Brechung an Linsen - Optik am Gymnasium Kl.7/8

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eldey: Physik kontextorientiert Gymnasium: Optik erlag

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

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eldey: Physik kontextorientiert Gymnasium: Optik

5. Brechung an Linsen

Didaktisch-methodische Hinweise

16 Stunden 7 / 8

Lichtbrechung an gekrümmten Ober- flächen; Reduktion auf Parallelstrahl, Brennpunktstrahl und Mittelpunktstrahl;

Konstruktion von Bildern; Weiterent- wicklung der Lochkamera

1 zylindrisches Glas mit Wasser oder 1 Standzylinder mit Wasser; 1 Bild mit (farbigen) Pfeilen; Diagramm von Versuch 4.2;

2 Klebepunkte; Verdunklungsmöglichkeit;

1 Perl-L; verschiedene alte Brillengläser (vom Optiker); Lochkamera aus Kapitel 2 sowie Ergebnisbilder; 1 Smartphone;

ggf. Frischhaltefolie; 2 Plexiglas-Rundstäbe (Durchmesser: je ca. 1,5 cm; Länge: je ca.

10 cm); Zusatzmaterialien auf CD-ROM (Hilfen, Lösungen und Test)

Experimentiergruppen von 3, max. 4 Schülern, teilweise mit Lehrerunterstüt- zung

Objekt- und Plakatpräsentation von Ver- such 5.5

Erfahrungsgemäß haben die Schüler Probleme in der Handhabung des Geodreiecks und bei der Lage des Lotes. Bei der Konstruktion von Bildern an einer Linse muss man auf die nötige Sorgfalt achten.

Wird der Raum abgedunkelt, sind die Versuche und ihre Ergebnisse besser sichtbar.

Themeneinstieg

Einstiegsversuch:

Material: 1 Foto; ggf. 1 Fotoapparat (z.B. Smartphone); 1 zylindrisches Glas mit Wasser oder 1 Standzylinder mit Wasser; 1 Bild mit (farbigen) Pfeilen

Durchführung:

a) Das (gefüllte) Wasserglas wird vor das Foto gestellt. Es wird beobachtet, ob und wie das Wasserglas das Bild (verändert) abbildet.

(Alternative: Ggf. können sich die Schüler gegenseitig fotografieren und diese Fotos be- trachten.)

b) Versuchsteil a) wird wiederholt. Dafür wird das Glas nur teilweise mit Wasser gefüllt. An- schließend wird es so vor das Pfeilbild gestellt, dass die Wassersäule nur die Hälfte der Pfeile abdeckt.

b) (1) (2)

a)

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Versuch 5.1: Licht an gekrümmten Flächen

Bildungsstandards: F1, F2, F3; E5, E7; K1, K5 Kontextbezug: Sammellinsen; Lupe; Brille

Material: 1 optische Lampe mit Kondensor; 1 Mehrspalt-Schlitzblende; 1 dünne zylindrische Sammellinse (Plexiglas); 1 optische Scheibe; 1 Einspalt-Schlitzblende;

Diagramm von Versuch 4.2; 1 Dreispalt-Schlitzblende; 2 Klebepunkte

Information:

Man unterscheidet Sammellinsen (konvex) und Zerstreuungslinsen (konkav). Konvexe Linsen sind in der Mitte dicker als am Rand. Konkave Linsen sind am Rand dicker als in der Mitte.

konvexe Linsen konkave Linsen

plan-konvex bi-konvex konkav-konvex plan-konkav bi-konkav konvex-konkav

Anleitung:

a) Parallele Strahlen allgemein: Erzeugt mit der Lampe und der Mehrspalt-Schlitzblende parallele Lichtstrahlen. Lasst diese aus (drei) verschiedenen beliebigen Richtungen durch die Linse (auf der optischen Scheibe) fallen und skizziert den weiteren Strahlenverlauf. Lasst die Licht-

strahlen abschließend parallel zur optischen Achse durch die Linse fallen. Notiert und skizziert euer Ergebnis.

b) Die Brechung im Detail: Wie erfolgt die Lichtbrechung in der Linse genau? Teilt dazu die gekrümmte Oberfläche der Linse in gerade Abschnitte ein. Erzeugt dazu einen einzelnen Strahl und untersucht (mithilfe des Diagramms) für jeden Abschnitt, wie der jeweils einfallende Lichtstrahl gebrochen wird. Notiert diese Ergebnisse.

c) Besondere Lichtstrahlen: Legt die Sammellinse genau in die Mitte der optischen Scheibe. Erzeugt mithilfe der Dreispalt-Schlitzblende parallele Lichtstrahlen und lasst sie durch die Sammellinse fallen. Bestimmt so die beiden Brennpunkte der Linse auf der optischen Achse und markiert diese jeweils mit einem Klebepunkt.

