(Un)sichtbarkeit: Experimente zur Lichtbrechung

Versuch O4 des Optik-Praktikums für L2/L5-Studierende

Konzept

Die Studierenden machen bei O4 insgesamt 5 Versuche zu einem einführenden Kontext zum Thema Lichtbrechung (siehe unten). Zwei davon sind am Versuchstag von jedem Gruppenmitglied digital zu absolvieren (Modellbildung und Digitalisiertes Experiment); drei werden von dem Gruppenmitglied, das vor Ort ist, analog durchgeführt. Das Ausgangsphänomen (Aufgabe 1) ist von beiden Gruppenmitgliedern vor dem Versuchstag zu bearbeiten.

Ziel der Experimente ist es, das Ausgangsphänomen umfassend zu verstehen und erklären zu können. Die Experimente sind dabei so gestaltet, dass verschiedene und motivierende Zugänge für die Studierenden bereitgestellt werden. Alle Experimente sollen das Ausgangsphänomen näher beleuchten, sind jedoch in ihrer Art unterschiedlich (siehe Abbildung rechts).

Übersicht über die Experimente

Physikalische Inhalte

  • Lichtbrechung
  • Reflexion

→ Literatur zur geometrischen Optik (OLAT-Login zum Optik-Kurs erforderlich) 

Erklärung der Icons

Aufgabe Kolloquium/Protokoll

Wenn du dieses Icon siehst, sollst du die zugehörige Aufgabe schriftlich bearbeiten (auf einem Extrablatt). Diese wird entweder beim Kolloquium am Versuchstag mündlich besprochen oder soll später im Protokoll erscheinen.

Ausgangsphänomen (Kontext)

Aufgabe 1: Beschreibe, was in dem Video (Ausgangsphänomen) zu sehen ist und stelle jeweils eine Hypothese zu den Fragestellungen (rechts) auf.
Aufgabe
Protokoll

Fragestellungen:

  1. Warum werden die Aquakugeln unsichtbar, wenn man sie mit Wasser übergießt?
  2. Warum kann man die farblosen und durchsichtigen Aquakugeln zuvor überhaupt sehen?

Aquakugeln

Aquakugeln oder Gelperlen bestehen aus Polymeren, die große Mengen an Wasser absorbieren können. Solche Superabsorber können Wasser speichern und es nach und nach zum Beispiel an Schnittblumen abgeben.

Aquakugeln werden oft als Granulat verkauft, was für mehrere Stunden in Wasser eingelegt werden muss. Bei der Aufnahme der Flüssigkeit quillt der Superabsorber auf und bildet ein Hydrogel.

Diese Technologie kommt beispielsweise auch bei Windeln und Verbandsmaterialien zum Einsatz.

Aquakugeln in einer Glasschale

Die weiter unten folgenden Experimente werden am Versuchstag in Präsenz durchgeführt.

Modellbildung

In dem GeoGebra-Modell (rechter Button) soll das Verhalten eines Lichtstrahles simuliert werden, der durch eine Aquakugel fällt.

Modell einer Aquakugel
Aufgabe 2a: Wann geht der Strahl ungebrochen durch die Aquakugel? Nutze zur Begründung das Brechungsgesetz.
Aufgabe
Kolloquium
Aufgabe 2b: Unter welchen Bedingungen findet auch keine Reflexion statt? Nutze zur Begründung die Fresnel-Gleichungen, die links im GeoGebra-Modell eingeblendet werden.
Aufgabe
Protokoll

Digitalisiertes Experiment

Im interaktiven Experimentiervideo kannst du das Material eines durchsichtigen Glasstabes mithilfe verschiedener durchsichtiger Flüssigkeiten bestimmen. Starte hierfür das Video (rechts) unbedingt im Vollbildmodus.

Aufgabe 3a: Wie kann man auf das Material des Stabes schließen, wenn man ihn in die Flüssigkeiten eintaucht?
Aufgabe
Kolloquium
Aufgabe 3b: Aus welchem Material ist der Stab und warum? Schreibe eine ausführliche Erläuterung zum Versuchsablauf.
Aufgabe
Protokoll

Angeleitetes Experiment

Du kannst in diesem Experiment ein Reagenzglas verschwinden lassen. Befolge dafür die dreischrittige Anleitung.

Aufgabe 4: Taucht man einen Stab schräg in ein Wasserglas, erschient dieser im Wasser krumm. Das zeigt, dass Licht Wasser und Luft als unterschiedliche Medien "erkennt". Was kann man über das Glas und das Glycerin schließen? Vergleiche beide Experimente.
Aufgabe
Protokoll

Kreatives Gestalten

In diesem Experiment stellst du sogenannten Clear Slime her. Folge hierfür der Anleitung (rechts).

Anleitung zu Herstellung

Mische 50 g transparenten Bastelkleber mit 3 – 5 Prisen Natron. Verdünne die Mischung ggf. mit 0,5 – 1 Esslöffel Wasser und rühre gründlich um.

Gib so viel Kontaktlinsenlösung unter Rühren hinzu, bis sich die Mischung zu Schleim entwickelt, also deutlich weniger klebrig wird.

Fülle den Schleim in das Döschen.

Lasse den Schleim ein paar Tage bei dir zuhause stehen und beobachte, wie er sich verändert.

Aufgabe 5a: Warum erscheint der Schleim nach der Zubereitung milchig weiß? Nutze für die Erklärung Inhalte der geometrischen Optik. (Tipp: Luftbläschen entstehen im Schleim durch das Rühren)
Aufgabe
Protokoll
Aufgabe 5b: Beschreibe die Entwicklung des Schleims nach der Zubereitung über mehrere Tage hinweg. Was würde passieren, wenn du ihn zwischenzeitlich durchkneten würdest?
Aufgabe
Protokoll

Offenes Freihandexperiment

Untersuche die Lichtbrechung an den Aquakugeln mithilfe der gegebenen Materialien (2 Petrischalen, Aquakugeln, Wasser, Musterunterlage) unter einer von dir gewählten Fragestellung.

Aufgabe 6: Formuliere eine Untersuchungsfrage und dokumentiere deinen Forschungsprozess. Begründe deine Schritte.
Aufgabe
Protokoll

Auswertung

Beantworte die Fragestellungen (Ausgangsphänomen) mithilfe des Wissens, das du in den fünf Experimenten gewonnen hast.

  1. Warum werden die Aquakugeln unsichtbar, wenn man sie mit Wasser übergießt?
  2. Warum kann man die farblosen und durchsichtigen Aquakugeln zuvor überhaupt sehen?

Didaktik zu den Experimenten

Inklusiver Physikunterricht

Lies dir den → Artikel zu Schülerexperimenten im inklusiven Unterricht durch.

Klassischer Optikunterricht

Lies dir die → Unterrichtseinheit 1: Das Brechungsgesetz (S. 13 – 16) durch.

Aufgabe 7: Vergleiche die Unterrichtseinheit aus dem Artikel mit der klassischen Unterrichtseinheit. Wie unterscheiden sich beide?
Aufgabe
Protokoll
Aufgabe 8: Welche Vorteile und Nachteile siehst du bei den Experimenten, die du gemacht hast? Wann und wie würdest du diese Experimente im Unterricht einsetzen?
Aufgabe
Protokoll

Hinweis

Nach den Experimenten zu O4 bitten wir euch an einer kurzen Befragung zu den Versuchen teilzunehmen. Mehr Information dazu erfahrt ihr am Versuchstag von Laura Sührig.