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Arbeitsauftrag 1: Weißes und buntes Licht

Arbeitsblätter Workshop


Das Hauptziel der Aufgabe ist es, den Schülerinnen und Schülern zu zeigen, dass sich weißes Licht aus farbigem Licht zusammensetzt. Weiteres Ziel ist, Schülerinnen und Schüler zu ermutigen, unabhängig weiter zu forschen und die Phänomene der sie umgebenden Welt zu überprüfen. Ihnen soll klarwerden, dass physikalische Experimente nicht mit speziellen Hilfsmitteln in Laboratorien durchgeführt werden müssen, sondern auch in einer normalen Umgebung mit leicht zugänglichen Objekten und mit Hilfe einer genauen Beobachtung der umgebenden Realität möglich sind. Die Schülerinnen und Schüler können im Folgenden einzeln oder in kleinen Gruppen arbeiten.

Hilfsmittel:

Die Beobachtung der Zersetzung von Licht kann durch verschiedene Geräte erfolgen. Das am leichteste zugängliche Gerät ist ein herkömmliches CD-Laufwerk, welches das Licht durch Interferenzen an der Oberfläche, welche durch die Rillen auf der Aufzeichnungsfläche der Platte gebildet werden, bricht. Wenn ein klassisches optisches Prisma vorhanden ist, kann man auch mit diesem die Lichtzerlegung demonstrieren. In den meisten Fällen erfordert die Zerlegung von Licht unter Verwendung eines Prismas jedoch eine sorgfältigere Vorbereitung der Experimente, einschließlich der Installation einer speziellen Lichtquelle und Schatten. Am besten wird nicht zuerst mit dem optischen Prisma begonnen, sondern die Schülerinnen und Schüler untersuchen die CDs, um die Spektren des Lichts zu sehen. Die Schülerinnen und Schüler sollten zu dem Schluss kommen, dass das Licht und sein Farbspektrum kontinuierlich sind, d.h. es enthält alle Farben und diese fließen ineinander. Das Spektrum der LED „Lampen“ scheint auf den ersten Blick ebenfalls kontinuierlich zu sein, da es zunächst dem Sonnenlicht ähnelt. Dass die Intensität der einzelnen Farben bei unterschiedlichen Lichtquellen unterschiedlich ist, können die Schülerinnen und Schüler kaum wissen. Die Schülerinnen und Schüler werden gebeten die Grundfarben des Lichtspektrums der Sonne zu nennen. Idealerweise nennen sie die sieben Farben (des Farbspektrums nach Newton) – Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo, Violett. Sie müssen nicht exakt mit diesen Benennungen so bezeichnet werden.

Das Spektrum von Glühbirnen hat in der Regel eine andere Struktur, als die von Energiesparlampen. Diese (Kompaktleuchtstofflampen) haben klarere Schwerpunkte im Spektrum und sind weniger kontinuierlich. Als weiteres Beispiel einer Lichtquelle im Vergleich der verschiedenen Farbspektren, ist es sehr praktisch, ein Handy-Display zu verwenden. Wenn ein Teil der Anzeige abgedeckt wird, um einzelne Punkte als Lichtquelle zu beobachten, wird klar, dass das Licht, das wir als weiß sehen, tatsächlich aus rotem, grünem und blauem Licht besteht.

Ein interessantes Ergebnis erhält man auch, wenn man versucht das Spektrum eines von einem Laserpointer emittierten Lichts indirekt zu beobachten. Dieses Licht ist monochromatisch, so dass es keine Zersetzung in die Spektralfarben gibt. Achtung! Verwenden Sie keine starken Laser, sondern nur Laserpointer und beobachten Sie diese nie direkt, indem er auf ein Auge gerichtet ist, sondern nur auf Oberflächen. Sonst wird das Auge des Betrachters vorübergehend geblendet. Bei stärkeren Lasern besteht auch die Gefahr einer dauerhaften Augenschädigung, wenn der intensive Laserstrahl das ungeschützte Auge erreicht.

Weiterhin kann das Farbspektrum des Lichts anhand des Regenbogens leicht ohne Hilfsmittel beobachtet werden. Dieser erscheint natürlich bei Regen, aber auch oberhalb eines Wasserfalls oder beim Sprühen von Wasser mit einem Gartenschlauch, wenn Sonnenlicht darauf fällt und das Licht dadurch gebrochen wird. Da es nicht immer möglich ist, einen echten Regenbogen zu beobachten, können auch qualitativ hochwertige Fotos zur Untersuchung des Phänomens herangezogen werden. Die Aufgabe an die Schülerinnen und Schüler ist es, zu bestimmen, welche Farben im Spektrum enthalten sind und in welcher Reihenfolge sie erscheinen.

Für die Schülerinnen und Schüler ist es wichtig zu erkennen, dass die Reihenfolge der Farben im Spektrum immer die gleiche ist, egal ob es sich um kontinuierliche oder Linienspektren handelt. Die Zersetzung des Lichts z.B. durch Reflexion auf einer CD, einem optischen Prisma oder durch Wassertröpfchen bildet immer dieselbe Reihenfolge der Farben ab, wie die, die im Regenbogen sichtbar sind. Es ist ratsam, für die Diskussion der Ergebnisse und Schlussfolgerungen der Schülerinnen und Schüler genug Zeit einzuplanen. Einige Beobachtungen und Schlussfolgerungen daraus, insbesondere z.B. die aus der Brechung von Licht an einer herkömmlichen CD mit einer flachen Lichtquelle, sind möglicherweise nicht abschließend vollständig. In dieser Teilaufgabe geht es um qualitative Beobachtungen, da bei der Beobachtung nichts quantifiziert werden kann.

