Comment Bitte beachten Sie:
  • Alle Autoren akzeptieren mit dem Upload ihres Werkes die PhySX-Nutzungsbedingungen !
  • Sämtliche urheberrechtlich geschützte Medien, d.h. nicht-selbst erstellte Bilder, Medien und Videos werden kommentarlos gelöscht!

Brechung - Der Regensensor

Aus PhySX - Physikalische Schulexperimente Wiki
Wechseln zu: Navigation, Suche
Brechung - Der Regensensor
Totalreflexion in planparallelen Grenzflächen

Nachbau eines Regensensors

Kurzbeschreibung
Der Aufbau vermittelt das Prinzip des optischen Regensensors - ein Zusammenspiel aus Totalrefelxion und Brechung.
Kategorien
Optik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 7, Klasse 8
Basiskonzept: Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment, Schülergruppenexperiment, Schülerdemoexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1
Anspruch des Aufbaus mittel
Informationen
Name: Carsten Menzl
Kontakt: menzlcar@cms.hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Steffen Wagner
This box: view  talk  edit  

Im Folgenden bewegen wir uns im Bereich der Optik mit dem Schwerpunkt Brechung. Der Alltagsbezug wird hier durch das Funktionsprinzips des Regensensors dargestellt, dessen optisches System weit mehr hergibt, als der o.g. Schwerpunkt vermuten lässt. Das Experiment ist qualitativer Natur und als Lehrer- wie auch Schülerexperiment einsetzbar. Es besteht aus dem Nachbau eines Regensensors und eignet sich insbesondere für exemplarischen Unterricht bzw. exemplarischen Projektunterricht. Das Experiment kann auch konventionell als Einstiegsexperiment genutzt werden.


Didaktischer Teil

Das Konzept des exemplarischen Unterrichts bzw. des exemplarischen Projektunterrichts
Was ist exemplarischer Unterricht?
Exemplarischer Unterricht ist eine Form des Unterrichts, die nicht stringent und axiomatisch vor geht. Er sucht sich Inseln oder auch Plattformen in Kontexten, konkreten Problemstellungen und Phänomenen, von denen aus der Lernstoff herausgearbeitet wird. Er dreht also die Reihenfolge um und geht nicht mehr im Allgemeinen vom Trivialen zum Komplexen und von Theorie zu Praxis, sondern vom Beispiel über Erklärungsversuche und Experiment hin zu den herrschenden Gesetzmäßigkeiten. Es werden von ausgewählten Beispielen der Umwelt die wir (noch) nicht begreifen allgemeine physiktypische Prinzipien und Gesetzmäßigkeiten erforscht und verstanden. Diese Inseln sind recht locker miteinander vernetzt, bieten jedoch die Möglichkeit sich in ihnen zu vertiefen und Wissen und Fähigkeiten zu verdichten. (Wagenschein)

Ein Beispiel für exemplarischen Unterricht im Bereich der Optik könnte folgendes Bauteil liefern: Der Regensensor. Er ist alltäglich, real und greifbar. Er arbeitet mit einem optischen System, das zuerst nicht trivial ist, sich aber zerlegen lässt in Einzelbestandteile, an denen viel erklärt werden kann. Dabei bewegen wir uns in Bereichen der Wellenlehre, der geometrischen Optik und der Elektrizitätslehre. Im Einzelnen können wir an seinen Bauteilen den Lichtweg an plan-parallelen Grenzflächen konstruieren und dabei auch andere optische Bauteile wie Prismen und Linsen untersuchen. Wir erkennen das Brechungsgesetz, finden den Grenzwinkel und die Totalreflexion. Wir erkennen dann auch Unterschiede in den optischen Eigenschaften unterschiedlicher Stoffe (optische Dichte) was wir auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen zurückführen können. Letztlich sind wir imstande Lichtwege in Kombinationen von optischen Bauteilen vorherzusagen und die Funktionsweise des Regensensors zu verstehen und diesen nachzubauen. Weiter finden wir im Regensensor auch ein Beispiel für Energieumwandlung: elektrische Energie in Licht und Wärme und Licht in elektrische Energie. Damit ist der Regensensor ein Beispiel dafür wie wir exemplarischen Unterricht gestalten können, also step-by-step ihn in seine Einzelteile zerlegend und untersuchend weite Teile der Optik in ihren Gesetzmäigkeitenerforschen und verstehen können.

