Grundlagen der Optik begreifbar machen und nachhaltig verstehen!
Speziell entwickelt, um den anspruchsvollen Anforderungen des Regelunterrichts gerecht zu werden, bietet dieses Set eine umfassende Sammlung von 18 Modellen, die Schülerinnen und Schülern helfen, die Grundlagen der Optik spielerisch und interaktiv zu erforschen. Beginnend mit grundlegenden Konzepten wie der Lupe und den Strahlengängen verschiedener Linsen führt das Set die Lernenden zu komplexeren Themen wie Teleskope, Spektren, Mikroskope oder Projektoren.
Themen und Kompetenzen
Weitere Informationen
Die Unterrichtsentwürfe (Aufbau des Modells + Bearbeitung der Aufgaben) sind in der Regel auf eine Doppelstunde ausgelegt. Einige lassen etwas Zeit für ergänzende Theorie.
Inhaltsbezogene Kompetenzen: physikalische Aspekte des Sehvorgangs beschreiben, die Funktion von Modellen in der Physik erläutern, grundlegende Phänomene der Lichtausbreitung experimentell untersuchen und mithilfe des Lichtstrahlmodells beschreiben, Streuung und Absorption phänomenologisch beschreiben, Schattenphänomene experimentell untersuchen und beschreiben, optische Phänomene im Weltall erklären (Mondphasen, Sonnenfinsternis, Mondfinsternis), die Reflexion an ebenen Flächen beschreiben ( Reflexionsgesetz, Spiegelbild), Brechung beschreiben, die Bildentstehung durch eine Blende beschreiben (Lochkamera), die Wirkung optischer Linsen beschreiben ( Sammellinse, Brennpunkt, Wahrnehmungseffekte wie zum Beispiel Bildumkehrung), einfache Experimente zur Zerlegung von weißem Licht und zur Addition von Farben beschreiben (Prisma)
Prozessbezogene Kompetenz: Problemlösen/ kreativ sein, Phänomene und Experimente zielgerichtet beobachten und ihre Beobachtungen beschreiben, Hypothesen zu physikalischen Fragestellungen aufstellen, Experimente durchführen und auswerten und dazu Messwerte erfassen
Mathematische Kompetenz: logisches und strategisches Denken; Schätzen, Messen, Vergleichen
Personale und soziale Kompetenz: gemeinsam im Team Lösungen finden, Hand-Auge-Koordination (Scharfstellen), Beobachten, Übertragung Modell <--> Zeichnung
Sprachlich-kommunikative Kompetenz: Erarbeitung von Fachbegriffen, Diskutieren, Bewerten, Formulieren von Zusammenhängen
Einführung ins Thema Optik
Optik - bei diesem Wort denkt wohl jeder zuerst an Brillen, Kameras, Ferngläser und Mikroskope, also an optische Gebrauchsgegenstände und optische Instrumente.
Brillen dienen dazu, besser sehen zu können. Kameras ermöglichen es, Bilder aufzunehmen und zu speichern. Mit Fernrohren kann man Gegenstände in großer Entfernung so sehen, als wären sie deutlich näher. Mikroskope vergrößern kleine Objekte und erlauben uns einen detaillierten Einblick in den sonst verschlossenen Mikrokosmos.
In der Optik geht es also darum zu verstehen, was und wie wir etwas mit unseren Augen wahrnehmen, und dieses Verständnis zu nutzen, um mehr, besser, anders, detaillierter oder in größere Entfernungen sehen zu können.
Was wir mit den Augen wahrnehmen, ist Licht. Von zentraler Bedeutung ist deshalb die Untersuchung des Lichts und seiner Eigenschaften. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse haben in der Vergangenheit bei weitem nicht nur Anwendungen auf das Sehen gehabt. So steuern wir heute Fernsehgeräte oder Stereo-Anlagen mit Infrarot-Fernbedienungen, Laser werden für Operationen eingesetzt und Licht überträgt Informationen in Höchstgeschwindigkeit durch Glasfaserkabel. Auch all diese Anwendungen fallen in das Gebiet der Optik.
Die Geschichte der Optik ist vielfältig. Am Anfang stand die Beobachtung und Erklärung der Phänomene, die mit der geradlinige Ausbreitung des Lichts zu tun haben: Spiegelung, Brechung und die Entstehung von Schatten. Diese Phänomene sind bereits in der Antike ausführlich untersucht worden. Ebenfalls in der Antike bekannt waren Kristalllinsen, die als Brennglas zum Feuermachen, als Lesehilfe oder zur Korrektur von Kurzsichtigkeit benutzt wurden. Die Brille wurde im 13. Jahrhundert erfunden, wo genau und von wem ist nicht bekannt.
