Unterrichtswerkstatt zur geometrischen Optik - pro.kphvie.at

Unterrichtswerkstatt 

zur geometrischen Optik 

(in Kooperation mit dem AECC Physik) 

Univ.-Ass. Mag. Dr. Claudia Haagen-Schützenhöfer 

Universität Wien 

Austrian Educational Competence Centre 

1090 Wien, Porzellangasse 4/2/2 

Tel.: +43-1-4277-711 04 

claudia.haagen@univie.ac.at 

27. August 2013 

1

Optik, die Lehre von Sichtbaren?! 

• Was können Sie beobachten? 

• http://www.wdr5.de/sendungen/leonardo/kuechenexperimente/folge49.html 

• http://www.youtube.com/watch?v=KyWgnFm3ebc 

2 

Basiskonzepte Lernprozesse Schüleraufgaben Schülervorstellungen Interventionen Unterrichtsbausteine

Optik, die Lehre von Sichtbaren?! 

• Warum kann man die Röhre in Luft sehen, aber nicht in der 

„Zauberflüssigkeit“? Was ist besonders an der „Zauberflüssigkeit“? 

• Welche Eigenschaften von transparenten Materialien bestimmen, ob 

Reflexion an der Grenzfläche stattfindet? Wie müssen die beiden Stoffe 

(Röhre & Flüssigkeit) beschaffen sein? 

• Wie verläuft Licht, das auf die Röhre eintrifft, wenn sie in der Flüssigkeit ist 

bzw. wenn sie in Glas ist! 

3 


Inhalte und Ziele des Seminars: 

Ziele: Manche Konzepte der geometrischen Optik stellen für SchülerInnen 

üblicherweise Lernhindernisse dar. In diesem Seminar werden 

Freihandexperimente mit einfachen Materialien vorgestellt, die Lernende dabei 

unterstützen, diese Lernhindernisse zu überwinden. 

I. Basiskonzepte 

II. Lernprozesse & Experimente 

III. Womit tun sich Schüler schwer? Welche Vorstellungen 

haben sie? 

IV. Interventionsmöglichkeiten & Schülervorstellungen 

Materialien: 

Unterrichtsbausteine & Stationenbetrieb 

* Farben 

• Hands-on 

• Arbeitsblätter 

• Applets 

4

Grundideen der geometrischen Optik 

•Ausbreitung von Licht 

•Licht und Schatten 

•Licht und Sehen (physikalischer Sehvorgang) 

•Sender-Empfänger-Streu-Vorstellung 

•Interaktionen zwischen Licht und Materie: 

Brechung (virtuelle & reelle Bilder, optische Hebung) 

Streuung & Reflexion 

•Farbwahrnehmung 

(Herdt 1990, Guesne 1984) 

5 


Basiskonzepte 

Videoausschnitt: Minds of our own 

Can We Believe Our Eyes? 

Why is it that students can graduate from MIT and Harvard, yet not know 

how to solve a simple third-grade problem in science: lighting a light bulb 

with a battery and wire? Beginning with this startling fact, this program 

systematically explores many of the assumptions that we hold about 

learning to show that education is based on a series of myths. Through the 

example of an experienced teacher, the program takes a hard look at why 

teaching fails, even when he uses all of the traditional tricks of the trade. 

The program shows how new research, used by teachers committed to 

finding solutions to problems, is reshaping what goes on in our nation’s 

schools. 

http://www.learner.org/vod/vod_window.html?pid=76 (11:20_12:38; 15:15_17:27) 

6 


22% 

31,7% 

23,6% 

18,6% 

18% 

13,3% 

44,9% 7

Schülervorstellungen zum physikalischen 

Sehvorgang 

Sehvorgang: Zerebrale Interpretation von Effekten, die durch 

Licht auf der Retina ausgelöst werden 

(deHosson, Kaminski, 2007) 

Physical space 

Psycho-physiological space 

8 



Sehvorgang 

Sehvorgang: Zerebrale Interpretation von Effekten, die durch 

Licht auf der Retina ausgelöst werden 

http://phet.colorado.edu/en/simulation/color-vision 

9 



physikalisches Modell 

Sehvorgang 

Lichtbad 

Beleuchtung 

Relevanz: 

• Abbildungsvorgänge 

• Körperfarben 

• …. 

Aktives 

Auge 

(Guesne, 1985) 

10 


Wie gelingen Lernprozesse am besten? 

11 


Wie gelingen Lernprozesse am besten? 

• Antwort ist je nach Theoriekonzept etwas anders 

• Bedeutsamer Ansatz = konstruktivistische 

Lerntheorie 

12 


Lernen als Konstruktionsprozess 

• Vorwissen „interpretiert“ die Wahrnehmung & „lenkt“ die Organisation 

neuer Wissensstrukturen 

• Informationen werden nicht akzeptiert, umgedeutet, reduziert, ergänzt … 

> Lernschwierigkeiten 

13 


Schülervorstellungen - machen einen 

Behindern Lernprozesse 

und führen häufig zu 

anderen Vorstellungen 

als von Lehrkräften 

beabsichtigt 

Unterschied?! 

