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Demonstrationsexperimente
WS 2006/07
Brechung und Totalreflexion
Fröhlich Klaus
Inhalt 1. Versuchsbeschreibung ................................................................................................ 3
1.1 Versuchsaufbau (Optische Scheibe) ...................................................................... 3 1.1.1 Versuchsvorbereitung ...................................................................................... 4 1.1.2 Geräteliste ....................................................................................................... 4
1.1.3 Versuchsdurchführung .................................................................................... 5 1.2 Versuchsaufbau (Lichtleiter) .................................................................................. 8
2. Lernvoraussetzungen .................................................................................................. 9 3. Lernziele ...................................................................................................................... 9
3.1 Grobziele ................................................................................................................ 9
3.2 Feinziele ............................................................................................................... 10
4. Bezug zur übergeordneten Unterrichtseinheit ........................................................... 10 5. Experimentelle Alternativen ....................................................................................... 10 6. Einsatz als Schülerexperiment .................................................................................. 10
7. Unterrichtsverfahren .................................................................................................. 11 7.1 Sozialform ............................................................................................................ 11
7.2 Lehr- und Lernform .............................................................................................. 11 7.3 Motivationssituation oder Einstiegssituation ......................................................... 11
8. Lernzielsicherung ...................................................................................................... 12 9. Lernzielkontrolle: ....................................................................................................... 14
1. Versuchsbeschreibung
1.1 Versuchsaufbau (Optische Scheibe)
Auf den Standfüßen wird mittels Halter eine Stativstange montiert und darauf eine
Experimentierleuchte mit Fünfkantprofilen befestigt. Auf die Lampe werden eine
Sammellinse, die den Lichtstrahl kollimiert (Kollimator), und ein Blendenhalter
aufgesteckt. In den Blendenhalter wird eine Blende mit einem Schlitz (0,5mm)
geschoben, so dass der Schlitz waagrecht ist. Auf einem weiteren Reiter wird eine
Stativstange montiert und darauf per Schraubenklemme eine Optische Scheibe
befestigt, so dass man sie drehen kann. Mit Hilfe zweier Klemmbügel kann ein
Halbkreiskörper aus Plexiglas oder Glas so auf die Optische Scheibe geklemmt werden,
dass seine plane Seite mit der Durchmesserlinie der Optischen Scheibe zusammenfällt
und der Mittelpunkt des Halbkreises auf dem Mittelpunkt der Optischen Scheibe liegt. Es
ist zu empfehlen 2 Klemmbügel zu nutzen, um den Halbkreiskörper sicher in seiner
Position zu halten. Die Lampe kann nun an die Stromversorgung (hier: 6V)
angeschlossen werden. Die Lampe mit der Schlitzblende ist so zu justieren, dass das
parallele Lichtbündel die optische Scheibe lediglich am Rand beleuchtet. Die Höhe der
Leuchte ist so zu wählen, dass das Licht parallel zu der Flächennormale der planen
Seite des Pleixglaskörpers verläuft.
1.1.1 Versuchsvorbereitung
Damit die Lichtstrahlen auf der Optischen Scheibe gut sichtbar sind, muss man den
Raum abdunkeln. Auch kann als Lichtquelle ein Laser oder eine Halogenlampe dienen,
da hier die Lichtintensität höher liegt. Die Spannungsversorgung wird eingeschaltet
(Beachte: max. Spannung der Glühbirne). Wenn der Strahl nicht gut genug kollimiert (d.
h. nicht parallel und daher nicht scharf genug ist), muss man die Glühwendel im
Gehäuse verschieben bis der Strahl kollimiert, da zur Durchführung des Versuchs
paralleles Licht benötigt wird. (Versuch auch mit Laser möglich, aber nur bedingt
empfehlenswert als Schülerversuch aufgrund ungewollter Reflexionen)
1.1.2 Geräteliste
Standfuß
Stahlschiene
Halter für Stahlschienen
Reiter für Fünfkantprofil
Einfachkondensor, f=200mm
Blende mit einem Schlitz
Blendenhalter
Optische Scheibe
Modellkörper
Experimentierleuchte (hier von Phywe Experimentierleuchte 2)
Energieversorgung 6V
1.1.3 Versuchsdurchführung
Quelle: Physik2,Bayrischer Schulbuchverlang, 1988
Die Optische Scheibe wird so gedreht, dass der Lichtstrahl genau auf die Mitte der
planen Fläche des Halbkreiskörpers trifft. Die Richtung des Lichtstrahls verändert sich
beim Austritt aus dem Körper nicht, da er stets senkrecht darauf trifft.
