7. – 13. Schuljahr

Gunnar Friege

Vermuten Nachdenken Prüfen

Optische Experimente an der Hafttafel

In der Regel breiten sich in Schulexperimenten Lichtbündel in Luft aus und treffen auf optische Elemente (Sammellinse, Zerstreuungslinse, Prisma ), die aus einem optisch dichteren Material, z.B. Glas oder Kunststoff, bestehen.
Der umgekehrte Fall, dass optische Elemente aus einem optisch dünneren Material als das umgebende Medium bestehen, wird vergleichsweise selten thematisiert. Ein dafür bekannteres Experiment ist die „Luftlinse im Wasserbassin 1). Sowohl für Lernende in der Schule als auch an der Universität ist die Übertragung der Kenntnisse auf den letzteren Fall oft schwierig und die physikalische Argumentation dann bei Vorführung des Experiments häufig zunächst verblüffend. Experimentiersequenzen mit Kombinationen optischer Elemente unterschiedlicher optischer Dichte zum Thema geometrische Optik werden im Folgenden vorgestellt.
Experimentieren mit der Hafttafeloptik
Die Experimente werden als Demonstrationsexperimente in Kombination mit einem Klassengespräch beschrieben. Dazu werden insbesondere Hafttafelexperimente (s. Kasten 1) eingesetzt, wie sie auch beispielsweise in der Schulexperimentesammlung von Wilke (vgl. [1]) zu finden sind.
Informationen: Hafttafel-Experimente
Informationen: Hafttafel-Experimente
Hafttafelexperimente sind Experimente, die an einer Magnettafel durchgeführt werden. Die meisten (nicht alle!) dazu notwendigen Experimentiermaterialien sind dazu an mindestens einer Stelle magnetisch haftend. Hafttafelexperimente gibt es zu allen zentralen physikalischen Themen der Sekundarstufe I, darunter solche zur Optik (s.a. Abb. 1), Elektrizitätslehre, Thermodynamik, Radioaktivität und Mechanik. Neben typischen Bauelementen wie Linsen, Spulen, Kraftmessern und selteneren Elementen wie Reed-Kontakten werden im Lehrmittelhandel auch magnethaftende Geräte (Netzgeräte, Messinstrumente, Frequenzgenerator) angeboten.
Ausgenutzt wird bei diesen Experimenten die Tafel als immer noch zentrales Medium im (Physik-)Unterricht. Methodisch handelt es sich meist um Demonstrationsexperimente, bei denen unter Beachtung von Sicherheitsvorkehrungen auch Schülerinnen und Schüler beteiligt werden können. Elegant können Hafttafelexperimente mit Schülerexperimenten verknüpft werden. Zum Teil sind die Materialien so aufeinander abgestimmt, dass die Schüler mit fast identischem Material aus Experimentierkisten auf der Schülertischoberfläche arbeiten, jedoch die Elemente von den Abmessungen kleiner und nicht magnethaftend sind.
Methodische Varianten, wie der Einbezug von Schülerinnen und Schülern bei der Demonstration, sind denkbar. Grundsätzlich sind diese Experimente zudem auch als Schülerexperimente, beispielsweise als Teil einer Stationenarbeit, durchführbar, wobei die Lichtquelle entsprechend gewählt werden muss (Halogenlampe statt Diodenlaser) und die optischen Elemente dann nicht magnetisch haftend sein müssen.
Verwendet werden im Weiteren optische Elemente aus Hafttafeloptik-Sets, wie sie viele Lehrmittelhändler im Programm haben (s. Abb. 1 ). Ein grüner Diodenlaser mit einem, drei und fünf auskoppelbaren, schmalen Lichtbündeln wird zur optimalen Demonstration einem roten Laser und einer Halogenlampe vorgezogen. Alle drei Lichtquellen sind ebenfalls üblich für Hafttafelexperimente und kommerziell erhältlich.
Qualitativ physikalisch argumentieren
Ein typisches optisches Element im Physikunterricht besitzt eine optisch höhere Dichte als die umgebende Luft. Im Mittelpunkt dieses Beitrags steht die Demonstration der Abbildungseigenschaften optischer Elemente, die man als „komplementär zu diesen üblichen optischen Elementen bezeichnen könnte.
Sie entstehen dadurch, dass aus einem Quader mit einer größeren optischen Dichte als Luft ein typisches optisches Element „herausgeschnitten wird und dieser Ausschnitt somit luftgefüllt ist (s. Abbildung 2 , A-2, B-2 und C-2). Die Komplementarität ist...

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