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Inhaltsverzeichnis
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1. "Sehen" und "Gesehen werden" - Selbstleuchtende und beleuchtete Körper
Von Natur aus ist der Mensch mit Augen zum Sehen ausgestattet. Alles das, was man mit dem Auge wahrnimmt, bezeichnet man mit Licht. In einem vollständig dunklen Raum kann man nichts sehen. Die Augen sind ausschließlich Empfänger für Licht, aber Sender von Licht. |
Lichtstrahl und Lichtbündel | ||||
Körper, die Licht aussenden, werden selbstleuchtende Körper genannt. Man kann selbstleuchtende Körper ohne weitere Hilfsmittel in einem absolut dunklen Raum sehen. Zu den selbstleuchtenden Körpern gehören: • Sonne und Sterne, • Flammen (brennende Gase), • Glühende feste Stoffe (Kohle, Wunderkerzen, Glühlampen, Leuchtdioden, Laser ) • Glühende Flüssigkeiten (Lava • Leuchtende Gase (Polarlicht • Biologisch erzeugtes Licht (Glühwürmchen • Extrem stark strahlende radioaktive Stoffe.
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Selbstleuchtende Körper | |||||
Andere Körper kann man nur sehen, wenn sie von einem selbstleuchtenden Körper beleuchtet werden. Zu den beleuchteten Körpern gehören: • Erde, Mond und die Planeten • Bücher, Tisch und Stühle • Wasser, Luft und vieles andere mehr.
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2. Bemerken braucht Unterschiede - Idee der Forschung Aus Erfahrung weiß man, dass Gegenstände unterschiedlich aussehen. Dashalb haben diese beleuchteten Körper unterschieliche Namen, je nachdem, wie sie sich beim Beleuchten durch eine Lichtquelle verhalten. Man kann nur etwas sehen, wenn es sich von etwas anderem unterscheidet. So kann man Luft normalerweise nicht sehen. Wenn aber heiße Luft über einer brennenden Kerze flimmert, kann man sehen, dass da noch eine „etwas andersartige“, kalte Luft ist. Nur wer Unterschiede erkennt, kann Forschen. Um sich mit andern über die Unterschiede in der Natur verständigen zu können, bekommen die unterschiedlichen Beobachtungen eigene Namen. |
Bemerken braucht Unterschiede | ||||
Kann man eine Lichtquelle scheinbar unbehindert durch einen Körper betrachten, so ist er durchsichtig. Kann man jedoch die Lichtquelle nicht sehen, so nennt man ihn undurchsichtig. Kann man die Lichtquelle hinter dem Gegenstand nur verschwommen sehen, so nennt man ihn transparent (durchscheinend). Eine besonderen Fall gibt es bei den undurchsichtigen Körpern vor. Hinter dem Körper sieht man die Lichtquelle nicht. Wenn man aber von der Seite der Lichtquelle in geeigneter Richtung auf den Körper blickt, so sieht man die Lichtquelle so, als ob sie hinter dem Körper zu stehen scheint. Solche Körper nennt man spiegelnd (reflektierend).
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Verhalten beleuchteter Körper | |||||
Bild: beleuchtete Gegenstände
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undurchsichtig, durchsichtig, transparent, durchscheinend spiegelnd, reflektierend
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Der Weg der Lichtstrahlen kann als verschiedene Verläufe annehmen. Von einer punktförmigen Lichtquelle streben sie aus einander, sie verlaufen divergent. Wenn sie jedoch auf einen Punkt zulaufen, nennt man sie divergend. Laufen sie nebeneinander her, so nennt man sie parallele Lichtstrahlen. Kommensie von verschiedenen Lichtquelle und kreuzen sich vollkommen regellos, so sind sie diffus angeordnet
Bild: Arten des Verlaufs von Lichtstrahlen
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Strahlengang: parallel, divergent, konvergent, diffus |
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3. Forschung am Beispiel des Lichts
Hat man eine Idee, welche Zusammenhänge in der Natur bestehen, muss man diese Zusammenhänge durch Experimente beweisen. Dazu trifft man geeignete Anordnungen der zu untersuchenden Gegenstände und verändert diese auf verschiedene Weisen. Das geschieht in häufig in einem Labor. Will man untersuchen, wie Licht von einer Lichtquelle zu unseren Augen gelangt, so muss man Fragen in Form von Experimenten an die Natur stellen. Man muss die Fragen und damit auch die die Experimente einfach gestalten, damit man die Antwort der Natur eindeutig verstehen kann. Die Frage des Forsches besteht in einer Handlung, einer Aktion (lat . actio Handlung). Die Antwort der Natur wird Reaktion genannt und ist eine Folge der Handlung des Forschers. |
Experiment Aktion - Reaktion |
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Experimente sind fast immer nach einem einfachen Schema aufgebaut. Es gibt einen abgegrenzten Raum und darin einen Sender, einen geeigneten Empfänger und einen Raum zwischen Sender und Empfänger, der bestimmte Eigenschaften hat. Alles an dem Experiment darf und muss letztendlich verändert werden, um herauszufinden, welche Gesetzmäßigkeiten zwischen Sender, Empfänger und dem Zwischenraum bestehen.