Alltag 

Schülervorstellungen 

Vorherigem 

Unterricht 

Sind Basis für die 

Konstruktion der 

Bedeutung von 

neuen 

Informationen 

Stimmen häufig 

NICHT mit zu 

lernenden physik. 

Vorstellungen 

überein 

In zahlreichen 

Situationen 

bewährt 

14

Hands-on?! (dt. Freihandversuch) 

prägnante Merkmale zur Unterscheidung von 

traditionellen Schulversuchen und Laborexperimenten: 

• Alltagsgegenstände 

• ohne Vorbereitung 

• teils aufwändige Bastelei 

• verblüffend 

• kostengünstig (low cost) 

• von jedem durchführbar (handhabbar) 

• Grenze zu physikalischem Spielzeug 


Lernwirksamkeit von Experimenten: 

richtig oder falsch 

1. Es gibt einen Zusammenhang zwischen Lernerfolg und Einsatz 

von Experimenten. 

2. Häufiges Experimentieren fördert den Lernerfolg. 

3. Häufiges Experimentieren fördert Motivation und Interesse. 

4. Experimentieren führt zu besserem Verständnis physikalischer 

Inhalte. 

5. Problemorientierte Experimente wirken dem Absinken von 

Interesse und Selbstwirksamkeitserwartungen entgegen. 

6. Die Beobachtung eines lehrerzentrierten Experiments führt zu 

einer Wissensentwicklung. 


Lernwirksamkeit von Experimenten: 

richtig oder falsch 

1. Es gibt keinen Zusammenhang zwischen Lernerfolg und Einsatz 

von Experimenten. 

2. Häufiges Experimentieren fördert weder den Lernerfolg. 

3. noch Motivation und Interesse. 

4. Experimentieren führt nicht automatisch zu besserem 

Verständnis physikalischer Inhalte. 

5. Problemorientierte Experimente wirken dem Absinken von 

Interesse und Selbstwirksamkeitserwartungen entgegen. 

6. Die Beobachtung eines lehrerzentrierten Experiments führt 

nicht automatisch zu einer Wissensentwicklung. 


Anknüpfungsstrategien 

SchülerInnen verfügen über: 

• Lernhinderliche Fehlvorstellungen 

• „nützliche“ Vorstellungen 

> Erfahrungen, deren Alltagsverständnis mit 

wissenschaftlichem Verständnis nicht /wenig kollidiert 

18 


Womit tun sich Schüler schwer? 

Welche Vorstellungen haben sie? 

• Einsatz von Aufgaben 

Vorwissen erheben 

Lernstand erheben (Was wurde verstanden? Wo hakt es noch?) 

Hilfestellung für die weitere Planung im Unterricht 

Als Lernanlässe (S/S Antwortmöglichkeiten diskutieren) 

…. 

19 


Wie bearbeiten SchülerInnen 

Optikaufgaben? 

• Welche Antworten würden Ihre Schüler überwiegend 

geben? 

• Welche Vorstellungen / Ideen über Optik verbergen sich 

aus Ihrer Sicht hinter diesen verschiedenen Antworten? 

20 


„Es muss hell sein.“ 45% 

„Er darf nicht blind sein.“ 30% 

„Die Sonne beleuchtet den Turm“ 5% 

„Licht der Sonne wird vom Turm gestreut und kommt 

ins Auge“ 

7% 

21 


Sehen selbst leuchtender und 

beleuchteter Gegenstände 

22 


25,7% 

38,5% 

2,8% 

12,3% 

15,1% 

2,8% 

28,1% 

25,6% 

20,2% 

18,0% 

23 


Strömungsvorstellung für Hin- und Rückweg 23% 

Strömungsvorstellung nur für den Hinweg: Man sieht 

den Spiegel sofort, wenn dieser vom Lichtblitz getroffen 

wird 

45% 

24 


Schüler/innen stimmen dieser Aussage zu. 

Entsprechend kreuzen Sie in der Regel bei b) die 

erste Alternative an. 

25 


Kreuz hinter dem Spiegel, richtiger Abstand 31% 

Kreuz hinter dem Spiegel, falscher Abstand 9% 

Kreuz auf dem Spiegel 51% 

26 


Vorn und Hinten 13% 

Vorn/Hinten UND Rechts/Links 10% 

Rechts und Links 67% 

Oben und Unten 3% 

27 


Beate sieht sich selbst und Christine 7% 

... sieht nur Christine 60% 

… nur sich selbst 4% 

Sonstiges 12% 

28 


42,0% 

47,2% 

29 


13,8%% 21,6%% 20,2% 

13,2% 14,6% 14,0% 

30 


Richtiges erstes Phänomen bei Bündel A (tw. Richtig) 32% (36%) 

