Reflexion und Spiegelbilder - Schülerversuche zur Optik mit Kontextbezug

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eldey: Physik im Kontext: Optik erlag

3. Reflexion und Spiegelbilder

Didaktisch-methodische Hinweise

14 Stunden 7 / 8

Reflexion an verschiedenen Oberflächen erforschen; Reflexionsgesetz aufstellen;

Bilder am ebenen und gebogenen Spie- gel konstruieren

1 optische Lampe mit Kondensor;

1 Raucherzeuger; 1 optische Kreisscheibe mit Fuß; 1 Pappbuchstabe „F“ (Vorder- und Rückseite in verschiedenen Farben);

1 zylindrischer Hohl- und Wölbspiegel;

1 sphärischer Hohlspiegel mit bekannter Brennweite; 1 Schuhkarton; 2 Spiegel (Maße: Größe der 2 kleineren Seiten des Schuhkartons); einige Glühlämpchen;

Klingeldraht; 1 Batterie; 2 ebene Spiegel (jeweils drehbar auf Stiel); 1 Bierdeckel;

1 Reißzwecke; 1 glänzender (Schmuck-) Ring; 1 polierte Blattfeder (Länge 20 cm);

1 Hammer; Nägel (Länge 3 cm); 1 Taschen- lampe mit verstellbarem Reflektor; Zusatz- materialien

Experimentiergruppen mit 3, max. 4 Schülern; Großgruppenversuche.

Gruppenpräsentation eines eigenen Kurz- vortrags

Für die Schüler liegt es nahe, den Winkel zur ebenen Spiegelfläche zu messen. Für das Refle- xionsgesetz am gekrümmten Spiegel ist es allerdings notwendig, die Winkel zum Lot hin zu messen. Deshalb sollte man dies auch gleich beim ebenen Spiegel praktizieren.

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

Themeneinstieg

Spiegelvideos:

# Besuch in einem Spiegelkabinett, z. B.: https://www.youtube.com/watch?v=4vNVnoOBFsA

# Spiegel-Kugelbahn, z. B.: https://www.youtube.com/watch?v=Q0SzBBKWdAE

Material: eine große blankpolierte biegsame Blechplatte

Durchführung: Die Schüler können sich in der Blechplatte spiegeln und so mit den verschie- denen Spiegelarten experimentieren: gerader Spiegel, Wölb- und Hohlspiegel.

Forscherfragen:

1. Wie kommt ein Spiegelbild zustande? Die Lichtstrahlen werden am Spiegel reflektiert, aber unser Auge sieht den Knick nicht und meint das Licht käme von einer Stelle hinter dem Spiegel.

2. Wie werden Lichtstrahlen gespiegelt (reflektiert)? Misst man den Winkel (zum Lot), dann ist der Einfallswinkel so groß wie der Ausfallswinkel.

3. Wie vertauscht ein Spiegel (die Ansichten) rechts und links? Ein Spiegel vertauscht die An- sichten vorne und hinten, nicht rechts und links.

4. Was macht ein gebogener Spiegel anders? Die Lichtstrahlen werden an jeder Stelle anders gespiegelt. Es entsteht ein verzerrtes Bild.

5. Warum wird das Spiegelbild breiter und schmaler, wenn man einen gekrümmten Spiegel

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Versuch 3.1: Diffuse und gerichtete Spiegelungen

Bildungsstandards: F3; E1, E7; K5

Kontextbezug: Spiegelbilder in verschiedenen Oberflächen

Material: unterschiedliche Materialien (z. B. rau, glatt, blank, verspiegelt); 1 optische Lampe mit Kondensor;

1 Mehrfachschlitzblende; 1 Raucherzeuger Anleitung:

a) Erforscht bei welchen Oberflächen ein Spiegelbild entsteht.

b) Richtet dann ein Lichtbündel auf die verschiedenen Oberflächen und bringt Rauch in den Lichtweg, um die Lichtstrahlen sichtbar zu machen. Vervollständigt die Skizzen mit den passenden Lichtstrahlen:

rau glänzend lackiert verspiegelt

Beobachtung:

a) / b) Skizzen: s. o.

Zusammenfassung:

Raue Oberflächen reflektieren Lichtstrahlen (= diffuse Reflexion).

Glatte Oberflächen reflektieren Lichtstrahlen (= teilweise Reflexion).

Verspiegelte Oberflächen reflektieren Lichtstrahlen (= totale Reflexion).