Untersucht dann den Verlauf der „besonderen“ Strahlen, die ihr schon beim Hohlspie- gel kennengelernt habt: Parallelstrahl, Brennpunktstrahl und Mittelpunktstrahl.

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

a) Nutzt für die Strahlengänge diese Skizzen:

s. Hilfe 5.1 a

s. Hilfe 5.1 b

s. Hilfe 5.1 c

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Versuch 5.2: Zerstreuungslinsen

Bildungsstandards: F1, F3; E1, E3, E5, E7; K2, K5

Kontextbezug: verschiedene optische Geräte (z. B. Brille)

Material: 1 optische Lampe mit Kondensor; 1 Mehrspalt-Schlitzblende; 1 zylindrische Zerstreuungslinse (Plexiglas); 1 optische Scheibe; 1 Dreispalt-Schlitzblende;

2 Klebepunkte; 1 Ein-Schlitzblende Anleitung:

a) Parallele Strahlen allgemein: Erzeugt mit der Lampe und der Mehrspalt-Schlitzblende parallele Lichtstrahlen. Lasst diese aus (drei) verschiedenen beliebigen Richtungen durch die Linse (auf der optischen Scheibe) fallen und skizziert den weiteren Strahlenverlauf. Lasst die Licht-

strahlen abschließend parallel zur optischen Achse durch die Linse fallen. Notiert und skizziert euer Ergebnis.

b) Besondere Lichtstrahlen: Legt die Zerstreuungslinse genau in die Mitte der optischen Scheibe.

Erzeugt mithilfe der Dreispalt-Schlitzblende parallele Lichtstrahlen und lasst sie durch die Sam- mellinse fallen. Bestimmt so die beiden Brennpunkte der Linse auf der optischen Achse und markiert diese jeweils mit einem Klebepunkt.

Untersucht dann mithilfe eines einzelnen Lichtstrahls den Verlauf der „besonderen“

Strahlen, die ihr schon beim Hohlspiegel kennengelernt habt: Parallelstrahl, Brenn- punktstrahl und Mittelpunktstrahl.

a) Nutzt diese Skizze: b) Nutzt diese Skizze:

s. Hilfe 5.2 a

s. Hilfe 5.2 b

Zusammenfassung:

Ergänzt die folgenden Satzanfänge.

Man spricht hier von einem Brennpunkt mit negativer Brennweite f.

Verlaufen die einfallenden Strahlen parallel zur optischen Achse, werden die ausfallenden Strah- len

. Verlaufen die einfallenden Strahlen erst durch den Brennpunkt und dann durch die Linse, sind

alle ausfallenden Strahlen .

F F

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c) Konstruiert (in der Protokoll-Vorlage) mithilfe der Konstruktionshilfe die Fälle (2) bis (4) der Tabelle von Versuchsteil b). Fasst eure Beobachtungen zusammen.

d) Wiederholt nun Versuchsteil b) für den Fall (5) der Tabelle (s. Skizze hier). Notiert eure Beobachtungen und konstruiert das Bild mithilfe der Konstruktionshilfe. Ergänzt als

Zusammenfassung den Lückentext.

e) Wiederholt Versuchsteil b) mit der Zerstreuungslinse und probiert die verschiedenen Fälle durch.

Ergänzt die Skizze mit der Bildkonstruktion und beschreibt eure Beobachtungen.