Richtiges zweites Phänomen bei Bündel A (tw. Richtig) 28% (15%) 

Richtiges Phänomen bei Bündel B (tw. Richtig) 29% (6%) 

Richtiges Phänomen bei Bündel C (tw. Richtig) 55% (20%) 

31 


Beide Extrempunkte werden abgebildet 10% 

Ein Extrempunkt wird abgebildet 27% 

32 


33 


Interventionsmöglichkeiten & 

Materialien & Hands-on 

34 


Konsequenzen für den Unterricht 

• Entwicklung eines Unterrichtsgangs (Wiesner, Engelhardt, Herdt et al.) seit 

den 1980er Jahren 

• Verwendung vieler gut eingebetteter Hands-on Experimente 

• Veröffentlicht im Aulis-Verlag 

• Höchstsignifikante Ergebnisse 

35 


Lehrgang von Wiesner&Herdt 

1. Schritt: Erscheinungen (Phänomene) ausgiebig untersuchen 

und einfache Zusammenhänge erklären 

2. Schritt: Weg des Lichtes vom Gegenstand durch das jeweilige 

optische System bis zum Auge ermitteln. 

3. Schritt: Strahlengeometrische Konstruktion von ausgesuchten 

Bildpunkten & Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen 

subjektiver Wahrnehmung und diesen Konstruktionen. 

36 


Lehrgang von Wiesner&Herdt 

1. Schritt: Erscheinungen (Phänomene) ausgiebig untersuchen 

und einfache Zusammenhänge erklären 

2. Schritt: Weg des Lichtes vom Gegenstand durch das jeweilige 

optische System bis zum Auge ermitteln. 

3. Schritt: Strahlengeometrische Konstruktion von ausgesuchten 

Bildpunkten & Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen 

subjektiver Wahrnehmung und diesen Konstruktionen. 

37 


Laufende Entwicklung am AECC 

• Unterrichtsmaterialien für Optik 

• Angelehnt an Wiesner-Lehrgang 

• Adaptiert auf Österreich (Umfang) 

• Interesse zur Erprobung?? 

38 


Laufende Entwicklung am AECC 

39 


Hands-on Experiment zu 

einzelnen Basiskonzepten 

40 


Hands on: mit der Lochkamera in der 

geometrischen Optik (Unterrichtsenwurf nach H. Wiesner) 

Lernziele: SchülerInnen sollen … 

1. … das Prinzip der ungestörten Überlagerung von Lichtbündeln kennen 

lernen 

2. … die Bildentstehung bei der Lochkamera mit Hilfe der geradlinigen 

Ausbereitung von Lichtbündeln erklären können 

LK als Messgerät für „Lichteinfall“ / Lichtabstrahlung 

41 


Sehvorstellung 

Phänomen 

•Subjektive Wahrnehmung / Erfahrung S/S 

Intervention 

•schrittweise in objektive Betrachtungsweise der 

Physik einführen 

Ziel 

•Subjektive Wahrnehmung in objektives System 

der Physik einzuordnen / damit erklären 

42

Hands on in der geometrischen Optik 

(Unterrichtsenwurf nach H. Wiesner) 

• 1. Schritt: Lichtbündel durchdringen sich ungestört 

• 2. Schritt: die Leuchtfleck-zu-Bildfleck-Abbildung durch die 

Lochkamera (erstmalige Einführung von Abbildung) 

43 


1. Schritt: 

Frage: Welche Erscheinungen liefern die Lichtbündel an 

der Wand? 

Hands on: 2 Taschenlampen mit Farbfolien (erst einzeln, 

dann gekreuzt) 

POE Struktur 

44 


Frage: Welche Erscheinungen liefern die Lichtbündel an der 

Wand? 

Durchkreuzen sich zwei (oder 

mehrere) Lichtbündel, dann 

verhalten sich die einzelnen 

Lichtbündel so, als ob die anderen 

Lichtbündel nicht vorhanden 

wären. 

45 


Bau einer Lochkamera 

46 


Frage: Wie entsteht das Bild auf der Mattscheibe? 

• Zerlegung in „kleine Lichtsender“ 

(Leuchtfleck) 

• Lochkamerblende schneidet aus 

Licht verschiedener Lichtflecken 

einzelne Lichtkegel aus 

• Lichtkegel treffen sich bei 

Blendöffnung (keine gegenseitige 

Beeinflussung) 

• Lichtbündel strömt geradlinig zur 

Mattscheibe und erzeugt dort 

leuchtenden Fleck („Bildfleck“) 

47 


Frage: Wie entsteht das Bild auf der Mattscheibe? 