Mit der Erfindung des Fernrohrs zu Beginn des 17. Jahrhunderts wurden zum ersten Mal Kombinationen von Linsen in einem optischen Instrument benutzt.
Galileo Galilei (1564-1642) blickte ab dem Jahr 1609 mit seinen selbst gebauten Fernrohren in den Nachthimmel. Er entdeckte Krater auf dem Mond, Flecken auf der Sonne, vier Monde, die den Jupiter umkreisen, die Phasen der Venus und löste die Milchstraße in unzählige feine Sterne auf. Diese Entdeckungen waren so spektakulär, dass sie einerseits das wissenschaftliche Weltbild und die Selbstwahrnehmung der Menschheit dauerhaft veränderten. Andererseits waren sie eine enorme Triebfeder für die Entwicklung besserer Linsen und, allgemeiner, weiterer optischer Instrumente.
Johannes Kepler (1571-1630) erklärte zum ersten Mal die optische Wirkungsweise der Linsen in einem Fernrohr und verbesserte es für astronomische Zwecke, indem er als Okulare Sammellinsen statt Streulinsen verwendete.
Christiaan Huygens (1629-1695) entwickelte um 1650 eine umfassende Theorie über die Welleneigenschaften des Lichts, die erst nach dem Doppelspaltexperiment von Thomas Young (1773-1829) im Jahr 1802 allgemein akzeptiert wurde. Huygens nutzte allerdings seine Theorie schon praktisch und verkleinerte damit die Abbildungsfehler seiner Linsen.
Isaac Newton (1642-1726) fächerte mit einem Prisma weißes Licht in alle verschiedenen Farben auf. Er vertrat die Auffassung, Licht bestände aus vielen kleinen Teilchen, die sich geradlinig bewegten.
Im Jahr 1663 präsentierte Robert Hooke (1635-1702) der Royal Society in London eine Vielzahl von Zeichnungen von Objekten, die er mit seinem Auflichtmikroskop beobachtet hatte, darunter Facettenaugen von Insekten, Schimmelpilze und versteinertes Holz. Die Beobachtungen wurden in seinem berühmten Buch Micrographia abgedruckt, das auch heute noch faszinierend anzuschauen ist. Antoni van Leueuvenhoek (1632-1723) entdeckte in den folgenden Jahrzehnten unter anderem Bakterien und weitere Mikroorganismen sowie Blutkörperchen. Seine Mikroskope enthielten damals noch nur eine einzige stark gekrümmte Linse.
Ole Rømer (1644-1710) fand bei seinen Fernrohr-Beobachtungen der vier Galileischen Jupitermonde ab dem Jahr 1668 Verzögerungen der Verfinsterungen und Durchgänge, die nur mit einer endlichen Lichtgeschwindigkeit überzeugend zu erklären waren. Christian Huygens berechnete aus Rømers Beobachtungen im Jahr 1676 einen Wert von 212.000 km/s für die Lichtgeschwindigkeit. Seit der Antike war unklar, ob sich Licht mit einer endlichen oder unendlichen Geschwindigkeit ausbreitet.
Friedrich Wilhelm Herschel (1738-1822) entdeckte bei seinen Experimenten mit Prismen im Jahr 1800 die Infrarotstrahlung. Neben dem sichtbaren Licht gab es damit noch benachbarte, unsichtbare Strahlung. Erst die elektromagnetischen Feldgleichungen von James Clerk Maxwell (1831-1879) und die Erzeugung elektromagnetischer Wellen im Jahr 1886 durch Heinrich Hertz (1857-1894) zeigten, dass sowohl Licht als auch Infrarotstrahlung nichts anderes sind als elektromagnetische Strahlung hoher Frequenz.
Josef von Frauenhofer (1787-1826) baute Prismen, die an Qualität alle vorherigen weit übertrafen. Seine spektakuläre Entdeckung der dunklen Linien im Sonnenlichtspektrum stellt den Beginn der Astrophysik dar. Die Spektroskopie ist heute eine der wichtigsten physikalischen Methoden, die neben den vielfältigen Anwendungen in der Astronomie, Atom- und Kernphysik auch zum Beispiel bei der Entwicklung neuer Materialien, in der Medizin und in der Forensik eingesetzt wird.
Max Planck (1858-1947) entdeckte im Jahr 1900 das Plancksche Strahlungsgesetz, das als Beginn der Quantenphysik gilt. Albert Einstein (1879-1955) erklärte Plancks Beobachtung und den Photoeffekt durch die Einführung von Lichtteilchen, den sogenannten Photonen. Licht hat damit sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften. Einstein beschrieb schon im Jahr 1916 die stimulierte Emission von Photonen. Bis zur Erfindung des Lasers im Jahr 1960 dauerte es allerdings noch einige Jahrzehnte.