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Spielfeld: Sender, |
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"Forschen" ist somit eine Art des "Spielens" mit dem Mitspieler "Natur", wobei die Spielregeln der Natur, die Naturgesetze, unbekannt sind. Es gilt beim Forschungsspiel die Spielregeln zu finden. Forschen unterscheidet sich daher vom Spielen, da beim Spielen die Spielregeln bekannt sind und an der Spielanordnung und den festgelegten Spielregel nichts verändert werden darf. Beim Forschen darf und muss man sogar den Sender , den Empfänger oder den Raum zwischen Sender und Empfänger verändern, um die Regeln herauszufinden, nach denen die Natur "spielt".
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Forschen und Spielen | |||||
Den abgegrenzten Raum bezeichnet man in den Naturwissenschaften mit dem Begriff System, den Rest der Natur nennt man Umgebung. Zwischen System und Umgebung liegt die Systemgrenze. Die Systemgrenze kann verschiedene Eigenschaften besitzen, was durchgelassen wird. Ein System lässt sich nicht vollständig vom Rest der Natur abtrennen. Es ist daher sehr wichtig im Auge zu behalten, ob und wenn ja, wie die sich Umgebung und System gegenseitig beeinflussen.
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System, Systemgrenze, Umgebung; | |||||
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4. Optik - optisches Experiment Für optische Experimente benötigt man verschiedene Lichtquellen (Glühlampen oder Laser) und verschiedene Lichtempfänger (Augen oder Kameras). Außerdem benötigt man einen Raum aus dem man alle anderen Lichtquellen entfernen kann, um nur eine Lichtquelle untersuchen zu können. Außerdem benötigt man verschiedene nicht leuchtende Gegenstände, die den Weg des Lichtes beeinflussen können. |
Optik- optisches Experiment | ||||
Als Erstes versucht man ein Experiment aus möglichst wenigen, einfachen Teilen zusammenzustellen. Dazu verdunkelt man eine Raum vollständig. Obwohl geeignete Lichtempfänger, die Augen, da sind, sieht man nichts. Daran erkennt man, das man drei Dinge benötigt, um die Ausbreitungsgesetze für Licht herauszufinden. Erst wenn man eine Lichtquelle, (Glühlampe, Leuchtdiode, brennendes Streichholz) in den Raum bringt, kann man etwas sehen. Dann sehen aber alle Augen im Raum gleichzeitig das Licht, vorausgesetzt, nichts befindet sich zwischen der Lichtquelle und den Augen. Nun kann man statt der Augen einen Fotoapparat oder eine Videokamera nehmen und versuchen herauszufinden, ob diese Geräte sich wie das Auge verhalten. Dann kann man verschiedene Gegenstände in den Raum bringen und die Auswirkung auf den Weg des Lichtes beobachten. Als Letztes muss man auch andere oder zusätzliche Lichtquellen in den Raum bringen, so wie man vorher viele Augen im Raum hatte.