Beispiele:

rau glänzend lackiert verspiegelt

s. Hilfe 3.1

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Versuch 3.3: Reflexion an gekrümmten Oberflächen

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

Kontextbezug: Kosmetikspiegel; Panorama-Verkehrsspiegel Material: 1 optische Lampe mit Kondensor; 1 Ein- und

Mehrschlitzblende; 1 Raucherzeuger; 1 optische Kreisscheibe mit Fuß; 1 zylindrischer Hohl- und Wölbspiegel; 2 kleine Klebepunkte; 1 sphärischer Hohlspiegel mit bekannter Brennweite; 1 Kerze;

1 Schirm; 1 Metermaß Anleitung:

a) Setzt die Mehrschlitzblende vor die Lampe und richtet den Hohlspiegel an der Grundlinie der opti- schen Kreisscheibe aus. Richtet nun die Lampe so aus, dass der mittlere Strahl genau die Mitte der Kreisscheibe trifft bzw. parallel zur Mittellinie verläuft (= optische Achse). Schreibt eure Beob- achtung.

b) Wiederholt Versuchsteil a) mit dem Wölbspiegel. _{s. Hilfe} 3.3 a

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c) Verwendet nun die Ein-Schlitzblende und den Hohlspiegel. Markiert mit den Klebepunkten den Brennpunkt und den Mittelpunkt. Richtet die Lampe so aus, dass der Lichtstrahl …

… parallel zur optischen Achse einfällt bevor er auf den Hohlspiegel trifft.

… erst durch den Brennpunkt läuft bevor er auf den Hohlspiegel trifft.

… erst durch den Mittelpunkt läuft bevor er auf den Hohlspiegel trifft.

Parallelstrahl Brennpunktstrahl Mittelpunktstrahl

Betrachtet die reflektierten Strahlen und vervollständigt die Satzanfänge auf der nächsten Seite.

d) Stellt den sphärischen Hohlspiegel auf und notiert euch die Brennweite. Stellt dann eine brennen- de Kerze entlang der optischen Achse im Abstand der dreifachen Brennweite vor den Spiegel. Be- obachtet, ob und wo ihr auf dem Schirm ein scharfes Abbild der Kerzenflamme entdecken könnt.

Notiert eure Beobachtungen in der Tabelle auf der nächsten Seite.

e) Wiederholt Versuchsteil d), indem ihr die Kerze im Abstand der doppelten Brennweite aufstellt.

Verringert anschließend den Abstand der Kerze in mehreren Schritten bis zur einfachen Brenn- weite. Zum Schluss stellt ihr die Kerze zwischen den Spiegel und dem Brennpunkt

auf. Notiert eure Beobachtungen in der Tabelle auf der nächsten Seite.

s. Hilfe 3.3 b

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 gegenüberliegende 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 beim „Guckloch“. Nun klebt ihr mit dem Klebeband den Spiegel so in den Karton, dass ihr durch das „Guckloch“ und den Spiegel hindurch in den Karton schauen könnt. Das „Guckloch“ darf größer sein als die freie Stelle am Spiegel.

c) Klebt auf der anderen Seite den zweiten Spiegel so ein, dass sich die verspiegelten Flächen ge- genüberstehen.

d) Verbindet die Lämpchen mit dem Draht und bringt die- se Lichterkette mittig an den Innenwänden des Karton an. Führt die Drahtenden wieder nach außen und schließt sie an die Batterie an.

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

ins Innere. Skizziert und beschreibt eure Beobachtun- gen.

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

Beobachtung:

Skizze:

Alternative ohne Lichterkette

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Versuch 3.6: Grabenspiegel und Entfernungsmesser

Bildungsstandards: F4; E1, E6, E7; K4, K5

Kontextbezug: Periskop; Mischbildentfernungsmesser (bei älteren Kameras) Material: 2 ebene Spiegel (jeweils drehbar auf Stiel); Stativmaterial

(1 Stativfuß, 1 lange Stange, 2 Muffen); 2 Spiegel (je auf Klotz);

1 Bierdeckel; 1 Reißzwecke; 1 feste tragbare Unterlage (z. B. Holzplatte, Maße: 20 × 50 cm); 1 Maßband oder Zollstock; 1 Schmierblatt

Anleitung:

a) Konstruiert mit den zwei ebenen Spiegeln (jeweils drehbar auf einem Stiel) und dem Stativmate- rial einen Aufbau, mit dem ihr über ein größeres Hindernis schauen könnt. Zeichnet euren Aufbau hier ein.

b) Steckt die Reißzwecke mittig durch den Bierdeckel und bastelt so eine Drehscheibe. Nutzt nun die Spiegel, die auf Klötzen montiert sind, sowie die Unterlage.

c) Fixiert einen Spiegel im 45°-Winkel auf der einen Seite der Unterlage. Auf der anderen Seite wird die Drehscheibe befestigt. Der zweite Spiegel sitzt genau mittig auf der Mittellinie der Drehscheibe.

45°

d) Sucht euch ein Objekt, messt die Entfernung und notiert sie auf einem Schmierblatt. Schaut dann sowohl über den linken Spiegel hinweg direkt dorthin, gleichzeitig in diesen linken Spiegel, wo ihr noch irgendwas seht. Dreht nun den rechten Spiegel so lange, bis ihr das Objekt auch im linken Spiegel seht. Die beiden Bilder passen also zusammen. Zeichnet auf der Drehscheibe die gemes- sene Entfernung ein. Wiederholt diesen Versuchsteil mit mehreren Entfernungen und eicht so euren Entfernungsmesser. Zeichnet den Strahlengang im Versuchsaufbau ein.

Beobachtung:

a) Versuchsaufbau: s. o.

b) / c) Versuchsaufbau: s. o.

s. Hilfe 3.6