STEM Optics

Grundlagen der Optik begreifbar machen und nachhaltig verstehen!

Speziell entwickelt, um den anspruchsvollen Anforderungen des Regelunterrichts gerecht zu werden, bietet dieses Set eine umfassende Sammlung von 18 Modellen, die Schülerinnen und Schülern helfen, die Grundlagen der Optik spielerisch und interaktiv zu erforschen. Beginnend mit grundlegenden Konzepten wie der Lupe und den Strahlengängen verschiedener Linsen führt das Set die Lernenden zu komplexeren Themen wie Teleskope, Spektren, Mikroskope oder Projektoren.

Anzahl Schüler

2-4 pro Baukasten

Lernziele

Grundprinzipien der Optik auf spielerische und interaktive Weise verstehen

Zeitaufwand

Die Unterrichtsentwürfe (Aufbau des Modells + Bearbeitung der Aufgaben) sind in der Regel auf eine Doppelstunde ausgelegt

Klassenstufe

Sekundarstufe

Themen und Kompetenzen

Aufgabe 1: Minimale Sehweite

In diesem Einstiegsexperiment erfährt jede Schülerin und jeder Schüler eine Information über die Grenzen seiner eigenen Sehfähigkeit. Diskussionen über Unterschiede innerhalb der Lerngruppe und im Vergleich zu Lehrpersonen motivieren, das Themen Auge und Sehen zu vertiefen.

Themen: Auge, Grenzen der Sehfähigkeit

Kompetenzen: Messen, Diskutieren, Bewerten
Aufgabe 2: Lupe

Die Lupe ist ein klassisches optisches Gebrauchsgerät, das einerseits benutzt wird, um die im Alter stark zunehmende minimale Sehweite künstlich zu verkleinern, andererseits um Gegenstände detaillierter beobachten zu können. Im Experiment wird die Vergrößerung von Lupen thematisiert und bestimmt.

Themen: Lupe, Linsen, Auge, Fehlsichtigkeiten, Vergrößerung

Kompetenzen: Beobachten, Schätzen, Messen, Vergleichen, Entdecken und Formulieren von Zusammenhängen
Aufgabe 3: Camera obscura

An der Camera obscura kann die geradlinige Lichtausbreitung in bestmöglicher Weise erfahren werden. Die zugehörigen Aufgaben unterstützen das noch einmal.

Themen: optische Geräte, geradlinige Lichtausbreitung, Strahlenoptik

Kompetenzen: Beobachten, Beschreiben, Zeichnen, Übertragung Modell
Aufgabe 4: Reelles Bild

Es ist für Schülerinnen und Schüler sehr eindrucksvoll, Landschaften, Wolken oder Lampen mit einer einfachen Sammellinse auf einen Schirm zu projizieren. Das Experiment bereitet die optischen Instrumente Kepler-Teleskop und Mikroskop vor, bei denen im Prinzip reelle Bilder mit Lupen betrachtet werden. Die Abbildungs-eigenschaften von Linsen sind ein fester Bestandteil jedes Physik-Lehrplans.

Themen: reelle Bilder bei Sammellinsen, Brennweiten

Kompetenzen: Hand-Auge-Koordination (Scharfstellen), Messen, Entdecken von Zusammenhängen
Aufgabe 5: Kepler-Teleskop

Das Kepler-Teleskop besteht aus zwei Sammellinsen. Das Objektiv entwirft ein reelles Bild, das durch das Okular betrachtet wird. Die Aufgaben betonen diesen Sachverhalt und lässt die Schülerinnen und Schüler die beiden zuvor kennengelernten Konzepte reelles Bild und Lupe zusammenbringen. Zentraler Bestandteil der Aufgaben ist auch die Bestimmung der Vergrößerung.

Mit dem Kepler-Teleskop bauen die Schülerinnen und Schüler ihr erstes „echtes“ optisches Instrument zusammen. Es kann im Rahmen eines Beobachtungsabends zur Beobachtung des Mondes oder einiger Doppelsterne und Sternhaufen eingesetzt werden.

