Hinweise zum Unterrichtsverlauf und Materialien

Lernvoraussetzungen, Unterrichtsverlauf, Steckbrief des RCLs "Beugung und Interferenz" und Materialien zur Unterrichtseinheit

Lerngruppe und Methodik

Die Unterrichtseinheit stellt für eine flexiblere Verwendbarkeit in Kursen der Oberstufe (Einsatz in Grundkursen sowie in großen, leistungsschwächeren oder stark heterogenen Leistungskursen) einen Kompromiss zwischen lehrergelenkterem und freierem Experimentieren der Schülerinnen und Schüler dar:

  • Lehrergelenkteres Experimentieren

    In klassischer Weise wird zuerst der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge/Beugungsobjektgeometrie und den Maxima/Minima des Beugungsmusters durch Beobachten und Vermessen des Beugungsmusters mit einer Zentimeterskala behandelt. Anschließend wird die Abhängigkeit der Intensitätsverteilung des Beugungsmusters quantitativ durch Messungen mit einem Lichtsensor behandelt. Es wird jeweils vom Qualitativen zum Quantitativen und nach dem Schema Experiment - Theorie - Vergleich Experiment/Theorie vorgegangen.
  • Freieres Experimentieren

    Bei leistungsstärkeren Kursen, inhaltlich guter Vorbereitung des Themas (siehe Lernvoraussetzungen) und fachmethodisch geschulter Lerngruppe können einzelne Schülerinnen und Schüler oder Schülergruppen im RCL ohne inhaltliche, fachmethodische oder messtechnische Vorgaben Zusammenhänge erkennen und diese untersuchen, dokumentieren, präsentieren und diskutieren.

Lernvoraussetzungen der Unterrichtseinheit

Wünschenswert sind folgende Lernvoraussetzungen:

  • Beschreibung der Überlagerung von Schwingungen im Zeigermodell
  • Interferenz mechanischer Wellen (Interferenz zweier Kreiswellen in der Wellenwanne, Gangunterschied und Phasendifferenz zwischen Wellen, Bedingungen für Maxima und Minima)
  • Intensität mechanischer Wellen (Intensität proportional zum Amplitudenquadrat)
  • Eingeführtes Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel) oder Computeralgebrasystem (zum Beispiel MuPAD oder Maple) zum Vergleich experimenteller und theoretischer Daten

Themen und Unterrichtsverlauf im Überblick

  • Analogie/Vergleich zwischen Doppelspaltexperiment mit Licht und Interferenz zweier kreisförmiger Wasserwellen
  • Qualitative und quantitative Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Wellenlänge/Beugungsobjektgeometrie und Maxima/Minima des Beugungsmusters
  • Qualitative und quantitative Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Wellenlänge/Beugungsobjektgeometrie und Intensitätsverteilung des Beugungsmusters
  • Test zur Bestimmung der Geometrie unbekannter Beugungsobjekte und klassische Rechenaufgaben
Detaillierte Unterrichtsbeschreibung

Steckbrief RCL "Beugung und Interferenz"

Versuchsaufbau

Abb. 1 und Abb. 2 zeigen den beschrifteten Versuchsaufbau des RCLs "Beugung und Interferenz". Abb. 3 zeigt die Laborseite mit Webcambildern und dem Bedienfeld.

Beobachtung des Beugungsmusters auf einem Schirm mit einer Webcam (Aufbau ohne Verdunklungskasten)
+Abb. 1: Beobachtung des Beugungsmusters auf einem Schirm mit einer Webcam (Aufbau ohne Verdunklungskasten)
Lichterzeugung und positionierbare Beugungsobjekte; RCL "Beugung und Interferenz"
+Abb. 2: Lichterzeugung mit Lasern und positionierbare Beugungsobjekte
Laborseite des RCLs "Beugung und Interferenz"
+ Abb. 3: Laborseite des RCLs "Beugung und Interferenz"

Experimentiermöglichkeiten

  • Qualitative und quantitative Messungen zum Zusammenhang zwischen Wellenlänge, Spaltanzahl, Spaltbreite, Spaltabstand und Intensitätsverteilung des Beugungsmusters
  • Quantitative Untersuchung des Auflösungsvermögens eines Gitters
  • Bestimmung der Geometrie unbekannter Beugungsobjekte

