Vermessung der Spektren von Energiesparlampen

Unterrichtseinheit

Spätestens seit die Europäische Union das Ausstiegsszenario für die Glühlampe eingeläutet hat, ist die Energiesparlampe in aller Munde. Fragen wie „Nach welchem Prinzip funktioniert eine Energiesparlampe?“ und „Welches sind die spektralen Bestandteile des Lichts von Energiesparlampen?“ sind deshalb für den schulischen Physik- und Chemieunterricht von großer Aktualität.

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe II
  • 2-5 Stunden
  • Arbeitsblatt interaktiv
  • 1 Arbeitsmaterial

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Spektren von Energiesparlampen lassen sich auf der Basis der hier bereitgestellten Materialien im Oberstufenunterricht unter Einsatz geeigneter Software von Schülerinnen und Schülern mit großer Präzision in Eigentätigkeit konstruieren und vermessen. Aus solchen Spektren können dann Kenntnisse über die Lichtentstehung durch Quantensprünge von Elektronen in den Atomhüllen von Quecksilberatomen und Informationen zur Fluoreszenz in Leuchtstoffen und Farbstoffen extrahiert werden. Als Kalibrierspektren, das heißt als "Wellenlängen-Normale", dienen dabei die Spektren von Wasserstoff- und Quecksilberspektrallampen, wie sie in schulischen Physiksammlungen üblicherweise vorhanden sind. Alle in der Unterrichtseinheit einzusetzenden Spektren stehen als fotografische Spektren in Form von digitalen Bilddateien als Download zur Verfügung. Die Fotos wurden mit einer digitalen Spiegelreflexkamera (Canon EOS1000D) an einem DADOS-Spaltspektrograph aufgenommen. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch einen Beitrag aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt. Dieser skizziert die Diskussion um die Energiesparlampe und stellt die "Chemie dahinter" vor. Zudem werden Technik und Potenziale der LEDs vorgestellt.

Didaktisch-methodischer Kommentar

Das Minimalziel der Unterrichtseinheit, die Konstruktion des Spektrums einer Energiesparlampe mit Ermittlung der Wellenlängen der im Spektrum beobachtbaren Emissionslinien mit einer Genauigkeit von etwa einem Nanometer, ist in nur einer Doppelstunde zu realisieren. Der Zeitaufwand vergrößert sich naturgemäß, wenn man deutlich präzisere Ergebnisse anstrebt. Gleiches gilt, wenn man die Thematik in größere Zusammenhänge einbetten möchte. Dabei geht es dann um Aufbau und Funktionsprinzip von Energiesparlampen und um die Wirkungsweise ihrer Leuchtstoffe. Informationen zu diesen Themen finden Schülerinnen und Schüler im Internet. Für einen ersten Überblick gibt der folgende fachliche Kommentar eine kurze Einführung in die Thematik "Leuchtstoffröhre". Die Begriffe "Energiesparlampe" und Leuchtstoffröhre" werden dabei synonym gebraucht.

  • Fachlicher Kommentar: Leuchtstoffröhren
    Allgemeine Informationen zu Energiesparlampen und Leuchtstoffröhren und dazu, wie diese UV-Licht in sichtbares Licht verwandeln
  • Aufnahme und Vermessung der Spektren
    Eine ausführliche Anleitung, Spektren der Kalibrierlampen und der zu vermessenden Energiesparlampen sowie eine Beispielauswertung können Sie hier herunterladen.
  • GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema
    Der GDCh-Artikel skizziert die Diskussion um die Energiesparlampe und stellt die "Chemie dahinter" vor. Zudem werden Technik und Potenziale der LEDs vorgestellt.

Download

Vermittelte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler sollen

  • Aufbau und Funktion von Energiesparlampen beschreiben und erklären können.
  • die Wirkungsweise der Leuchtstoffe und deren Beitrag zur Energie-Effizienz verstehen.
  • einen Gitterspektrographen anhand der bekannten Spektren von atomarem Wasserstoff und von Quecksilber kalibrieren.
  • aus digitalen Bilddateien die Emissionsspektren von Leuchtstofflampen in Form einer Funktion extrahieren, welche jeder Wellenlänge im sichtbaren Bereich eine Intensität zuordnet.
  • in Energiesparlampenspektren die Emissionslinien von Quecksilber erkennen.

Kurzinformation zum Unterrichtsmaterial

ThemaVermessung der Spektren von Energiesparlampen
AutorenSteffen Urban, Peter Stinner
FächerPhysik, Chemie
ZielgruppeSekundarstufe II
Zeitraum2-5 Stunden
Technische VoraussetzungenRechner mit Internetzugang für die Recherche zum Thema und für die Erstellung und Auswertung der Spektren
SoftwareAstroart-Demoversion (kostenfreier Download, siehe Internetadresse), Tabellenkalkulation (bevorzugt MS-Excel)

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