Themen: Fernrohr, optische Instrumente, Linsensysteme, reelle und virtuelle Bilder bei Linsen, Vergrößerung

Kompetenzen: Hand-Auge-Koordination (Scharfstellen), Messen, Entdecken von Zusammenhängen, Schätzen, Rechnen
Aufgabe 6: Galilei-Teleskop

Beim Galilei-Teleskop wird erstmalig die Streulinse eingesetzt. In den Aufgaben wird die Vergrößerung bestimmt und der Zusammenhang zu den Breinnweiten der Linsen hergestellt. Außerdem werden die Eigenschaften mit denen des Kepler-Teleskops verglichen.

Themen: Fernrohr, optische Instrumente, Linsensysteme

Kompetenzen:Hand-Auge-Koordination (Scharfstellen), Entdecken und Formulieren von Zusammenhängen, Schätzen, Rechnen
Aufgabe 7: Zoom

In der heutigen Lebenswelt der Kinder und Jugendlichen stellt „Zoomen“ bei unterschiedlichen Geräten und in unterschiedlichen Software-Programmen ein häufig genutztes Feature da. Daran knüpft dieses Modell an, das sich an den historisch ersten Zoom-Objektiven orientiert. In den Aufgaben werden Funktion und Vergrößerungsbereich thematisiert.

Themen: Zoom-Objektiv, optische Instrumente, Linsensysteme

Kompetenzen: Hand-Auge-Koordination (Scharfstellen), Beobachten und Formulieren von Sachverhalten, Schätzen
Aufgabe 8: Handmikroskop

Wie das Kepler-Teleskop bringt das Mikroskop die beiden Konzepte reelles Bild und Lupe zusammen. Die Aufgaben arbeiten dieses Zusammenspiel heraus. Auch die Vergrößerung wird thematisiert und bestimmt.
Das Bild des Handmikroskops kann durch leichtes Neigen schnell und unkompliziert scharf gestellt werden. Dadurch kann es fächerübergreifend im Biologieunterricht sogar draußen eingesetzt werden, um Insekten, Blätter oder Ähnliches zu untersuchen.

Themen: Mikroskop, optische Instrumente, Linsensysteme

Kompetenzen: Hand-Auge-Koordination (Scharfstellen), Schätzen, Vergleichen, Einordnen
Aufgabe 9: Strahlengang

Die Aufgabe thematisiert die Lichtausbreitung mit und ohne Linsen. Eine Sammellinse wir zur Erzeugung parallelen Lichts eingesetzt, mit dem dann anschließend die Brenneigenschaften und Brennweiten der anderen beiden im Baukasten enthaltenen Linsentypen analysiert werden.

Themen: geradlinige Lichtausbreitung, Strahlengang in Linsen, Linsenarten, Brenneigenschaften, Brennpunkt, paralleles Licht

Kompetenzen: Beobachten, Zuordnen, Zeichnen, Übertragung Modell <--> Zeichnung, Messen, Entdecken und Formulieren von Zusammenhängen
Aufgabe 10: Linsengleichung

Die Schülerinnen und Schüler werden durch eine Messreihe heuristisch an die Linsengleichung herangeführt. Dabei lernen sie auch den praktischen Nutzen der Einheit Dioptrie kennen.

Themen: Linsengleichung, Abbildungen mit Linsen

Kompetenzen: Umrechnen, Messen, Entdecken und Formulieren von Zusammenhängen, Beobachten und Beschreiben von Sachverhalten
Aufgabe 11: Mikroskop - optische Bank

Ähnlich wie beim Handmikroskop thematisieren die Aufgaben das Zusammenspiel von Objektiv und Okular.

Mit dem Mikroskop sind sowohl Durchlicht- als auch Auflicht-Beobachtungen möglich. Es ist für Schülerinnen und Schüler sehr motivierend, mit von ihnen selbst gebauten Mikroskopen Ausflüge in den Mikrokosmos zu unternehmen. Der beigefügte Objektträger lädt dazu ein, auch die Präparate (Facettenaugen, Zwiebelschalen, usw.) selbst herzustellen.