• Zerlegung in „kleine Lichtsender“ 

(Leuchtfleck) 

• Lochkamerblende schneidet aus 

Licht verschiedener Lichtflecken 

einzelne Lichtkegel aus 

• Lichtbündel treffen sich bei 

Blendöffnung (keine gegenseitige 

Beeinflussung) 

http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=38 

• Lichtbündel strömt geradlinig zur 

Mattscheibe und erzeugt dort 

leuchtenden Fleck („Bildfleck“) 

Leuchtfleck zu Bildfleck Abbildung 

48 


Hands-on Experiment zu 

einzelnen Basiskonzepten 

Bearbeitung einzelner Stationen 

49 


Licht & Sehen 

50 


Licht als theoretisches System 

• Eigenschaften von Licht : 

Ist hell und per se sichtbar 

Gleichsetzung mit Quelle / Wirkung / Zustand (hell, dunkel) 

Strahlung / Energie wird selten in Verbindung gebracht 

• Ausbreitungsvorgang : 

Endliche c wird akzeptiert für weite Distanzen, unbedeutend für 

unmittelbare Umgebung 

Kein kontinuierlicher Abstrahlungsvorgang (Ablösevorgang mit c 

nur beim Einschalten) 

Geradlinige Ausbreitung akzeptiert 

Kann nur bestimmte Strecke zurücklegen (vgl. „Kraftverbrauch“) 

• Nicht konserviert : 

wird schwächer ohne notwendige Interaktion 

verstärkt in Linse 

51 


•Sehvorgang 

Sehvorgang wird kein Raum gewährt (Lichtempfänger!) 

Streuvorstellung (SEV-Vorstellung) wird abgelehnt 

Selbstleuchtende und beleuchtete Gegenstände unterscheiden 

sich beim Sehvorgang 

AUS: Wiesner, Engelhardt, Herdt: Unterricht Physik: Band1: Optik1, Aulis Verlag, 1995. 

52 


Lochkamera als Augenmodell & 

Nachweisgerät (Lichtempfänger) 

53 


Stationenbetrieb: LK 

LK-Station 1: 

Lochkamera als einfaches Augenmodell 

• Welche Analogien fallen Ihnen auf? 

Formulierung der Sender-Empfänger-Vorstellung für das 

Sehen selbstleuchtender Gegenstände 

• Wo tritt die Abbildung des Leuchtobjekts in der Lochkamera 

auf? 

• Wie würden Sie Sender-Empfänger-Vorstellung für das 

Sehen selbstleuchtender Gegenstände formulieren? 

54 






55 






56 



Applet Bildentstehung im Auge 

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scie 

nceopticsu/eyeball/index.html 

57 




Formulierung der Sender-Empfänger-Vorstellung für das 

Sehen selbstleuchtender Gegenstände 

• Wo tritt die Abbildung des Teelichts in der Lochkamera auf? 


Sehen selbstleuchtender Gegenstände formulieren? 

"Die Lampe, die Sonne, die Kerze, ... strahlen Licht nach allen 

Seiten ab. Wenn ein Teil davon in das Auge oder Modellauge fällt, 

entsteht auf der "Netzhaut" ein Abbild des Gegenstandes, der das 

Licht abstrahlt." 

58 




Beobachtungen mit der Lochkamera 

• Bearbeiten Sie die Arbeitsaufträge des Arbeitsblatts. 

59 






60 


LK_Station 2: 




http://www.leifiphysik.de/web_ph07_g8/versuche/01loc 

hkamera/erklaerung.htm 

61 


Ausbreitung 

von Licht 

62 


Kontinuierliche Strömung 

Beispiel 

Mond 

Der Laser wird 0,5 s lang eingeschaltet. Dann entsteht eine 

"Lichtstange" von der Erde aus, die fast bis zum Mond reicht. 2,5-0,5 = 

2,0 s nach Abschalten des Lasers kann das reflektierte Licht auf der 

Erde wahrgenommen werden und zwar- das ist der wichtige Punkt - 

genau eine halbe Sekunde lang. Auch für andere Einschaltzeiten des 

Lasers ergibt sich, dass das Licht entsprechend der Dauer der 

jeweiligen Einschaltzeit auf der Erde wahrgenommen wird. 

Idee: sich durch den Raum bewegende "Lichtstange" 

63 



Beispiel Mond 

64 



Beispiel Mond 

65 


Stationenbetrieb: Kontinuierliche Strömung 

Stroposkop 

66 


Stationenbetrieb: Kontinuierliche Strömung 

Solarventilator 

67 


Lichtstrahl oder Lichtbündel? 

• Wie würden Sie „Lichtstrahl“ und „Lichtbündel“ definieren? 

http://nibis.ni.schule.de/~ursula/Physik/Optik/BuendelStrahl.htm 

68 



• Wie würden Sie „Lichtstrahl“ und „Lichtbündel“ definieren? 

• Welche(n) Vorteil(e) hat die eine und die andere 

Darstellungsform aus Ihrer Sicht? 

• Welches Konzept eignet sich für das folgende Beispiel besser? 

69 



• Welche(n) Vorteil(e) hat die eine und die andere Darstellungsform aus Ihrer 

Sicht? 

• Welches Konzept eignet sich für das folgende Beispiel besser? 

