und beschreibt den Aufbau des Hauptregenbogens mithilfe der Bilder auf der nächsten Seite.

s. Hilfe 7.4 a

s. Hilfe 7.4 b

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Versuch 7.5: Wie das Auge Farben sieht

Bildungsstandards: F1, F3, F4; E2, E9; K1, K2, K5, K7

Kontextbezug: Farbwahrnehmung des menschlichen Auges

Material: 1 „Sehkeil“ (s. CD-ROM „7.3 Sehkeil und Spektrum“); 1 Pappe; 1 Schere; 1 Spek- trum (s. CD-ROM „7.3 Sehkeil und Spektrum“); 1 kariertes DIN-A4-Blatt; Klebe- band; 1 Testbild (s. CD-ROM „7.3 Testbild“)

Information:

Die Netzhaut besteht aus Stäbchen und Zapfen. Die Stäbchen ermöglichen das Sehen von hell und dunkel, die Zapfen das Sehen von Farben.

Anleitung:

a) Bastelt aus Pappe einen „Sehkeil“. Befestigt das Spektrum an der Längsseite des karierten Blat- tes. Schiebt dann den „Sehkeil“ an jeder Gitterlinie von oben nach unten über das Spektrum, so- lange bis ihr zwei unterschiedliche Farben erkennen könnt. Markiert jedes Mal mit ei-

nem Stift das untere Ende des „Sehkeils“. Betrachtet die entstandene Grafik und beschreibt sie.

Information:

Offensichtlich sieht unser Auge im Bereich Blau, Grün und Rot nicht besonders differenziert, denn dann reagiert immer nur eine Zapfenart. Dazwischen nehmen wir Farbunterschiede viel schneller wahr. Schlussfolgerung: Unser Auge hat drei Zapfenarten für diese Farben: Rot, Grün und Blau, die unterschiedlich

empfindlich auf Licht reagieren, wie dieses Bild zeigt:

s. Hilfe 7.5

relative Empfindlichkeit

VORSC

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b) Betrachtet das folgende Farbdruckbild und den vergrößerten Ausschnitt. Beschreibt dann, wie beim Druckvorgang die vielen verschiedenen Farben erzeugt werden.

c) Beschreibt, wie farbige Bilder aufgenommen und wiedergegeben werden.

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

Aufgabe:

Bei manchen Menschen arbeiten die Zapfen auf der Netzhaut nicht oder nicht richtig, d. h. die Be- troffenen können manche Farben nicht (so genau) unterscheiden. Dies ist – wie das „Zungenrol- len“ – eine angeborene, genetisch bedingte, Erscheinung. Eine verbreitete Form ist die Rot-Grün- Blindheit, bei der die Betroffenen zwischen Rot und Grün nicht oder nur sehr schlecht unterscheiden können. Bei Jungen tritt dies 10-mal häufiger auf als bei Mädchen. Mit speziellen Bildkarten, die aus vielen runden Flecken bestehen, kann man testen, ob diese Anomalie vorliegt. Ein „normalsichtiges“

Auge kann die hinterlegte Struktur (Zahl oder Buchstabe) erkennen.

Wenn ihr möchtet, könnt ihr mithilfe des Bildes testen, ob ihr die Zahl auf der Testkarte erkennen könnt.

Rückblick: Beantworte die Fragen, die du zu Beginn der Einheit gelesen hast.