Themen: Mikroskop, Linsensysteme, Vergrößerung

Kompetenzen: Hand-Auge-Koordination (Scharfstellen), Messen
Aufgabe 12: Reflexionsgesetz

Im Experiment wird das Reflexionsgesetz durch eine Messreihe erfahren. Auch der Unterschied zwischen gerichteter Reflexion und diffuser Reflexion wird thematisiert.

Themen: geradlinige Lichtausbreitung, Reflexionsgesetz, Fermatsches Prinzip

Kompetenzen: Messen, Entdecken und Formulieren von Zusammenhängen, Beobachten und Beschreiben von Sachverhalten
Aufgabe 13: Hyperskop

Räumliches Sehen beruht auf drei verschiedenen Effekten. Einer davon entsteht durch den Versatz der beiden Augen. Das Experiment thematisiert diesen Effekt und vergrößert ihn zuerst und kehrt ihn anschließend um. Die Schülerinnen und Schüler beschreiben, wie sie die räumliche Tiefe zunächst verstärkt, anschließend teilweise widersprüchlich wahrnehmen.
Das Modell greift die Faszination der Schülerinnen und Schüler für 3D-Effekte auf.

Themen: Räumliches Sehen, Reflexionsgesetz

Kompetenzen: Hand-Auge-Koordination (Einzelbilder manuell zusammenführen), Beschreibung von Sinneseindrücken
Aufgabe 14: Schattenexperiment

Im Modell wird ein Gegenstand aus zwei Richtungen angestrahlt. Je nach Entfernung des Gegenstands ergeben sich unterschiedliche Bereiche von Kern- und Halbschatten, die von den Schülerinnen und Schülern mit Hilfe der geradlinigen Lichtausbreitung und dem Reflexionsgesetz erklärt werden.

Themen: Licht und Schatten, geradlinige Lichtausbreitung

Kompetenzen: Übertragung Modell <--> Abbildung, Zeichnen, Beschreiben und Erklären von Sachverhalten
Aufgabe 15: Mondphasen

Im Experiment erfahren die Schülerinnen und Schüler, warum der Mond von der Erde aus betrachtet Phasen zeigt. Sie erarbeiten durch Beobachten und Recherchieren, in welchen Punkten sich ein einfaches Modell für das System Sonne-Erde-Mond von der Realität unterscheidet.

Themen: Licht und Schatten, Mondphasen, Finsternisse

Kompetenzen: Recherchieren, Vergleichen, Bewerten
Aufgabe 16: Sonnenprojektor

Im Sonnenprojektor werden die zuvor kennengelernten optischen Komponenten Spiegel und Linsen noch einmal im Verbund eingesetzt. Mit ihm können Sonnenfinsternisse gefahrlos beobachtet werden.

Themen: Linsensysteme, optische Instrumente, Reflexionsgesetz, Sonnenfinsternis

Kompetenzen: Recherchieren, Hand-Auge-Koordination (Scharfstellen)
Aufgabe 17: Wellenlänge des sichtbaren Lichts

Mit dem im Baukasten enthaltenen Beugungsgitter kann der Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts bestimmt werden. Die Schülerinnen und Schüler gehen diese Aufgabe zunächst handlungsorientiert durch Zeichnen und Messen an und bereiten sich so bestmöglich auf den anschließend thematisierten Begriff der Beugung vor.

Themen: Wellenlänge, Welleneigenschaften des Lichts, Beugung, Farben

Kompetenzen: Übertragung Modell --> Zeichnung, Messen, Argumentieren
Aufgabe 18: Spektroskop

Mit dem Spektroskop können wetterunabhängig die Fraunhoferschen Linien im Sonnenspektrum beobachtet werden. Die Schülerinnen und Schüler zeichnen diese dunklen Linien selbst in ein durchgehendes Farbspektrum ein und erleben so die bahnbrechende Entdeckung Josef Fraunhofers ein Stück weit nach.

Mit dem Spektroskop können auch Emissionsspektren von Leuchtstoffröhren, LEDs und weiteren Lichtquellen analysiert werden.