70 


Sender-Empfänger-Streu- 

Vorstellung 

71 


Stationenbetrieb: SEV 

SEV-Station 1: 

Das Sehen nicht selbstleuchtender Gegenstände 

• Wie ist das Sehen nicht leuchtender Gegenstände zu 

erklären? 

• Betrachten Sie die Papierfigur durch die Lochkamera. Was 

geschieht mit dem Licht, das auf die Papierfigur fällt im 

Weiteren? 


Sehen nicht selbstleuchtender Gegenstände formulieren? 

72 


SEV-Station 1: 


Das Sehen nicht selbstleuchtender Gegenstände 

• Wie ist das Sehen nicht leuchtender Gegenstände zu erklären? 

• Betrachten Sie die Papierfigur durch die Lochkamera. Was 

geschieht mit dem Licht, das auf die Papierfigur fällt im 

Weiteren? 

• Wie würden Sie Sender-Empfänger-Vorstellung für das Sehen 

nicht selbstleuchtender Gegenstände formulieren? 

"Wenn das Licht der Sonne, einer Lampe o. ä. auf einen 

Körper fällt, dann strahlt auch dieser Licht ab, d. h., er wird zu 

einem Zwischensender von Licht". 

http://www.leifiphysik.de/web_ph07_g8/grundwissen/01_sehvorgang/sehvorgang-geschichte.htm 

73 



SV-Station 2: 

Primäre und sekundäre Lichtquellen als Lichtsender 

• Betrachten Sie das Leuchtobjekt und die Papierfigur je 

durch die Lochkamera. Was sehen Sie jeweils? 

• Worin unterscheiden sich primäre und sekundäre 

Lichtquellen? 


• Warum könnte die Verwendung vom „Zwischensender“ 

hilfreicher sein als der Begriff „sekundäre Lichtquelle“? 

74 



75 


Stationenbetrieb: 

Streuung 

Die Streuung von Licht 

• Halten Sie die Kartons nahe zur Wand. Beleuchten Sie die 

Kartons mit der Taschenlampe so, dass Streulicht an die 

Wand fällt. Wie kann so Streuung erklärt werden? 

• Leuchten Sie nun mit der Taschenlampe direkt an die Wand. 

Halten Sie dann die verschiedenen Plexiglasstücke vor die 

Taschenlampe? Was können Sie beobachten? Was passiert 

am Plexiglas? 

• Wodurch unterscheidet sich Streuung von Reflexion? 

http://www.leifiphysik.de/web_ph07_g8/versuche/01streuung/streuung.htm 

76 


Einführung der S-E-S-V 

Bedeutung der Streuung 

• PING-PONG Analogie nicht zielführend 

• Streuung i.a. NICHT in eine Vorzugsrichtung 

blockiert Anschluss für selektive Absorption 

Änderung der Lichtqualität (WW zw. Licht – Körper) nicht plausibel 

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/reflection/specular/index.html 

77 


Einführung der S-E-S-V 

Streuung von Licht 

Fällt Licht (elektromagnetische Welle) auf die Oberfläche eines 

Gegenstandes, dann werden die geladenen Teilchen in der Oberfläche 

durch das sich periodisch ändernde elektrische Feld zu Schwingungen 

angeregt und strahlen selbst elektromagnetische Wellen im 

Spektralbereich des sichtbaren Lichtes ab. Sind die abstrahlenden 

Teilchen unregelmäßig in der Oberfläche verteilt, dann erfolgt die 

Abstrahlung in alle Richtungen. Man sagt dann, dass das Licht an der 

Oberfläche gestreut wird. Mit zunehmender Regelmäßigkeit der 

Oberflächenteilchen treten Vorzugsrichtungen in der Abstrahlung auf, 

bis zum Sonderfall, der Reflexion. 

78 


Hands on: mit der Lochkamera in der 

geometrischen Optik (Unterrichtsenwurf nach H. Wiesner) 

Lernziele: SchülerInnen sollen … 

1. … das Prinzip der ungestörten Überlagerung von Lichtbündeln kennen 

lernen 

2. … die Bildentstehung bei der Lochkamera mit Hilfe der geradlinigen 

Ausbereitung von Lichtbündeln erklären können 

3. … voraussagen können, in welcher Richtung sich das Bild verschiebt, wenn 

der Gegenstand verschoben wird 

4. … wissen, dass man einen Gegenstand in der Richtung wahrnimmt, aus 

der das Licht von diesem Gegenstand ins Auge fällt (=wichtig für spätere 

Beschreibung von virtuellen Bildern) 

5. … erklären können, weshalb bei Vergrößerung der Blendöffnung das 

Lochkamerabild heller und unschärfer wird 

6. … wissen, dass bei der Abbildung durch eine Sammellinse zwischen 

Gegenstandsweite und Bildweite eine eineindeutige Zuordnung besteht 

79 


4. Schritt 

Frage: Wie kann das recht lichtschwache Bild der Lochkamera deutlicher 

gemacht werden? 