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Einfache Experimente sorgfältige Beschreibung der Beobachtungen |
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5. Naturwissenscaftliches Protokoll Und Immer muss man die gemachten Beobachtungen möglichst genau beschreiben, so dass auch jemand, der das Experiment nicht selbst mach genau weiß, was geschehen ist. Das geschieht in einem naturwissenschaftlichen Protokoll . Methode: naturwissenschaftlichen Protokoll
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Naturwissenschaftliches Protokoll | ||||
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6. Gesetze der Ausbreitung des Lichts (geometische Optik) Um die Lichtausbreitungsgesetze zu finden, muss man Experimente machen. Dazu benötigt man Lichtquellen (Sender), Kegel aus Pappe mit Löchern drin zum Stören der Lichtausbreitung (Raum) und Wände (Empfänger), auf die das Licht trifft, das durch die Pappkegel nach außen dringt.
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Experiment 1: Man entfernt von einer Taschenlampe der Kopf, so dass die Glühbirne frei liegt. Ist die Glühbirne an, so kann man um sie herum gehen und sieht das Licht von allen Seiten. Beobachtung 1: In allen Raumrichtungen stehende Personen können eine punktförmige Lichtquelle sehen, vorausgesetzt, es befindet sich kein nicht-leuchtender Gegenstand zwischen der Lichtquelle und den Augen.
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Allseitige Ausbreitung | |||||
Experiment 2: Deckt man die Glühlampe mit einem Pappkegel ab, in dem sich beliebig geformte Löcher befinden, so haben die Lichtflecken an der Wand die gleiche Form wie die Löcher und die gleiche Anordnung der Löcher zueinander. Um das zu überprüfen, zeichnet man auf einem Stück Pappe mit einem Lineal eine Geraden. Auf die Gerade spießt man senkrecht gleich tief mehrere Stecknadeln. Anschließend bewegt man die Lampe so, dass der Schatten der ersten Stecknadel auf den Kopf der zweiten fällt. In dieser Position fällt kein Licht mehr auf irgendeine Stecknadel dahinter, alle Nadel auf der Geraden befinden sich zugleich im Schatten. Beobachtung 2: Von einer Lichtquelle wird nur der erste einer Reihe von Gegenständen wird nur der nächste beleuchtet, wenn sie exakt in einer geraden Linie hintereinander stehenden.
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Geradlinige Ausbreitung | |||||
Experiment 3: Hierzu benötigt man zwei Lichtquellen im gleichen Raum, die wie die Taschenlampe in Exp. 1 vorbereitet ist. Jede Lampe erzeugt mit ihrem Pappkegel ihr eigenes Bild. Wenn beide Lampen gleichzeitig an sind, werden auch beide Bilder vollständig an der Wand entstehen, ohne dass irgend ein Lichtfleck durch einen anderen ausgelöscht wird. Beobachtung 3 : In allen Raumrichtungen stehende Personen können eine zwei punktförmige Lichtquelle gleichzeitig sehen, vorausgesetzt, es befindet sich kein Gegenstand zwischen der Lichtquellen und den Augen.
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Störungsfrei Durchdringung | |||||
Experiment 4: Hierzu leuchtet man die Taschenlampe eine Stecknadel an und beobachtet den Schatten auf einem Auffangschirm. Hinter die erste Nadel steckt man mindestens 2 weitere Nadeln so, das sie alle zusammen nur einen gemeinsamen Schatten bilden. Bewegt man nun Lichtquelle auf die andere Seite, ohne die Stecknadel zu bewegen, so findet man eine Stelle bei der wieder nur ein Schatten entsteht. Die Lampe befindet sich dann genau dort, wo vorher der Schatten war. Beobachtung 4: Die Lichtquelle beleuchtet nur den ersten einer Reihe von Gegenständen, wenn sie exakt in einer geraden Linie hintereinander stehenden. Bewegt man die Lichtquelle auf die andere Seite der Linie dorthin, wo der Schatten war, so wird nur der nun vorher letzte Gegenstand beleuchtet. Die dazwischen liegenden Gegenstände werden nie beleuchtet.
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Umkehrbarkeit des Lichtweges | |||||
Ausbreitungsgesetze für Licht: • Von einer punktförmigen Lichtquelle breitet sich Licht nach allen Seiten hin aus. • Licht breitet sich geradlinig aus. • Lichtstrahlen können sich kreuzen, ohne sich zu behindern. • Der Lichtweg ist umkehrbar.
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4 Ausbreiungsgesetze | |||||
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Skizze | |||||
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Verfasser: Dr. K.-G. Häusler;
Lernkarteikarten: K13-14_P_licht_lichtausbreitung.doc Word-Dokumente:
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