Licht als Fotonenströmung - RCL "Fotoeffekt"

Schülerinnen und Schüler experimentieren per Fernsteuerung mit einem traditionellen Lehrerdemonstrationsexperiment zur Erarbeitung des Fotonenmodells des Lichts. Die qualitative und quantitative Untersuchung des Fotoeffekts ist aufgrund seiner historischen und physikalischen Bedeutung ein fester Bestandteil des Physikunterrichts der Sekundarstufe II.

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe II
  • etwa 4 Stunden
  • Arbeitsblatt, Lernkontrolle, Experiment
  • 1 Arbeitsmaterial

Beschreibung der Unterrichtseinheit

In der Entwicklung der Fotonentechnologie fällt die theoretische "Grundsteinlegung" Einsteins auf den - historisch gesehen - halben Weg zwischen den ersten experimentellen Beobachtungen und dem Beginn der industriellen Fertigung von Solarzellen im späten 20. Jahrhundert. Didaktisch bedeutsam ist der Fotoeffekt, weil das Fotonenmodell des Lichts im Gegensatz zu Plancks theoretischer Beschreibung der Schwarzkörperstrahlung anhand einfacherer physikalischer Vorstellungen und mit Mathematikkenntnissen der Schule erarbeitet werden kann. Mit dem RCL "Fotoeffekt" können Schüler ein üblicherweise von der Lehrkraft durchgeführtes Demonstrationsexperiment auch zuhause in einfacher Weise durchführen. Darüber hinaus entfallen für die Lehrkraft experimentelle Probleme, wie die Beschränkung auf drei Farbfilter, der zeitaufwändige Versuchsaufbau oder unbrauchbare Messergebnisse durch Leckströme und gealterte Fotozellen. Die Zusammenhänge zwischen der Elektronenenergie und der Frequenz beziehungsweise der Intensität des Lichtes lassen sich mit dem RCL überzeugend und schnell untersuchen, so dass mehr Zeit bleibt für die Erklärung der Versuchsergebnisse im Wellen- und Fotonenmodell. Allerdings führt der Photoeffekt nicht zwingend zum Fotonenmodell des Lichts, weil keine einzelnen Fotonen nachgewiesen werden können. Weitere Information im Beitrag Quantenphysik mit einzelnen Photonen.

Didaktisch-methodischer Kommentar

Wellen- und Fotonenmodell des Lichts sind in ihrer Struktur sehr unterschiedlich: Ist beim Wellenmodell die Lichtenergie über den Raum verteilt, abhängig von der Amplitude und unabhängig von der Frequenz der elektromagnetischen Welle, so ist beim Fotonenmodell die Lichtenergie in einzelnen Fotonen konzentriert und frequenzabhängig. Schülerinnen und Schüler mit dem Fotoeffekt vom Wellen- zum Fotonenmodell zu führen, ist nicht einfach: Anhand eines Versuchs sollen relevante experimentelle Ergebnisse gewonnen und als im Wellenmodell nicht erklärbar erkannt werden. Das Fotonenmodell wird eingeführt und der Fotoeffekt damit erklärt. Die Unterrichtseinheit folgt diesem Weg und versucht die genannten Schritte zum besseren Verständnis für die Lernenden möglichst klar gegeneinander abzugrenzen. Das RCL "Fotoeffekt", eine Tabelle und Aufgaben sind dazu die wichtigsten Medien und Materialien dieser Unterrichtseinheit.

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Vermittelte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler sollen

  • qualitative Experimente zum Fotoeffekt deuten können.
  • Hypothesen zum Zusammenhang zwischen Größen des eingestrahlten Lichts und Größen der ausgelösten Elektronen formulieren.
  • den Zusammenhang zwischen der Energie der Elektronen und der Frequenz beziehungsweise der Intensität des Lichts mit dem RCL "Fotoeffekt" untersuchen.
  • begründet angeben können, welche Versuchsergebnisse zum Fotoeffekt sich im Wellenmodell nicht erklären lassen und wie diese im Fotonenmodell erklärt werden.
  • technisch-physikalische Anwendungen des äußeren und inneren Fotoeffekts kennen lernen.

Kurzinformation zum Unterrichtsmaterial

ThemaFotoeffekt und Fotonenmodell des Lichts
AutorSebastian Gröber
FachPhysik
ZielgruppeSekundarstufe II
Zeitraumetwa 4 Stunden
Technische VoraussetzungenComputer mit Internetanschluss in der Schule oder zuhause, javafähiger Browser
SoftwareTabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel), Computeralgebrasystem (zum Beispiel Maple) oder spezielles Datenanalyseprogramm (zum Beispiel Origin) für die Hochschule

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Sebastian Gröber

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