Mehrwert

  • Anzahl der Beugungsobjekte

    Etwa 150 Beugungsobjekte ermöglichen vielfältige experimentelle Möglichkeiten zur Untersuchung der Beugung und ein eigenständigeres Experimentieren der Schülerinnen und Schüler.
  • Qualität der Beugungsmuster

    Elektronenlithographisch hergestellte Beugungsobjekte erzeugen hochwertige und ästhetische Beugungsmuster.
  • Ferngesteuerter Beugungsobjektwechsel

    Ein schneller und direkter Vergleich von Beugungsmustern ist durch den ferngesteuerten Beugungsobjektwechsel und die Speicherung von Bildern der Beugungsmuster möglich.
  • Mehrere Messmethoden

    Je nach Lernstand der Gruppe kann unter drei Messmethoden "Qualitatives Beobachten und Vergleichen von Beugungsmustern", "Vermessung des Beugungsmusters mit Zentimeterskala" und "Intensitätsmessung mit Lichtsensor" gewählt werden.
  • Seltene Schulexperimente

    Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Wellenlänge (fünf Laser) und Beugungswinkel und des Zusammenhangs zwischen Anzahl der Spalte und Höhe/Breite der Intensitätsmaxima; quantitative Untersuchung des Auflösungsvermögens eines Gitters.
  • Modulation des Beugungsmusters

    Die Geometrie der Beugungsobjekte wurde so gewählt, dass das mit der Intensitätsverteilung des Spalts modulierte Beugungsmuster gut beobachtet werden kann.

Materialien zur Unterrichtseinheit

Intensitätsverlauf des Beugungsmusters - Experiment und Theorie

Simulationen erlauben keinen direkten Vergleich zwischen experimentellen und theoretischen Daten des Intensitätsverlaufs von Beugungsmustern (kein Datenimport, keine anpassbare x- und y-Achse). Besser geeignet sind in zunehmendem Maße an Schulen in Mathematik und Physik eingesetzte Computeralgebrasysteme (CAS) wie zum Beispiel MuPAD. Im RCL als TXT-Datei abgespeicherte Messdaten einer Intensitätsmessung lassen sich mit entsprechenden Befehlen importieren und gemeinsam mit dem theoretischen Intensitätsverlauf in einem Diagramm darstellen und vergleichen.

Theoretischer Intensitätsverlauf eines Beugungsmusters, erstellt mit MuPAD
+Abb. 4: Vergleich der Messdaten mit dem theoretischen Intensitätsverlauf

Die MuPAD-Datei "vergleich_experiment_theorie.mn" (Abb. 4) erlaubt den Vergleich experimenteller und theoretischer Daten des Intensitätsverlauf des Beugungsmusters eines Gitters. Die Datei "animation_intensitaetsverteilung.mn" erlaubt die Animation des theoretischen Intensitätsverlaufs anhand jeweils eines Parameters (Wellenlänge, Spaltanzahl, Spaltbreite, Spaltabstand oder Abstand Beugungsobjekt-Schirm).

Weiterführende Themen

Die Wellenoptik lässt sich in der gymnasialen Oberstufe durchaus auf die Thematisierung von Maxima/Minima des idealen Doppelspalts und Gitters mit verschwindend kleinen Spaltbreiten reduzieren - allerdings mit negativen Folgen für die Anschlussfähigkeit des erworbenen Wissens. Annäherungen an diesen Extremfall sind in Grundkursen, aufgrund von Zeitmangel oder von zu wenigen verfügbaren Beugungsobjekten, zu beobachten. Ein auf experimentellen Erfahrungen basierendes gefestigtes Grundlagenwissen zur Beugung und Interferenz ist Voraussetzung für ein Verständnis weiterführender Themen in Schule und Hochschule:

  • Physikorientierte Themen

    zum Beispiel Auflösungsvermögen optischer Instrumente, Fourieroptik, Röntgenbeugung, Kristallographie
  • Naturbezogene Themen

    zum Beispiel farbige Flügel von Schmetterlingen, Kränze um Sonne oder Mond, Farberscheinung am Spinnennetz, Interferenzerscheinungen beim Regenbogen
  • Anwendungsorientierte Themen

    zum Beispiel Holographie, Gitterspektrometer
Literatur
Autor
Avatar Sebastian Gröber

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