Class Set Optics

Optische Phänomene erforschen und mit Licht experimentieren

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Die Lehre vom Licht

Das Wort Optik kommt aus dem Griechischen und bedeutet „sehen“. Die Optik ist ein Teilgebiet der Physik und beschäftigt sich mit der Ausbreitung des Lichtes, der Reflexion und der Brechung, der Bildentstehung an Spiegeln und Linsen, optischen Geräten, der Entstehung von Farben und den Gesetzen der Farbmischung sowie der Frage, was Licht eigentlich ist. 
 

Berühmte Wissenschaftler und Forscher

Viele berühmte Wissenschaftler und Forscher haben sich mit den Eigenschaften des Lichts beschäftigt. Nachfolgend ein paar Beispiele hierzu.

  • Bereits im Altertum schreibt EUKLID (ein griechischer Mathematiker aus Alexandria, ca. 300 v. Chr.) von der geradlinigen Lichtausbreitung und formuliert das Reflexionsgesetz.
  • Claudius PTOLEMÄUS (ca. 100 - 160 n.Chr.) lehrte auch in Alexandria. Von ihm stammen die ersten Tafeln über den Zusammenhang zwischen dem Einfalls- und Brechungswinkel und Texte über die Lichtbrechung in der Atmosphäre.
  • ALHAZEN, ein arabischer Gelehrter (965 - 1040), untersuchte die Reflexion an gekrümmten Spiegeln, die Brechung des Lichts in der Atmosphäre und die Vergrößerung von Linsen. Er erkannte und beschrieb die Eignung gewölbter Glasoberflächen zur optischen Vergrößerung. Mit der Entwicklung von Glaslinsen, welche den Bau von Brillen, Teleskopen, Mikroskopen und Spektralapparaten ermöglichten, erlebte diese Wissenschaft im Mittelalter eine Blütezeit.
  • Johannes KEPLER (1571 - 1630), ein deutscher Astronom, Physiker, Mathematiker und Naturphilosoph erklärt den Sehvorganges mit Hilfe der Augenlinse und deutet die Bildentstehung bei der Lochkamera. Sein Vorschlag für den Bau eines nach ihm benannten Fernrohrtyps (Keplersches Fernrohr) benutzt im Gegensatz zum Fernrohr des GALILEI (1564 - 1643) zwei Sammellinsen. Er machte die Optik zum Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchung und bestätigte die Entdeckungen, die sein Zeitgenosse Galileo Galilei bereits mit dem Teleskop gemacht hatte.
  • Francesco Maria GRIMALDI (1618 -1663) vermutet, dass sich Licht ähnlich wie Schall wellenartig ausbreitet und beschreibt als einer der ersten die Beugung und Interferenz von Licht beim Durchtritt des Lichts durch kleine Öffnungen.
  • Isaac NEWTON (1642 - 1727) gelingt die systematische Zerlegung des weißen Lichts in die Spektralfarben mit Hilfe von einem Prisma. Er erfindet das erste Spiegelfernrohr (anstelle einer Sammellinse wird ein gekrümmter Spiegel als Objektiv verwendet). Für die Deutung der Reflexion und Brechung geht Newton davon aus, dass Licht aus kleinen Teilchen besteht.
  • Léon FOUCAULT (1819 - 1868) bestimmte mit Hilfe eines schnell rotierenden Spiegels, die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum und der Luft zu etwa 298.000 km/s.
  • Auch Albert EINSTEIN (1879 - 1955) können wir in die lange Liste an Wissenschaftlern und Forschern mit aufnehmen, die den Geheimnissen des Lichts auf der Spur waren. Er nahm an, dass das Licht aus kleinsten Energie-Quanten, den Photonen, besteht. In der modernen Quantenphysik geht man davon aus, dass sich Licht weder wie eine klassische Welle noch wie ein klassisches Teilchen verhält. Licht zeigt sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter.

Einführung in das Thema

Tatsächlich ist „Sehen“ der Sinn, den der Mensch bei Umfragen als erstes nennt, wenn es darum geht, welcher der sechs Sinne wohl am wichtigsten ist. Niemand möchte darauf verzichten. Aber was können wir denn tatsächlich sehen? 

Im Gegensatz zur technischen Optik beschäftigt sich die sogenannte physiologische Optik mit der Theorie der optischen Wahrnehmungen (Seh-, Farbwahrnehmung und optische Täuschung). 

Im Prinzip ist es ja „nur“ Licht, welches wir mit den Augen erfassen. Damit aber aus dem Licht ein detailliertes Bild werden kann, muss das Auge viele verschiedene Lichtwellen schnell auswerten können und an das Gehirn übermitteln. Diese Lichtwellen bestimmen auch die Eigenschaften des Lichtes: Richtung, Helligkeit und Farbe.

Aber wie kommt Farbe zustande? Auch Farberscheinungen lassen sich in Kategorien einordnen. Wir sehen Farben,

• wenn Licht in bestimmten Wellenlängenbereichen ausgesendet wird wie zum Beispiel bei Feuerwerksraketen. 
• wenn unsere Netzhaut (z.B. durch längeres Augenreiben) gereizt wird.
• wenn Licht aufgespalten und in verschiedene Richtungen reflektiert wie zum Beispiel beim Regenbogen
• wenn das Licht durch Reflexion von der Oberfläche eines Körpers in unser Auge gelangt und sich in der Zusammensetzung von dem der Lichtquelle unterscheidet. Hierbei wird ein Teil des Lichtes verschluckt (absorbiert) und und Teil des Lichts gelangt ins Auge.

Hinter diesen alltäglichen Erfahrungen verbergen sich optische Phänomene, die schon im Grundschulalter wahrgenommen werden.

Alle Bildungs- und Rahmenlehrpläne der Länder für Grundschulen enthalten die Auseinandersetzung mit Fragen an die unbelebte Natur. Das Erforschen von Licht- und Farbphänomenen ist ein Teilaspekt davon und wird in den vier großen Themenbereichen

• Wahrnehmung der Welt über die Sinne: der Sehsinn, das Auge,
• Licht und Leben: Anpassungen von Pflanzen, Tieren und Menschen,
• Eigenschaften des Lichts: Reflexion, Brechung, Ausbreitung, Bündelung
• Licht und Schatten

in unterschiedlicher Gewichtung behandelt und soll mit anderen Bildungsbereichen ganzheitlich vernetzt werden.
Mit den Experimenten dieses fischertechnik Baukastens können wir die drei grundlegenden Eigenschaften des Lichts spielerisch erforschen und den Bezug im Alltag herstellen. Er eignet sich hervorragend zur Einbindung in die Projektarbeit:

• die Richtung des Lichts kann man mit Spiegeln bestimmen und verändern
• die Helligkeit des Lichts mit Schatten beeinflussen
• Licht und Farbe mit Kreiselexperimenten untersuchen
• die Funktionsweise von Bildschirmen mit Lupen verstehen

Weiterführende Informationen

Licht, Farben, Sehen Optik entdecken. 2015 „Haus der kleinen Forscher“

Download: Bauanleitung

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