Quelle: Physik2,Bayrischer Schulbuchverlang, 1988
Die Optische Scheibe wird im Uhrzeigersinn gedreht, so dass der Lichtstrahl schräg auf
die plane Fläche des Halbkreiskörpers trifft. Beim Übergang vom optisch dünneren
Medium (Luft) ins optisch dichtere Medium (Glas) wird ein Teil des einfallenden
Lichtstrahls nach dem Reflexionsgesetz reflektiert, der Rest zum Lot hin gebrochen. Der
Einfallswinkel α ist größer als der Brechungswinkel β. Und damit auch der horizontale
Abstand x1 und x2 vom Lot zum „Austrittspunkt des Lichts aus der optischen Scheibe“.
Damit gilt:
1.2
1
sin
sin
:
2sin
1sin
LuftGlas
Luft
Glas ndaconstnn
n
x
x
damit
sKreisradiur
r
xund
r
x
Die Strecken werden mit einem Zollstock gemessen oder mittels eines Zirkels
übertragen und dann gemessen.
α β
X1 X2
Quelle: Physik2,Bayrischer Schulbuchverlang, 1988
Die Optische Scheibe wird weiter im Uhrzeigersinn gedreht, so dass der Lichtstrahl
schräg auf die runde Fläche des Halbkreiskörpers trifft. Beim Übergang vom optisch
dichteren Medium (Glas) ins optisch dünnere Medium (Luft) wird ein Teil des
einfallenden Lichtstrahls nach dem Reflexionsgesetz reflektiert, der Rest vom Lot weg
gebrochen. Der Einfallswinkel α ist kleiner als der Brechungswinkel β. Der Lichtweg ist
also umkehrbar.
X1 X2
α β
Quelle:Physik2,Bayrischer Schulbuchverlang, 1988
Wenn man die Optische Scheibe noch mehr im Uhrzeigersinn dreht, wird ab einem
bestimmten Einfallswinkel - dem so genannten Grenzwinkel αG- das Licht nicht mehr
gebrochen. Der Brechungswinkel beträgt dann 90° - bei Glas 42° Einfallswinkel(2). Mit
zunehmendem Einfallswinkel nimmt die Intensität des reflektierten Strahls zu und die
des gebrochenen ab. Der Grenzwinkel bzw. die Brecheigenschaften sind vom optischen
Medium abhängig (siehe unten). Bei weiterer Vergrößerung des Einfallswinkels wirkt die
Grenzfläche zwischen Luft und Glas wie ein Spiegel und es tritt Totalreflexion auf (3).
Totalreflexion gibt es nur beim Übergang vom optisch dichteren (Glas) ins optisch
dünnere Medium (Luft).
1.2 Versuchsaufbau (Lichtleiter)
Phywe Schriftenreihe, A/B Optik, Industrie Druck GmbH Verlag, O 4.10
α
β
Der Aufbau entspricht dem oberen, nur dass in den Lichtstrahl ein Glasstab statt der
optischen Scheibe eingesetzt wird. Der Raum ist auch hier zur besseren Beobachtung
abzudunkeln. Die Experimentierlampe ist auf maximale Ausleuchtung der Stirnfläche
des Stabes einzustellen.
Das Ergebnis ist die zu beobachtende Lichtleitung innerhalb des Stabes durch
mehrfache Totalreflektion an den Grenzflächen, so dass das Licht erst aus dem Ende
des gewundenen Stabes wieder austritt.