Versuchsanleitung

Geräte und Materialien

  • Glasscheibe (ca. 300mm x mind. 40mm x 5mm)
  • 2x Schraubzwingen
  • 4x Pappquadrate (ca. 20mm x 20mm)
  • 2x Dreiecksprisma (Glas oder Plexiglas, ca. 30mm hoch)
  • Podest (wenn möglich höhenverstellbar)
  • kleiner und großer Schirm (Holzplatte o.Ä., jeweils selbststehend da als Trennwand gedacht)
  • Laser mit Netzteil (hier: Klasse 2, rot)
  • Fixierung für Laser (hier: optische Bank)
  • Photozelle
  • Voltmeter
  • ein rotes und ein blaues Kabel
  • etwas Öl (hier: Rapsöl, handelsüblich)
  • Sprühflasche mit Wasser
  • Handttuch/Lappen

Aufbau

  • Grundlegend für den Aufbau ist die Höhe des Lasers, also fangen wir damit an. Der Laser sollte in der Horizontalen schwenkbar und leicht an- und abbaubar sein. Auf der nun resultierenden Höhe des Lasers bauen wir auf dem Podest das optische System des Sensors auf. Das sieht dann von oben zum Beispiel so aus:

Aufbau Regensensor, Draufsicht

  • Die 4 Pappquadrate sind zum Schutz der Glasscheibe zwischen der Scheibe und den Zwingen der Schraubzwingen angebracht. Mit dem improvisierten Schraubzwingenfüßen kann die Scheibe stehen und Sie setzen die beiden Dreiecksprismen in deutlichem Abstand voneinander an die Glasscheibe an.
    Tipp: An den Grenzflächen zwischen den Dreiecksprismen und den Glasscheiben sollten Sie etwas Öl auftupfen und die Bauteile aneinander drücken. Damit wird der sonst unvermeidliche Luftspalt vermieden und Sie erhalten nun ein brauchbares Ergebnis.
  • Den Schirm positionieren Sie zwischen den Prismen, um später ungewollte Brechungen und Reflexionen besonders bei der Justierung der Anlage abzufangen.
    Tipp: Wenn das Experiment im Beisein Anderer aufgebaut wird, sollten Sie einen größeren Schirm vor dem Aufbau plazieren, da insbesondere beim Strahlendurchgang im ersten Prisma Brechungen und Reflexionen auftreten, die in der obigen Ansicht nach unten links austreten.
  • In diesem Beispiel ist links oben der Laser montiert und rechts neben dem rechten Prisma erkennen Sie die Photozelle, die ich hier an dem Fuß der Scheibe "einhängen" konnte. Diese ist über die beiden Kabel mit dem Voltmeter verbunden.

Am Ende sieht dann alles so aus:
Aufbau Regensensor, frontale Ansicht

Durchführung

Zur Durchührung sind folgende Grobschritte einzuhalten:

  • der Aufbau muss justiert werden (Laserstrahl wird korrekt in Glasscheibe ein- und auf die Photozelle ausgekoppelt)
  • Stromversorgung von Laser und Voltmeter überprüfen
  • Schirme platzieren, falls noch nicht erfolgt
  • Raum verdunkeln (Licht aus oder dimmen)
  • falls gewünscht Auditorium um den Aufbau versammeln
  • Voltmeter in Betrieb nehmen und ggf. auf Null stellen (durch Restlicht haben wir sonst immer verschobene Anzeige)
  • Laser in Betrieb nehmen und Augenmerk auf die Anzeige des Voltmeters lenken
  • mit der Sprühflasche Wasser an die Aussenseite der Glasscheibe sprühen
  • Veränderungen der Anzeige am Voltmeter beobachten
  • Wasser von Scheibe wischen und wieder Anzeige am Voltmeter beobachten

Beobachtungen

Zu beobachten ist:
1: dass sich am Voltmeter ein von Null verschiedener Wert einstellt, wenn der Laser in Betrieb genommen wird. Zur Verdeutlichung kann der Laser intervallartig verdunkelt werden.
2: dass der Laserstrahl durch das eine Prisma in die Scheibe ein- und durch das andere Prisma wieder ausgekoppelt wird.
3: dass der Laserstrahl durch die Scheibe geleitet und an den Grenzflächen immer total reflektiert wird. Er tritt nämlich nirgendwo aus der Scheibe aus, was man leicht mit einem weißen Blatt Papier um den Aufbau herum überprüfen kann.
4: dass beim Aufsprühen des Wassers auf die Scheibe die am Voltmeter gemessene Spannung abfällt und nach dem Abwischen wieder ansteigt.

