5. – 10. Schuljahr

Gunnar Friege

Experimentelle Aufgaben zum Knobeln

Optische Elemente in Blackboxen nachweisen und ihre Eigenschaften bestimmen

Ziel einer Blackbox-Aufgabe ist es, Aussagen über den nicht einsehbaren inneren Aufbau einer Box auf der Grundlage von Inputs (Eingaben) und Beobachtung von Outputs (Ausgaben) zu machen. In- und Outputs können beispielsweise elektrische Ströme, Kräfte oder auch Lichtbündel sein.
Als experimentelle Problemlöseaufgaben sind Blackbox-Aufgaben in Wettbewerben wie der Internationalen Physikolympiade etabliert und werden auch im Schulunterricht (z.B. [1]) eingesetzt. Sie regen die Schülerinnen und Schüler in einer Art „Detektivspiel [2] zum Nachdenken (Knobeln, Puzzeln …) an. Ein Raten der Lösung oder ein Lösen ohne physikalisches Vorwissen ist meist nicht möglich.
Im Folgenden liegt der Schwerpunkt auf Materialien und Methoden zu optischen Blackboxen, die sich im Rahmen der geometrischen Optik bearbeiten lassen. Der Einstieg in das Thema geschieht hier über eine komplexe und schwierige optische Blackbox, die ein Motivator für schultaugliche und leichtere optische Blackboxen war [3] und ein geeigneter Ideenanreger ist.
Schwierige Problemlöseaufgaben als Anregung
Die direkte Verwendung von anspruchsvollen Physikaufgaben, wie sie in Wettbewerben gestellt werden, ist im regulären Physikunterricht kaum möglich, wenn die Mehrheit der Lernenden nicht frustriert werden soll. Jedoch besitzen Wettbewerbsaufgaben häufig eine attraktive physikalische „Idee, beispielsweise in Form des Aufgabenformats „Blackbox, eine originelle Lösungsidee, die sich von Standardlösungsverfahren unterscheidet oder verblüffende Einsichten ermöglicht, deren Behandlung im Physikunterricht lohnt.
Im Vergleich zu Wettbewerben wird man im Unterricht die Komplexität der Aufgaben deutlich erniedrigen und den Lösungsprozess mehr lenken, ohne jedoch einen eigenständigen Problemlöseprozess durch rezeptartige Vorgaben zu verhindern. In der Regel wird der Schwierigkeitsgrad (bei der Konstruktion der Blackbox oder wenn ihr innerer Aufbau offengelegt wird) übrigens deutlich unterschätzt. Die Blackbox-Aufgabe kann auch Ausgangspunkt für die Entwicklung von Unterrichtsmaterialien sein (z.B. [1], [3]).
Komplexe optische Blackbox-Aufgabe
Eine Aufgabe mit einem sehr hohen Schwierigkeitsgrad wurde auf der Internationalen Physikolympiade 2002 als Problemlöseaufgabe [4] gestellt. Die Aufgabe lautete sinngemäß: „In der Blackbox befinden sich drei Elemente (gleichartige oder verschiedene) der folgenden Art:
  • Spiegel,
  • Linse,
  • planparallele Platte,
  • Prisma oder
  • Beugungsgitter.
Bestimmen Sie jedes der drei Elemente und die geforderten Eigenschaften dieser Elemente (s. Tab. 1).
Aufbau und Beobachtungen
Abbildung 1 zeigt die optische Blackbox. Das Innere ist aufgrund von roter bzw. kaum durchlässiger Folie an den zwei gegenüberliegenden, spaltartigen Öffnungen nicht einsehbar.
Folgendes Material steht zusätzlich zur Verfügung:
  • roter Diodenlaser mit bekannter Wellenlänge und Schirm,
  • Stativmaterial,
  • optische Bank mit Podest für die Box,
  • Lineal und Graphenpapier.
Die zu bestimmenden Eigenschaften der möglicherweise in der Box enthaltenden Elemente sind in Tabelle 1 aufgeführt; der Brechungindex war für die Elemente Linse, Platte, Prisma gleich und gegeben. Die im Wettbewerb verwendete Blackbox enthielt zwei gegeneinander um 90° verdrehte Gitter jeweils direkt hinter einer der Öffnungen; die Striche eines Gitters waren parallel zu den spaltartigen Öffnungen. Zudem war in der Box eine planparallele Platte der Dicke 17,9 mm enthalten, deren Oberfläche mit der optischen Achse der Box einen Winkel von 49° einschloss.
In Kasten 1 sind einige Beobachtungen, die man an dieser Blackbox machen kann, sowie einige Lösungsansätze zusammengestellt.
Lösungsideen: Optische Blackbox (Physikolympiade 2002)
Lösungsideen: Optische Blackbox (Physikolympiade 2002)
Die Elemente in Abbildung 2 können entlang der optischen Achse...

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