Hands on: Lochkamera mit verschiedenen Blendöffnungen bildet 

selbstleuchtenden Gegenstand ab . 

POE (Erweiterung auf max 2 cm) 

Welche Art von Lichtbündel vor und nach der Blendöffnung sind nötig für 

ideale Verhälntisse? 

Wandler: Divergente in konvergen 

Lichtbündel 

80 


4. Schritt 

http://www.planetschule.de/sf/multimedia/animationen/lochkamera/mme/mmewin.html 

http://www.leifiphysik.de/web_ph07_g8/versuche/01lochkamera/erklaerung.htm 

Basiskonzepte Lernprozesse Schüleraufgaben Schülervorstellungen Interventionen Unterrichtsbausteine 

81

5. Schritt 

Frage: Wie können verschieden weit entfernte Gegenstände scharf gesehen 

werden? 

Hands on: Lochkamera mit Sammellinse 

Arbeitsauftrag: Finde eine Regel für den Zusammenhang! 

Für jeden Abstand der Linse zum 

Gegenstand gibt es genau einen 

Abstand zur Mattscheibe mit 

scharfem Bild 

82 


5. Schritt 

Arbeitsauftrag: Gestalten Sie die Lochkamera so um, dass sie als 

Entfernungsmessung verwendet werden kann! 

Hands on: Lochkamera mit Sammellinse, Messstationen in 

unterschiedlichen Entfernungen (Tafelbild mit verschiedenen 

Entfernungsmarken), Eichmarken am Auszug der Lochkamera 

Linsengleichung 

83 


Abbildungsvorgänge 

84 


Virtuelle Bilder (1) - Spiegel 

Wirft Licht zurück (blendet) im Gegensatz zu 

„normalen Gegenständen“ 

Reflexion und Bildentstehung: 2 versch. 

Phänomene 

Spiegelbild liegt auf Spiegeloberfläche 

Spiegel vertauscht links und rechts 

„Sichtlinienvorstellung“: Ort des Spiegelbildes 

bewegt sich durch Bewegung des Beobachters 

Bildgröße abhängig von Abstands Spiegel- 

Betrachter (ebene Figuren parallel zur 

Spiegelfläche) 

85 


Interaktion Licht Materie: Sammellinsen (1) – reelle Bilder 

• Erklärung von reellen Bildern Nach-Optik: 

Linse= Lichtsammeln, NICHT Abbildung 

Punkt-zu-Punkt Abbildungsschema wird nicht verwendet, 

holistische Vorstellung 

„Ein-Strahldiagramme“ weit verbreitetet: 

Gegenstandspunkt → 1 Strahl statt divergentes 

Lichtbündel 

Teilabdeckung der Linse bzw. Linsengröße → geometrische 

Bildeigenschaften 

Dejustierung des Bildschirms → Einfluss auf Bildgröße 

NICHT auf Schärfe 

Oberfläche (Bildschirm) zur Materialisierung von Bildern 

nötig 

86 


Stationenbetrieb: Abbildungen 

87 



Abb-Station 1: 

Fischstechen 

• Schauen Sie durch das Rohr durch. Was sehen Sie? 

• Schieben Sie nun den Spieß in das Rohr. Trifft der 

Spieß die Münze? 

• Auf welchem Weg kommt das Licht von der Münze ins 

Auge? Bearbeiten Sie das Arbeitsblatt! 

• In welcher Richtung wird das Bild der Münze gesehen? 

Ergänzen Sie am Arbeitsblatt! 

88 


Stationenbe Abbildungen 

Station 1: 

Fischstechen 

89 




Fischstechen 

90 




Optische Hebung 

http://www.goldenkstar.com/refraction-of-rays-educational-software-physics.htm 

http://www.zum.de/dwu/depotan/apop101.htm 

91 


Stationenbetrieb: Abbildung 

Leuchtfleck zu Bildfleck 


Bilden Sie die Transparentfigur scharf am Schirm ab. 

• Halten Sie die Rasterfolie über die Figur. Die Leuchtfigur ist nun in 

kleine „Leuchtflecke“ aufgeteilt. Was ist am Schirm zu beobachten? 

• Ersetzen Sie nun die Transparentfigur mit Rasterfolie durch die Blende 

mit den 3 färbigen Löchern. Was ist am Schirm zu beobachten? 

• Welche Aussagen können Sie über die Lage von Leucht- und 

Bildfleck(en) treffen? 

• Wie kann die Bildentstehung mit Leucht- und Bildflecken erklärt 

werden? 

92 


Abbildung: Leucht- Bildfleck 

http://phet.colorado.edu/s 

ims/geometricoptics/geometricoptics_en.html 

93 



Tafelbild 

Karton Abb-Station 4: 

Linsenabdeckung 

http://www.phy.ntnu.e 

du.tw/ntnujava/index.p 

hp?topic=160.0 

http://www.schulphysik. 

de/java/physlet/applets/ 

optik1.html 

94 


Stationenbetrieb: Brechung 

AbbSpiegel-Station 1: 

Beobachtungen am Spiegelbild von Personen 

• Bearbeiten Sie das Arbeitsblatt 1! 

