Geschwindigkeit von Licht - RCL “Lichtgeschwindigkeit”

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II
  • Teil 1 für Sekundarstufe I oder II: 3 Stunden Teil 2 für Sekundarstufe II: 3 Stunden
  • Arbeitsblatt
  • 1 Arbeitsmaterial

Schülerinnen und Schüler bestimmen mit einem Remotely Controlled Laboratory (RCL) eigenständig die Geschwindigkeit des Lichts nach der Laufzeitmethode. Die Unterrichtseinheit gliedert sich in einen ersten Teil für die Sekundarstufe I oder II und einen zweiten Teil für die Sekundarstufe II.

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Bereits Philosophen der Antike wie Empedokles (494-434 v. Chr.), Aristoteles (384-322 v. Chr.) und Heron von Alexandria (zwischen 200 und 300 v. Chr.), stellten Überlegungen und Mutmaßungen zur Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit an. Johannes Kepler (1571-1630) und René Descartes (1596-1650) hielten die Lichtgeschwindigkeit für unendlich, erst Olaf Christensen Römer (1644-1710) gelang 1676 der Nachweis der Endlichkeit. Heute kann an vielen Schulen mit Demonstrationsexperimenten die immer noch faszinierende Frage nach der Geschwindigkeit des Lichts experimentell untersucht und beantwortet werden. Der Foucaultsche Drehspiegelversuch ist jedoch vorbereitungsaufwändig für die Lehrkraft und enttäuschend im beobachteten Effekt für die Schülerinnen und Schüler. Auf einer Messung der Phasenverschiebung eines modulierten Lichtsignals beruhende Versuche sind für Lernende nicht einfach zu verstehen. Das RCL "Lichtgeschwindigkeit" arbeitet daher mit einem modifizierten Leybold-Versuch nach der auch für Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe I verständlichen Laufzeitmethode von Lichtimpulsen. Darüber hinaus können die Lernenden anhand selbst durchgeführter Messungen die Lichtgeschwindigkeit bestimmen.

Didaktisch-methodischer Kommentar

Teil 1: Sekundarstufe I und II

Im ersten Teil führt das Misslingen des Laternenversuchs von Galileo Galilei (1564-1642) in die Lichtgeschwindigkeitsbestimmung mit dem RCL ein. Das messtechnische Problem, die Lichtgeschwindigkeit zu bestimmen, wird thematisiert und die Laufzeitmethode eingeführt. Je nach Alter, Lernstand und Leistungsvermögen der Gruppe kann der c-Wert auf verschiedene Arten aus den Messdaten bestimmt werden:

  • rechnerisch aus einem einzigen Strecke-Zeit-Messwertpaar
  • rechnerisch aus einer Strecke-Zeit-Messwertreihe mit linearer Regression
  • graphisch aus einer Strecke-Zeit-Messwertreihe mit einer Ausgleichsgeraden

Eine Fehlerabschätzung des c-Werts kann über die lineare Regression oder nach dem Fehlerfortpflanzungsgesetz erfolgen. Messwerte des gesamten Kurses können mit digitalen Medien (zum Beispiel Wiki) zusammengetragen werden.

Teil 2: Sekundarstufe II (optional)

Der zweite Teil ist inhaltlich, fach- und lernmethodisch wesentlich anspruchsvoller als der erste Teil. Weitere Bestimmungsmethoden der Lichtgeschwindigkeit werden von den Schülerinnen und Schülern eigenständig mit Materialien (literaturliste_lichtgeschwindigkeit_schueler.pdf) erarbeitet und vorgetragen. Die Kenntnisse werden in einem Überblick zur Entwicklung der Messgenauigkeit des c-Werts (laufzeit_messgenauigkeit.pdf) zusammengefasst und vertieft. Ein abschließender Lehrervortrag zur Bedeutung der Lichtgeschwindigkeit in der Physik rundet die Unterrichtseinheit ab.

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Vermittelte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler sollen

  • die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit als messtechnisches Problem erkennen.
  • mit dem RCL "Lichtgeschwindigkeit" Messungen nach der Laufzeitmethode durchführen.
  • aus Strecke-Zeit-Messwertpaaren möglichst genau die Lichtgeschwindigkeit bestimmen und den Messfehler abschätzen.
  • sich mit geeigneten Materialien und Kenntnissen aus der geometrischen Optik und Mechanik weitere Bestimmungsmethoden (Olaf Christensen Römer, Hippolyte Fizeau, Jean Bernard Léon Foucault) erarbeiten und vortragen.
  • eine Vorstellung von der Bedeutung der Lichtgeschwindigkeit in der Physik gewinnen.

Kurzinformation zum Unterrichtsmaterial

ThemaBestimmung der Lichtgeschwindigkeit
AutorSebastian Gröber
FachPhysik
ZielgruppeSekundarstufe I (ab Klasse 10) und II
ZeitraumTeil 1 für Sekundarstufe I oder II: 3 Stunden Teil 2 für Sekundarstufe II: 3 Stunden  
Technische VoraussetzungenComputer mit Internetzugang und Beamer
SoftwareZeichenprogramm (zum Beispiel Paint) zur Auswertung des Oszilloskopbildes, Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel) zur Auswertung der Messdaten

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