Themen: Lichtspektrum, Fraunhofersche Linien, Absorption und Emission, Wellenlänge, Beugung, Farben, Physik der Sonne

Kompetenzen: Genaues Beobachten, Auffinden interessanter Objekte

Weitere Informationen

Thema

Die Experimente und Modelle des fischertechnik-Optics-Baukasten vermitteln ein breites Spektrum an Kenntnissen und Fertigkeiten im Gebiet der Optik in ganzheitlicher und handlungsorientierter Weise. Viele Themen der Sekundarstufen-Lehrpläne werden dabei abgedeckt: die geradlinige Lichtausbreitung, das Reflexionsgesetz, die Funktion von Sammel- und Streulinsen, die Bildentstehung, das Zusammenwirken mehrerer Linsen in optischen Instrumenten wie Fernrohren und Mikroskopen, Fehlsichtigkeiten des Auges, das räumliche Sehen, die Welleneigenschaften des Lichts, das Spektrum der Sonne und anderer Lichtquellen, Absorption und Emission. An mehreren Stellen werden auch geschichtliche und astronomische Querbezüge angegeben und so ein vernetztes Lernen gefördert. Die Reihenfolge der 19 Experimente folgt dem Prinzip „vom Einfachen zum Komplexen“. Die ersten Modelle bestehen nur aus wenigen Teilen und benötigen keine Einstellungen. Dadurch wird auch fischertechnik-Neulingen die Möglichkeit gegeben, sich mit dem System vertraut zu machen. In den nachfolgenden Modellen werden die Ansprüche an die Genauigkeit des Nachbaus und der Einstellung dann langsam gesteigert.

Gleichzeitig berücksichtigt die Reihenfolge der Modelle auch didaktische Aspekte. So wird die geradlinige Lichtausbreitung zunächst an der Camera obscura experimentell erkundet und dann in Aufgaben zu späteren Modellen mehrfach vertieft. Ebenso wird das Reflexionsgesetz in einem eigenen Modell behandelt und dann in Folgemodellen wiederholt angewendet. Der zentrale Begriff der Vergrößerung wird an der Lupe zum ersten Mal thematisiert und dann bei den Fernrohren und Mikroskopen vertieft. Das Kepler-Teleskop wird vor dem historisch früheren Galilei-Teleskop behandelt, da es einfacher zu verstehen ist (Kombination aus reellem Bild und Lupe). Die bei den Fernrohren und dem Handmikroskop erworbenen praktischen Fertigkeiten im Umgang mit Linsen bereiten die nachfolgenden quantitativen Untersuchungen der Abbildungseigenschaften von Sammel- und Streulinsen auf der optischen Bank bestmöglich vor. Den Abschluss der Modelle bildet das Spektroskop, mit dem wetterunabhängig die Fraunhoferschen Linien im Sonnenspektrum beobachtet werden können.

Themen

Auge, Grenzen der Sehfähigkeit, Fehlsichtigkeiten
optische Geräte und Instrumente, Linsensysteme, Linsenarten
Lupe, Fernrohr, Mikroskop, reelle und virtuelle Bilder bei Linsen, Vergrößerung, Strahlengang in Linsen, Brenneigenschaften, Brennpunkt, Brennweiten
Licht und Schatten, Mondphasen, Finsternisse
Strahlenoptik, geradlinige Lichtausbreitung, paralleles Licht
Linsengleichung, Abbildungen mit Linsen
Räumliches Sehen, Reflexionsgesetz
Wellenlänge, Welleneigenschaften des Lichts, Beugung, Farben
Lichtspektrum, Fraunhofersche Linien, Absorption und Emission, Physik der Sonne

Zeitaufwand

Die Unterrichtsentwürfe (Aufbau des Modells + Bearbeitung der Aufgaben) sind in der Regel auf eine Doppelstunde ausgelegt. Einige lassen etwas Zeit für ergänzende Theorie.