Arbeitsvorgang:

Die beobachtete Lichtquelle muss kleine Winkelanteile zur Reflexionsfläche haben, um das Licht im Spektrum beobachten zu können.

Wir legen eine normale CD so ab, dass wir die Aufzeichnungsschicht (Rückseite der CD) ungefähr aus einem Winkel von 30 – 40° betrachten und die Lichtquelle für die Reflexion sich auf der gegenüberliegenden Seite der CD befindet. Nach leichtem Neigen der Scheibe sehen wir das Spektrum der beobachteten Lichtquelle. Für die grundlegende Beobachtung der Reflexion von kleineren Lichtquellen können CDs dienen. Bei der Beobachtung einer sehr intensiven Lichtquelle (wie der Sonne, oder einem Laser (Achtung nie direkt betrachten!)) ist es möglich, in einem normalen, nicht verdunkelten Raum zu sein. Bei der Betrachtung der Reflexion von Glühlampen oder Leuchtstofflampen ist es ratsam, dass der Raum zumindest teilweise verdunkelt wird. Eine gute Verdunkelung ist erforderlich, um die Reflexion der Anzeige des Handys zu beobachten. Die Lehrkraft bittet die Schülerinnen und Schüler Folgendes zu beobachten: „Beobachte das Farbspektrum verschiedener Lichtquellen. Verwende dazu die Widerspiegelung des Lichtes auf einer CD (oder anderer Hilfsmittel). Beschreibe die Farben die du sehen kannst und ihre Reihenfolge. Was fehlt im Vergleich zu anderen?“

Variante: Basteln eines Spektroskops

Zur besseren Beobachtung und Untersuchung von Licht, können einfache Spektroskope mit einem „Lichtschlitz“ und mit Hilfe einer CD hergestellt werden. Schneiden Sie aus schwarzem Papier den Körper des Spektroskops aus, kleben Sie die CD auf die Bodenseite des Spektroskops und kleben Sie die Schachtel zusammen. Die Verwendung eines solches Spektroskop hat Vorteile gegenüber der Beobachtung allein mit der CD: durch die Dunkelheit in der Box wird das Umgebungslicht weitestgehend gedimmt, so dass das Bild kontrastreicher wird. Das Licht der Quelle wird durch den Eintrittsspalt begrenzt, so dass wir uns nicht auf die Beobachtung gebündelter oder intensiver Lichtquellen beschränken müssen. Das Design der Box gewährleistet den richtigen Blickwinkel, ohne dass die CD kompliziert gekippt werden muss, um die Reflexion zu finden. Aus einer CD können 10 und mehr Spektroskope hergestellt werden. Es ist ratsam, die Stücke mit einem heißen Messer von der CD zu trennen. Es können auch Scheren verwendet werden, wobei die Gefahr besteht, dass die CD reißt oder die Aufzeichnungsschicht sich löst. Im Notfall können Sie auch eine DVD verwenden. Ihre Aufzeichnungsschicht hat jedoch eine violette Farbe, welche die Beobachtung verzerrt. Sie hat auch eine andere Dichte der Aufzeichnungsrillen, so dass das Spektrum schlechter und weniger offensichtlich ist.

Wenn Sie als Lichtquelle das Display des Handys verwenden, müssen Sie die Beleuchtung des Displays auf 100% stellen. Wenn Sie ein Smartphone haben, können Sie sich am besten eine App mit verschiedenen Lichtern installieren. GooglePlay oder der AppStore bieten Services zu „Lichtern“ an, z.B. hat Android die „Brightest Free Light“-App, welche die LED-Kamera oder das Display bis zu 100% beleuchten kann.

Wie kann ich den Arbeitsauftrag an die Fähigkeiten meiner Schülerinnen und Schüler anpassen?

  • Für schwächere Schülerinnen und Schüler reicht es aus, das kontinuierliche Spektrum der Farben des Lichts von Sonne und Glühbirne zu beobachten. Die Schlussfolgerung kann darin bestehen, die Farben im Spektrum zu benennen und darauf hinzuweisen, dass das Spektrum bei Sonne und Glühbirne gleich aussieht.
  • Begabte Schüler können versuchen, feine Unterschiede zwischen dem Spektrum der Sonne und der LED-“Glühbirne“ zu finden. (Beide Spektren sind zusammenhängend, jedoch ist die Lichtintensität im blauen (insbesondere wenn die kühle weiße LED sichtbar ist) und die Intensität im violetten Teil deutlich stärker.) Es ist auch möglich diesen Schülerinnen und Schülern, das Phänomen des sekundären Regenbogens zu erklären. (Die Reflexion der Wassertropfen wird quasi dupliziert, und die Reihenfolge der Farben umgekehrt, genau wie im Spiegelbild.)