• Welchen Unterschied macht es, ob Sie einen 

Gegenstand oder sich selbst im Spiegel 

betrachten? 

95 




Beobachtungen am Spiegelbild 

96 




Beobachtungen am Spiegelbild (Perspektive) 


• Woher kommt die Fehlvorstellung, dass der 

Spiegel links und rechts vertauscht Ihrer 

Meinung nach? 

97 




Beobachtungen am Spiegelbild (Perspektive) 

• Welchen Unterschied macht es, ob Sie einen 

Gegenstand oder sich selbst im Spiegel 

betrachten? 

• Woher kommt die Fehlvorstellung, dass der 

Spiegel links und rechts vertauscht Ihrer Meinung 

nach? 

S-Vorstellung: Spiegel zeigt Betrachter, wie 

er (der Spiegel) die vor ihm befindlichen 

Objekte „sieht“. 

http://www.leifiphysik.de/web_ph07_g8/grundwissen/02reflexion/reflexion1.htm 

98 



AbbSpiegel-Station 3 : 

Lage des Spiegelbilds 

99 





100 





• Macht es Ihrer Meinung nach einen Unterschied für die 

Schüler/innen, ob die Formulierung „das Spiegelbild ist / 

liegt / erscheint / entsteht / siehts du“ hinter dem 

Spiegel“ verwendet wird? 

S/S unterscheiden zwischen „Das Spiegelbild 

SIEHT man hinter dem Spiegel.“ und „Das 

Spiegelbild IST hinter dem Spiegel.“ 

101 




Positionswechsel 


• Inwieweit können hier Strahlengänge 

helfen? 

102 





Physikalisch ist der Ort des 

Spiegelbildes allein durch die 

Position des Gegenstandes 

zum Spiegel festgelegt. (S- 

Vorstellung „Sichtlinien“) 

103 


Farben 

104 


Farben 

Helle Farben sind im Dunklen sichtbar 

Licht selbst hat keine Farbe, kann Farbe annehmen (Durchgang Farbfolie) 

Sonnen(ähnliches) Licht ist gelb heißt aber „weißes Licht“ 

Gegenstände haben Eigenfarben, die durch Beleuchten sichtbar werden 

Körper- und Lichtfarben mischen sich anteilsmäßig (Kräftemessen) 

Farbfilter färbt Licht (additiver Mechanismus) 

AUS: http://www.leifiphysik.de/web_ph07_g8/umwelt_technik/03farbmischung/subtraktion/subtraktion.htm. 

105

Stationenbetrieb: Farbe 

Farbe Station 1: 

Lichträtsel 

• Schauen Sie durch das Rohr in die Schachtel. Beschreiben Sie, 

was Sie sehen. 

• Stellen Sie eine Vermutung an, was in der Schachtel ist. 

• Öffnen Sie die Schachtel. Beschreiben Sie was sich in der 

Schachtel befindet. Wie ist das, was Sie bei geschlossener 

Schachtel beobachtet haben zustande gekommen? 

• Was können Sie aus diesem Experiment über die Eigenschaft 

von Licht schließen? 

106 




Lichtsorten mischen 

• Schalten Sie nacheinander je eine Lampe an. Welche 

Lichtsorten werden jeweils ausgesendet? 

• Schalten Sie je zwei Lampen gleichzeitig an. Welche 

Lichtsorten werden nun jeweils ausgesendet? 

• Schalten Sie alle 3 Lampen gleichzeitig an. Welche 

Lichtsorte wird nun ausgesendet? Welche Lichtquellen 

(Sender) senden so ähnliches Licht aus? 

• Drehen Sie nun an den Reglern. Was beobachten Sie? 

Welche Schlüsse können Sie daraus ziehen? 

107 




Selektive Absorption 

Bitte drehen Sie NICHT an den Reglern!! 

• Schalten Sie alle 3 Lampen aus. Schauen Sie nun durch die Röhre. Was 

sehen Sie? Warum sehen Sie das? 

• Schalten Sie nur die grüne Lampe (Kippschalter G) an. Schauen Sie nun 

durch die Röhre. Tragen Sie am Arbeitsblatt ein, was Sie sehen. 

• Schalten Sie nur die rote Lampe (Kippschalter R) an. Schauen Sie nun 

durch die Röhre. Was sehen Sie? Tragen Sie am Arbeitsblatt ein, was Sie 

sehen. 

• Schalten Sie alle 3 Lampen gleichzeitig an. Schauen Sie nun durch die 

Röhre. Tragen Sie am Arbeitsblatt ein, was Sie sehen. 

• Vergleichen Sie die Ergebnisse der 3 Beobachtungen (nur rote - nur grüne - 

alle 3 Lampen). Wie können Sie die Ergebnisse erklären? 