Phywe Schriftenreihe, A/B Optik, Industrie Druck GmbH Verlag, O 4.10
2. Lernvoraussetzungen Kenntnis des Modells des Lichtstrahls
Wissen, dass Licht sich geradlinig ausbreitet
Kenntnis des Reflexiongesetzes
– Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß
– Einfallender Strahl, Lot und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene
3. Lernziele
3.1 Grobziele
Die Schüler sollen den Begriff „Brechungsindex“ lernen
Die Schüler sollen erkennen das Licht an der Grenze zweier Medien mit
unterschiedlichem Brechungsindex gebrochen wird
Die Schüler sollen das „nicht trigonometrische“ Gesetzes von Snellius kennen
und anwenden lernen: 2
1
x
xn
3.2 Feinziele
Die Schüler sollen den Begriff der Brechung kennen und verwenden lernen
Die Schüler sollen den Effekt der Lichtbrechung am Versuch beschreiben können
Die Schüler sollen den Brechungsindex als Unterscheidungsmerkmal für diverse
optische Medien kennen lernen
Die Schüler sollen durch die Lichtbrechung, den Begriff und den Effekt der
Totalreflexion kennenlernen
Die Schüler sollen optische Phänomene aus Alltag und Technik – Lichtleiter,
Lichtbrechung beim Schwimmen oder eine Fata Morgana - durchs
Brechungsgesetz verstehen lernen
4. Bezug zur übergeordneten Unterrichtseinheit
Der Versuch verdeutlicht das Verhalten von Lichtbündeln an Grenzflächen, erleichtert
den Zugang zum Themenbereich „Brechung von Lichtstrahlen und Totalreflexion“ und
vertieft das Verständnis für die in Jahrgangstufe 9 (G9) weiterhin behandelten Themen
der Optik, wie Linsen, Grundlagen der Fotographie und Farben des Lichts.
5. Experimentelle Alternativen
Anstatt eines Halbkreiskörpers nimmt man ein Prisma aus Glas oder Acryl. Beim Prisma
kann man die Doppelbrechung und die Totalreflexion zeigen. Ansonsten hat man
folgende experimentelle Alternativen: optische Magnettafel, Aquarium, Wassergläser.
6. Einsatz als Schülerexperiment
Das Experiment kann ohne Probleme auch vom Schüler selbst durchgeführt werden,
allerdings besteht die Frage, ob die Schule entsprechend viele Apparaturen in der
Physik Sammlung hat. Desweitern sollten für den Schülerversuch am einfachsten
Taschenlampen oder LED-Lampen statt der Experimentierleuchte verwendet werden,
um zu vermeiden, dass Schüler beim Anschluss der Lampe einen Stromschlag
bekommen oder die Lampe zerstören. Der in 1.1. beschriebene Versuchsaufbau muss
beibehalten werden und statt der Leuchte eine Klemme für die Taschenlampe bzw. die
LED angebracht werden. Zur Vereinfachung des Versuchsablaufs, sollte dem Schüler
jedoch auf jeden Fall ein Arbeitsblatt mit entsprechenden Arbeitsanweisungen
ausgegeben werden. Bei der Erstellung des Arbeitsblattes ist dem Motto des
systemisch-konstruktivistischen Ansatzes „Kinder dort abholen, wo sie stehen“ zu
achten. Es muss auf das Alter und experimentelle Vorerfahrung eingegangen werden.
