Optik - Ameise

Bühnenshow

Zeitbedarf:

8 Stunden

Zielsetzung:

In dem vorliegenden Material unter der Überschrift Bühnenshow (oder Theaterbeleuchtung) mit Scheinwerfern geht es um einen anwendungsorientierten Zugang zur Untersuchung von Reflexion, Streuung, Linse und Lichtzerlegung.

Dabei werden in den Materialien einerseits die angestrebten Kompetenzen entsprechend KC ausführlich beschrieben, andererseits wird eine experimentell orientierte Unterrichtseinheit skizziert. Anders als bei vielen Materialien in diesen Handreichungen werden keine ausgestalteten Arbeitsblätter vorgelegt.

Optik aus der Sicht einer Ameise

Zeitbedarf:

3 Stunden

Zielsetzung:

Die Vorstellungen, die sich die meisten Lernenden der 5./6. Jahrgangsstufe von der Ausbreitung des Lichtes machen, unterscheiden sich fundamental vom physikalischen Modell des Lichtstrahls bzw. des Lichtweges. Als besondere Schwierigkeit erweist sich, dass das Licht zwischen Sender und Empfänger nicht direkt sichtbar ist,

Didaktische Untersuchungen zeigen, dass sich die beiden Vorstellungen nicht bruchlos ineinander überführen lassen. Experimentelle Ausblendungen von engen Lichtbündeln als Annäherung an „Lichtstrahlen“ helfen der Mehrzahl der Lernenden nicht, eine Vorstellung zu entwickeln, die als physikalisches Modell dienen kann. D.h. viele Lernende können auf der Basis dieser Anschauung keine Erklärung für Phänomene bzw. Vorhersagen über Versuchsausgänge entwickeln. Zwischen Alltagsvorstellungen und physikalischem Modell klafft also ein Bruch, der sich nicht ohne weiteres überbrücken lässt. Es hat sich bewährt, diesen Bruch zu akzeptieren und nicht zu versuchen, mit dem Modell des Lichtstrahls an Schülervorstellungen zur Lichtausbreitung anzuknüpfen.

Die Entwicklung der Vorstellung von geraden Lichtwegen zwischen Sender und Empfänger (s. Veröffentlichungen von Lutz Schön- Humboldt-Uni Berlin) greift stattdessen die Seherfahrungen der Lernenden auf. (Man kann nicht um die Ecke sehen.) Im Unterricht ist darauf zu achten, dass dabei nicht die Fehlvorstellung von Sehstrahlen unterstützt wird.

Einführende Versuche zur Schattenbildung mit großen Schattengebern werden so gestaltet, dass die Lernenden beim Abgrenzen von Schattenbereichen im Raum ihr Auge bewusst als Detektor einsetzen können. Bei Experimenten in kleinerem Maßstab (z. B. Schülerexperimente) muss auch der „Detektor“ verkleinert werden, um die Schattenbereiche punktförmig abzurastern. Zu diesem Zweck müssen sich die Lernenden in einem Gedankenexperiment in die Rolle einer Ameise versetzen, die über einen Schirm kriecht und in die Richtung der Lichtquelle schaut. Vor der Durchführung des Schülerexperimentes werden die Lernenden aufgefordert, mit Hilfe der Ameise die Begrenzung der Schattenbereiche auf dem Schirm vorherzusagen, indem sie die Punkte markieren, in denen die „vorgestellte“ Ameise die Lichtquelle sehen bzw. nicht sehen kann.

Da die Ameise lediglich als Detektor verwendet wird, der Punkte markiert, in denen Licht auftrifft, wird der Fehlvorstellung von Sehstrahlen entgegen gewirkt. Die altersgemäße Vorstellung einer lebendigen Identifikationsfigur ermöglicht es, eigene Seherfahrungen der Lernenden anzusprechen.

Um die zweidimensionale Darstellung des dreidimensionalen Schattenraums vorzubereiten, wird das beschriebene Gedankenexperiment[1] mit verschiedenen Schirmabständen wiederholt und jeweils im Realexperiment verifiziert. In dem abschließenden Experiment wird die erste Position des Schirms erneut betrachtet. Zusätzlich werden die Schattengrenzen auf dem Blattboden eingezeichnet, so dass die Lernenden erkennen können, dass sämtliche markierte Fußpunkte auf diesen Linien liegen. Diese Erkenntnis ermöglicht Vorhersagen über Schattengrenzen bei bisher nicht betrachteten Schirmabständen.

In einem nächsten Abstraktionsschritt können die Lernenden diese Grenzen auf dem Blattboden mit dem Geodreick zeichnen, wenn sie sich nicht nur den Detektor (Ameise) sondern auch die Lichtquelle punktförmig vorstellen.

Wenn die Lernenden auch Versuchsaufbauten in abstrahierter, zweidimensionaler Form darstellen können, sind sie in der Lage auch bei komplexeren Schattenphänomenen, wie z. B. Doppelschatten Vorhersagen und Erklärungen mit Hilfe der Vorstellung von der Ameise zunehmend selbstständiger zu entwickeln.

Nachdem die Vorstellung der Ameise als Detektor im Bereich der Schattenphänomene erlernt worden ist, kann sie auch bei Konstruktionen zu den Eigenschaften der Bilder bei Lochblende und Spiegel angewendet werden. Schließlich werden die Lernenden nach und nach von dem Hilfsmittel Ameise unabhängig.

(Es ist nicht unwahrscheinlich, dass sich so außerdem die Versuche zum Verlauf von Lichtbündeln u.a. an Grenzflächen gezielt in ein konsistentes physikalisches Modell des Lichts, das von der Seherfahrung ausgeht, einbinden lassen. Wenn die Schüler erleben, dass sie experimentelle Erfahrungen parallel mit dem Modell/der Theorie zum Erkenntnisgewinn aktiv nutzen können, wäre damit eine Basis dafür zu schaffen, dass sie beide Erkenntniswege in der für die Physik typischen Weise aufeinander beziehen und weiterentwickeln.)

KURT GEHRMANN, 2014