Auswertung

Die Auswertung beschränkt sich im Wesentlichen auf die letzten drei Beobachtungen. Die Detektion des Laserstrahls und die daraus resultierende Anzeige am Voltmeter (Beobachtung 1) sollten natürlich trotzdem kurz diskutiert werden.

  • Beobachtung 2: Der Laserstrahl wird über die Dreiecksprismen in die Scheibe eingelenkt und wieder ausgelenkt. Im Prinzip haben wir mit der Scheibe und den Prismen ein optisches System, deren Anfang und Ende die Planparallelität der Scheibe aufheben. Erst damit sind wir in der Lage den Laserstrahl von aussen unter einem Winkel in die Scheibe einzuleiten, dass Totalreflexion in der Scheibe auftritt.
    Dieses optische System gilt es im weiteren Unterrichtsverlauf zu zerlegen und Lichtwege an planparallelen Grenzflächen und auch an Prismen zu untersuchen. Dabei sollte der Begriff der Brechung eingeführt werden. Ferner können in diesem Abschnitt viele Begriffe der Strahlenoptik abgearbeitet werden; Lot, Einfalls-/Ausfallswinkel, Reflexion, Lichtweg, Umkehrbarkeit des Lichtweges und optische Dichte.
  • Beobachtung 3: Wir bemerken den Effekt der Totalreflexion an der Grenzfläche von Glas zu Luft. Mit dieser Beobachtung können wir weitere Experimente motivieren die nur eine Grenzfläche im Fokus haben. Üblicherweise greift man dabei auf den halbkreisförmigen Glaskörper zurück und erarbeitet damit den Grenzwinkel und die Bedingungen unter denen Totalreflexion auftritt. Weiter ist es sinnvoll auch das Wasser als optisches Medium im Vergleich zu Luft zu untersuchen. Daraus erhalten wir unterschiedliche Grenzwinkel für z. B. die Übergänge Glas-Luft und Glas-Wasser.
  • Beobachtung 4: Die Abhängigkeit der gemessenen Spannung am Voltmeter zur Menge des aufgesprühten Wassers resultiert eben aus den unterschiedlichen Grenzwinkeln der Übergänge Glas-Luft und Glas-Wasser. Offensichtlich tritt unter dem eingestellten Winkel beim Übergang Glas-asser wieder Brechung auf, wodurch ein Teil des Laserlichts "unterwegs" aus dem optischen System ausgekoppelt wird und die Photozelle nicht erreicht - also auch nicht von dieser detektiert werden kann. Das Resultat: es wird eine geringere Spannung gemessen.

Sicherheitshinweise

Es wird mit einem Laser gearbeitet - also ist stets darauf zu achten, dass das von ihm ausgesandte Licht niemandem in die Augen fällt. Das kann u. A. dadurch erreicht werden, dass der Aufbau horizontal aufgebaut und aussen herum durch Schirme abgeschirmt wird. Alternativ kann man das Experiment auch in einem größeren Karton aufbauen oder dergleichen. Vertikale Aufbauten sind ebenso realisierbar.

Sie werden mit dem Experiment an der Stromversorgung sein und mit Wasser hantieren. Achten Sie darauf, dass das versprühte Wasser möglichst nur auf der Glasscheibe landet und nicht in der Nähe von Netzteil, Voltmeter oder Steckdose.

Je nach Beschaffenheit oder Zustand der benutzten Glasscheibe, sollten Schnittverletzungen durch Benutzen von Arbeitshandschuhen vermieden werden.
Tipp: Sollten Sie keine Scheibe zur Hand haben, können Sie sich auch mit etwas Erfindungsgeist eine "Scheibe" aus Gelatanie selber gießen.

Literatur

  1. M. Wagenschein, Ursprüngliches Verstehen und exaktes Denken, 2. Auflage 1970, Klett, S 297-318
  2. Kircher/Girwidz/Häußler, Physikdidaktik - Theorie und Praxis, 2. Auflage 2009, Springer-Verlag
  3. Tipler/Mosca, Physik für Wissenschaftler und Ingenieure, 6. Auflage 2004, Spektrum Akademische Verlag