108



Farbige Streuung 

• Leuchten Sie mit der Taschenlampe auf den 

Schachtelboden und beobachten Sie den Schachtelrand. 

• Legen Sie nun das rote Blatt auf den Schachtelboden. 

Leuchten Sie mit der Taschenlampe auf den 


• Legen Sie nun das grüne Blatt auf den Schachtelboden. 

Leuchten Sie mit der Taschenlampe auf den 


• Warum ändert sich das Aussehen der Schachtelwände? 

Fertigen Sie dazu eine Skizze mit den entsprechenden 

Lichtwegen an! 

109 


Farbe Station 5a: 


Reflexion und Laser 

Diskutieren Sie in der Gruppe: Wann sehen wir einen 

Körper schwarz? Welche Erklärung ist für Schüler 

passend? 

Nehmen Sie sich ein Arbeitsblatt und bearbeiten Sie 

die Aufgabenstellungen Schritt für Schritt (erst lesen, 

dann schreiben, dann experimentieren!!!) 

110 


Stationenbetrieb mit Laser 

• Einzelne Farbfelder mit rotem Laser beleuchten. 

• Was kann beobachtet werden? Warum? 

• Immer ein rotes Aufleuchten, auch am schwarzen 

Papier 

• Intensiveres Aufleuchten bei 

Angeleuchtete 

Farbpigmente 

Keine Absorption 

von rot 


111

Farbe Station 5b: 


Reflexion und Laser 

Nach der Durchführung von Farbe Station 5a: welche 

Implikationen hat das Ergebnis von 5a für Unterricht der 

Unterstufe und der Oberstufe? Diskutieren Sie in der 

Gruppe! 

Bearbeiten Sie nun das Arbeitsblatt zu den 

Reflexionskurven! 

112 




Weißes Licht 

• Diskutieren Sie in Ihrer Gruppe folgende Fragen: 

‣ Welche Vorstellungen haben S/S von weißem Licht? 

‣ Wie würden Sie weißes Licht definieren? Welche Erklärung / 

Definition geben Sie Ihren S/S? 

‣ Wie stellen Sie weißes Licht in Ihrem Unterricht dar? 

‣ Wie ist weißes Licht in Schulbüchen dargestellt? 

‣ Welche Quellen von weißem Licht nennen S/S? 

‣ Wie beschreiben S/S die Farbe des Sonnenlichts? 

‣ Wie beschreiben S/S die Farbe einer Glühlampe/Energiesparlampe? 

‣ Wie beschreiben S/S die Farbe einer Leuchtstoffröhre / LED? 

• Welche Möglichkeiten fallen Ihnen mit den vorhanden Materialien ein 

Unterricht zu diesem Thema zu gestalten? 

113 


(Physik ist überall) 

(Physik verstehen) 

(Lehrbuch der Physik) 

(Physik heute) 




Weißes Licht 

• Diskutieren Sie in Ihrer Gruppe folgende Fragen: 

‣ Welche Vorstellungen haben S/S von weißem Licht? 

‣ Wie würden Sie weißes Licht definieren? Welche Erklärung / 

Definition geben Sie Ihren S/S? 

‣ Wie stellen Sie weißes Licht in Ihrem Unterricht dar? 

‣ Wie ist weißes Licht in Schulbüchen dargestellt? 

‣ Welche Quellen von weißem Licht nennen S/S? 

‣ Wie beschreiben S/S die Farbe des Sonnenlichts? 

‣ Wie beschreiben S/S die Farbe einer Glühlampe/Energiesparlampe? 

‣ Wie beschreiben S/S die Farbe einer Leuchtstoffröhre / LED? 

• Welche Möglichkeiten fallen Ihnen mit den vorhanden Materialien ein 

Unterricht zu diesem Thema zu gestalten? 

115 




Welche Farben verbergen sich dahinter? 

• Halten Sie die Schachtel mit den Lichteinlass 

nacheinander zum 

 

 

 

roten 

grünen 

blauen 

• Leuchtfeld am Bildschirm und zählen Sie nacheinander 

die Farben der Buntstifte auf! 

• Was geschieht, wenn die Schachtel von mehreren 

verschiedenen Leuchtfeldern gleichzeitig beleuchtet 

wird? 

• Übersetzen Sie den Satz: „Der Stift ist rot.“ auf 

‚physikalisch‘! Macht so eine physikalische 

Ausdrucksweiße Sinn? Welche Argumente gibt es dafür & 

dagegen? 

116 


Vielen Dank für 

Ihre 

Aufmerksamkeit 

! 

Dr. Claudia Haagen-Schützenhöfer 

Universität Wien 

Austrian Educational Competence Centre 

1090 Wien, Porzellangasse 4/2/2 

Tel.: +43-1-4277-711 04 

claudia.haagen@univie.ac.at 

117

Unterrichtswerkstatt zur geometrischen Optik - pro.kphvie.at

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