7. Unterrichtsverfahren
Typ: Modifiziertes Normalverfahren nach Mothes
7.1 Sozialform
Unterrichtsgespräch mit Demonstrationsexperiment
Gruppenunterricht mit anschließender Vertiefung des Versuchs und des Themas
7.2 Lehr- und Lernform
Großteils Lehrervortag (fragend entwickelnd)
Beobachtung des Experiments (rezeptiv) oder Schülerexperiment
(Gruppenarbeit)
7.3 Motivationssituation oder Einstiegssituation
Man betrachte ein Glas (rechteckig) Wasser mit schräg eingetauchtem
Strohhalm, der aufgrund der Lichtbrechung gebrochen erscheint
Angeln: Gegenstände unter Wasser erscheinen näher als sie sind, bzw. das
Ergreifen von Fischen gestaltet sich äußert schwierig, weil sie nicht genau da
schwimmen, wo man sie vermutet
Kochen von Spaghetti: Schräg in einen Topf eingestellt
Das Erweiterte Sichtfeld beim Tauchen im Schwimmbad nach Draußen
Beobachten der unteren Kante eines Kochtopfes mit und ohne Wasser. Der Blick
geht dabei entlang der Gerade „Rand Topf“ zum unteren Rand des Topfes
(Vorstellung: eine Spaghetti auf oberen Rand legen und in den Topf bis zum
Rand rutschen lassen). Zu beobachten ist hier die Körperhöhe der
Versuchsperson! Motivationsfrage: Warum muss die Person beim gefüllten Topf
tiefer gehen?
Nach der Motivation folgt die Hinleitung zum eigentlichen Experiment durch fragendes
entwickeln. Der Schüler weiß, dass z.B. der Strohhalm nicht geknickt ist, dennoch
erscheint er als gebrochen – hier sollte der Schüler das Glas oder das Wasser als
Verantwortlichen für den Effekt ausmachen. Durch andere Alltagserfahrungen wie oben
beschrieben könnte der Schüler darauf kommen, dass sich Licht nicht in jedem Medium
gleich ausbreitet. Das wird im Anschluss an die Motivation am Versuch genauer
untersucht.
8. Lernzielsicherung
Hefteintrag mit Versuchsskizzen, Erklärungen des Lichtwegs, Herleitung des
nichttrigonometrischen Snellnius Gesetz, Beispielen aus Technik und Alltag
Oder Protokollierung des Versuchs auf Arbeitsblatt mit Auswertung als
Hausaufgabe oder im Unterricht
Folgendes Beispiel eines Arbeitsblatts soll zur Lernzielsicherung dienen. Die rot
markierten Textteile sind die erwarteten Schülerantworten.
Der Lichtstrahl trifft genau auf die Mitte der planen Fläche des Halbkreiskörpers. Seine Richtung verändert sich beim Austritt aus dem Körper nicht, da er stets senkrecht darauf trifft.
Der Lichtstrahl trifft schräg auf die plane Fläche des Halbkreiskörpers. Es findet ein Übergang vom optisch dünneren Medium (Luft) ins optisch dichtere Medium (Glas statt. Dabei wird ein Teil des einfallenden Lichtstrahls nach dem Reflexionsgesetz reflektiert, der Rest wird zum Lot hin gebrochen. Der Einfallswinkel ist größer als der Brechungswinkel.
Der Lichtstrahl trifft schräg auf die runde Fläche des Halbkreiskörpers trifft. Es findet ein Übergang vom optisch dichteren Medium (Glas) ins optisch dünnere Medium (Luft) statt. Dabei wird ein Teil des einfallenden Lichtstrahls nach dem Reflexionsgesetz reflektiert, der Rest wird vom Lot weg gebrochen. Der Einfallswinkel ist kleiner als der Brechungswinkel.
9. Lernzielkontrolle:
Die Schüler sollen den Lückentext bzw. die Lückengrafiken auf dem Arbeitsblatt
vervollständigen. Zudem sollen sie sich Beispiele überlegen, wo überall in der Umwelt
Brechung bzw. Totalreflektion auftritt. Weiterhin sollen während der Unterrichtsstunde
Fragen zum Geschehen im Versuch gestellt werden, um zu prüfen, ob die Schüler
folgen können.
In der nächsten Stunde wird ein Schüler im Rahmen einer Abfrage die Brechung und
Totalreflexion am Versuch erklären. Nach der Abfrage werden noch weitere Beispiele für
Lichtbrechung gesammelt und nach Besprechung mit den Schülern ins Heft notiert.
Ab dem sogenannten Grenzwinkel wird das Licht nicht mehr gebrochen, sondern total reflektiert. Totalreflexion gibt es nur beim Übergang vom optisch dichteren (Glas) ins optisch dünnere Medium (Luft).