Kompetenzen

Inhaltsbezogene Kompetenzen: physikalische Aspekte des Sehvorgangs beschreiben, die Funktion von Modellen in der Physik erläutern, grundlegende Phänomene der Lichtausbreitung experimentell untersuchen und mithilfe des Lichtstrahlmodells beschreiben, Streuung und Absorption phänomenologisch beschreiben, Schattenphänomene experimentell untersuchen und beschreiben, optische Phänomene im Weltall erklären (Mondphasen, Sonnenfinsternis, Mondfinsternis), die Reflexion an ebenen Flächen beschreiben ( Reflexionsgesetz, Spiegelbild), Brechung beschreiben, die Bildentstehung durch eine Blende beschreiben (Lochkamera), die Wirkung optischer Linsen beschreiben ( Sammellinse, Brennpunkt, Wahrnehmungseffekte wie zum Beispiel Bildumkehrung), einfache Experimente zur Zerlegung von weißem Licht und zur Addition von Farben beschreiben (Prisma)

Prozessbezogene Kompetenz: Problemlösen/ kreativ sein, Phänomene und Experimente zielgerichtet beobachten und ihre Beobachtungen beschreiben, Hypothesen zu physikalischen Fragestellungen aufstellen, Experimente durchführen und auswerten und dazu Messwerte erfassen

Mathematische Kompetenz: logisches und strategisches Denken; Schätzen, Messen, Vergleichen
Personale und soziale Kompetenz: gemeinsam im Team Lösungen finden, Hand-Auge-Koordination (Scharfstellen), Beobachten, Übertragung Modell <--> Zeichnung

Sprachlich-kommunikative Kompetenz: Erarbeitung von Fachbegriffen, Diskutieren, Bewerten, Formulieren von Zusammenhängen

Einführung ins Thema Optik

Optik - bei diesem Wort denkt wohl jeder zuerst an Brillen, Kameras, Ferngläser und Mikroskope, also an optische Gebrauchsgegenstände und optische Instrumente.

Brillen dienen dazu, besser sehen zu können. Kameras ermöglichen es, Bilder aufzunehmen und zu speichern. Mit Fernrohren kann man Gegenstände in großer Entfernung so sehen, als wären sie deutlich näher. Mikroskope vergrößern kleine Objekte und erlauben uns einen detaillierten Einblick in den sonst verschlossenen Mikrokosmos.

In der Optik geht es also darum zu verstehen, was und wie wir etwas mit unseren Augen wahrnehmen, und dieses Verständnis zu nutzen, um mehr, besser, anders, detaillierter oder in größere Entfernungen sehen zu können.

Was wir mit den Augen wahrnehmen, ist Licht. Von zentraler Bedeutung ist deshalb die Untersuchung des Lichts und seiner Eigenschaften. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse haben in der Vergangenheit bei weitem nicht nur Anwendungen auf das Sehen gehabt. So steuern wir heute Fernsehgeräte oder Stereo-Anlagen mit Infrarot-Fernbedienungen, Laser werden für Operationen eingesetzt und Licht überträgt Informationen in Höchstgeschwindigkeit durch Glasfaserkabel. Auch all diese Anwendungen fallen in das Gebiet der Optik.

Die Geschichte der Optik ist vielfältig. Am Anfang stand die Beobachtung und Erklärung der Phänomene, die mit der geradlinige Ausbreitung des Lichts zu tun haben: Spiegelung, Brechung und die Entstehung von Schatten. Diese Phänomene sind bereits in der Antike ausführlich untersucht worden. Ebenfalls in der Antike bekannt waren Kristalllinsen, die als Brennglas zum Feuermachen, als Lesehilfe oder zur Korrektur von Kurzsichtigkeit benutzt wurden. Die Brille wurde im 13. Jahrhundert erfunden, wo genau und von wem ist nicht bekannt.

Mit der Erfindung des Fernrohrs zu Beginn des 17. Jahrhunderts wurden zum ersten Mal Kombinationen von Linsen in einem optischen Instrument benutzt.

Galileo Galilei (1564-1642) blickte ab dem Jahr 1609 mit seinen selbst gebauten Fernrohren in den Nachthimmel. Er entdeckte Krater auf dem Mond, Flecken auf der Sonne, vier Monde, die den Jupiter umkreisen, die Phasen der Venus und löste die Milchstraße in unzählige feine Sterne auf. Diese Entdeckungen waren so spektakulär, dass sie einerseits das wissenschaftliche Weltbild und die Selbstwahrnehmung der Menschheit dauerhaft veränderten. Andererseits waren sie eine enorme Triebfeder für die Entwicklung besserer Linsen und, allgemeiner, weiterer optischer Instrumente.