–F –F

b) Nutzt diese Tabelle:

Gegenstandsgröße G

Bildweite b Bildgröße B

Gegenstandsweite g

(1) größer als die zweifache Brennweite

g >> 2f

(2) genau die zweifache Brennweite

g = 2f

(3) etwas mehr als die einfache Brennweite g > f

(4) genau die einfache Brennweite

g = f

(5) kleiner als die einfache Brennweite

g < f

s. Hilfen 5.3 c / d s. Hilfe

5.3 b

F F

d)

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Versuch 5.4: Brechkraft von Linsen und Linsensystemen

Bildungsstandards: F1, F3; E3, E4, E5, E7, E9; K5 Kontextbezug: Auge; Brille

Material: 1 optische Bank; 1 optische Lampe; 1 Mehrspalt-Schlitblende; Sammellinsen;

verschiedene alte Brillengläser (vom Optiker); 1 Meterstab Anleitung:

a) Bestimmt die Brennweite f von verschiedenen Sammellinsen und Brillengläsern. Baut dazu einen passenden Versuch auf und skizziert ihn unten.

b) Bestimmt für eure Sammellinsen und Brillengläser jeweils die Brechkraft. Ergänzt an- schließend die Tabelle unten.

Information:

Den Kehrwert der Brennweite (Angabe in der Einheit Meter) nennt man die Brechkraft. Sie wird mit dem Buchstaben D abgekürzt und so berechnet: D = 1

f . Die Einheit der Brechkraft ist „Dioptrie“, Abkürzung: dpt.

Beispiele:

# 4 dpt bedeutet also eine Brennweite von f = 1

4 m = 0,25 m.

# Das menschliche Auge hat normalerweise eine Brechkraft von 60 dpt.

c) Setzt nun zwei dünne Linsen (oder Brillengläser) mit bekannter Brechkraft eng aneinander. Be- stimmt anschließend die Brechkraft dieses Systems aus zwei Linsen. Verwendet dazu den glei- chen Versuchsaufbau wie im Versuchsteil a). Beschreibt, wie die einzelnen Brechkraftwerte mit der Gesamtbrechkraft zusammenhängen.

b) Ergänzt diese Tabelle:

Brennweite f 2 m 0,33 m 10 cm 50 mm

Brechkraft D 1 dpt 5 dpt 0,2 dpt 60 dpt

s. Hilfe 5.4 a

s. Hilfe 5.4 b

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Versuch 1.4: Bau einer Lochkamera

Bildungsstandards: F1, F3; E1, E8; K4, K5 Kontextbezug: Fotoapparat; Auge

Material: 1 Metalldose mit abnehmbarem Deckel (z. B. von Cappuccino-Pulver,

∅ ca. 12 cm); 4 Bögen schwarzer Karton (Maße: 25 × 40 cm; 25 × 40 cm;

20 × 20 cm; 3 × 20 cm); 1 Pergamentpapier (Maße: 20 × 20 cm); Klebeband; Kleb- stoff; 1 Schere; 1 Lineal; 4 Gummiringe

Anleitung 1:

a) Wickelt den großen Karton (25 × 40 cm) um die Dose und klebt ihn zu einer Röhre zusammen.

Legt dann die vier Gummiringe als Abstandshalter darum und wickelt den zweiten Bogen (25 × 40 cm) darum und klebt ihn ebenfalls zu einer Röhre zusammen. Lasst die Büchse und die Pappröhren zur Formstabilisierung noch ineinandergesteckt.

b) Klebt nun um die hintere Öffnung der inneren Röhre das Pergamentpapier (20 × 20 cm). Schneidet es an der Seite ein, damit die Kante möglichst glatt wird (= Schirm).

c) Verschließt nun die äußere Pappröhre mit dem kleinen Bogen (20 × 20 cm) (= Deckel). Macht ein ca. 2 cm großes Loch in die Mitte dieses Deckels (= Lochblende).

d) Aus dem schmalen Streifen stellt ihr einen Schieber mit verschieden großen Lochblenden her, den ihr verschiebbar auf den Deckel über dem Loch montiert.

e) Nun habt ihr eine Lochkamera mit verschiebbarer Blende.

Innere Röhre, hinterer Teil Fertige Lochkamera

Achtung: Hebt die Lochkamera sorgfältig auf. Sie wird später noch einmal benötigt.

Aufgabe 1:

Geht ins Freie und beobachtet eure Umgebung durch die Lochkamera. Beschreibt und zeichnet eure Beobachtungen hier (und in der Protokoll-Vorlage).