Johannes Kepler (1571-1630) erklärte zum ersten Mal die optische Wirkungsweise der Linsen in einem Fernrohr und verbesserte es für astronomische Zwecke, indem er als Okulare Sammellinsen statt Streulinsen verwendete.

Christiaan Huygens (1629-1695) entwickelte um 1650 eine umfassende Theorie über die Welleneigenschaften des Lichts, die erst nach dem Doppelspaltexperiment von Thomas Young (1773-1829) im Jahr 1802 allgemein akzeptiert wurde. Huygens nutzte allerdings seine Theorie schon praktisch und verkleinerte damit die Abbildungsfehler seiner Linsen.

Isaac Newton (1642-1726) fächerte mit einem Prisma weißes Licht in alle verschiedenen Farben auf. Er vertrat die Auffassung, Licht bestände aus vielen kleinen Teilchen, die sich geradlinig bewegten.

Im Jahr 1663 präsentierte Robert Hooke (1635-1702) der Royal Society in London eine Vielzahl von Zeichnungen von Objekten, die er mit seinem Auflichtmikroskop beobachtet hatte, darunter Facettenaugen von Insekten, Schimmelpilze und versteinertes Holz. Die Beobachtungen wurden in seinem berühmten Buch Micrographia abgedruckt, das auch heute noch faszinierend anzuschauen ist. Antoni van Leueuvenhoek (1632-1723) entdeckte in den folgenden Jahrzehnten unter anderem Bakterien und weitere Mikroorganismen sowie Blutkörperchen. Seine Mikroskope enthielten damals noch nur eine einzige stark gekrümmte Linse.

Ole Rømer (1644-1710) fand bei seinen Fernrohr-Beobachtungen der vier Galileischen Jupitermonde ab dem Jahr 1668 Verzögerungen der Verfinsterungen und Durchgänge, die nur mit einer endlichen Lichtgeschwindigkeit überzeugend zu erklären waren. Christian Huygens berechnete aus Rømers Beobachtungen im Jahr 1676 einen Wert von 212.000 km/s für die Lichtgeschwindigkeit. Seit der Antike war unklar, ob sich Licht mit einer endlichen oder unendlichen Geschwindigkeit ausbreitet.

Friedrich Wilhelm Herschel (1738-1822) entdeckte bei seinen Experimenten mit Prismen im Jahr 1800 die Infrarotstrahlung. Neben dem sichtbaren Licht gab es damit noch benachbarte, unsichtbare Strahlung. Erst die elektromagnetischen Feldgleichungen von James Clerk Maxwell (1831-1879) und die Erzeugung elektromagnetischer Wellen im Jahr 1886 durch Heinrich Hertz (1857-1894) zeigten, dass sowohl Licht als auch Infrarotstrahlung nichts anderes sind als elektromagnetische Strahlung hoher Frequenz.

Josef von Frauenhofer (1787-1826) baute Prismen, die an Qualität alle vorherigen weit übertrafen. Seine spektakuläre Entdeckung der dunklen Linien im Sonnenlichtspektrum stellt den Beginn der Astrophysik dar. Die Spektroskopie ist heute eine der wichtigsten physikalischen Methoden, die neben den vielfältigen Anwendungen in der Astronomie, Atom- und Kernphysik auch zum Beispiel bei der Entwicklung neuer Materialien, in der Medizin und in der Forensik eingesetzt wird.

Max Planck (1858-1947) entdeckte im Jahr 1900 das Plancksche Strahlungsgesetz, das als Beginn der Quantenphysik gilt. Albert Einstein (1879-1955) erklärte Plancks Beobachtung und den Photoeffekt durch die Einführung von Lichtteilchen, den sogenannten Photonen. Licht hat damit sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften. Einstein beschrieb schon im Jahr 1916 die stimulierte Emission von Photonen. Bis zur Erfindung des Lasers im Jahr 1960 dauerte es allerdings noch einige Jahrzehnte.

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