In der Zeit bis zum Halbjahresende von 12.1 war im Physikkurs das magnetische Feld und hier insbesondere die Kraft auf einen Leiter im Magnetfeld und die Lorentzkraft behandelt worden. Zur Messung der magnetischen Kraftflußdichte an Drähten und Spulen wurde die Hall-Sonde eingesetzt und ihr Funktionsprinzip erklärt.
Bei der Umsetzung des BINGO-Themas des Halbjahres 12.2 "Licht und Farbe" wurde im Physikkurs die Vorstellung über die Ausbreitung des Lichtes als eine Wellenbewegung mit seinen Phänomenen, insbesondere die der Beugung und der Interferenz, behandelt.
Um eine Welle als einen räumlich und zeitlich periodischen Vorgang identifizieren zu können, war es vorbereitend notwendig, den SchülerInnen die gleichmäßige Kreisbewegung als zeitlich periodischen Vorgang nahezubringen. Die physikalischen Größen Periode, Frequenz und Winkelgeschwindigkeit lassen sich hierbei auf anschauliche Weise einführen. Da im Unterrichtsablauf zuvor die Lorentzkraft im Magnetfeld behandelt worden war, bot es sich an, Elektronen durch die als Zentripetalkraft wirkende Lorentzkraft auf eine Kreisbahn abzulenken (Fadenstrahlrohr) und mit den SchülerInnen die Ursache für die entstehende Kreisbewegung zu diskutieren. Um die Kreisbewegung für die SchülerInnen begreifbarer zu machen, wurde ein leichter Korken, der über einen durch ein Glasrohr gefädelten Bindfaden mit einem schwereren Korken verbunden war, durch periodische Bewegung des Glasrohres herumgeschleudert. Diesen Glasrohrversuch führten die SchülerInnen in Zweiergruppen durch. Unterstützt durch diesen anschaulichen mechanischen Versuch konnten die oben genannten periodischen Größen, einschließlich der Formel für die Radialkraft, problemlos eingeführt werden.
Die zuvor am Fadenstrahlrohr gemessenen Größen (Kreisbahndurchmesser, Beschleunigungsspannung, Kraftflußdichte über die Hall-Spannung) ermöglichten nun auch eine Bestimmung der spezifischen Ladung des Elektrons. Des weiteren wurde kurz auf die durch die Ablenkung hochenergetischer Elektronen und Protonen im magnetischen Erdfeld der Atmosphäre entstehenden Teilchengürtel eingegangen und die Entstehung des Polarlichtes erklärt.
Da die Vorstellung von Wellen immer mit den gekoppelten Schwingungen von Oszillatoren verbunden ist, war es das nächste Hauptziel, die SchülerInnen mit der harmonischen Schwingung eines mechanischen Oszillators und den Schwingungen von Spannung und Stromstärke im elektrischen Schwingkreis vertraut zu machen. Zum Verständnis des elektrischen Schwingkreises ist aber die Induktivität als Trägheitsgröße des elektrischen Stromes von zentraler Bedeutung. Daher wurde über Vorversuche, wie die Induktionsspannung bei der Relativbewegung von Stabmagnet und Spule sowie der Bewegung eines Leiters im Magnetfeld, die Induktion in ihren Abhängigkeiten untersucht. Das Induktionsgesetz konnte dann formuliert werden, wobei das negative Vorzeichen der Induktionsspannung über den Thomsonschen Ringversuch bestätigt wurde (Lenzsche Regel). Daß die Induktion auch auf den eigenen Leiterkreis wirkt (Selbstinduktion), wurde über Versuche an einer Spule mit hoher Induktivität gezeigt. In diesem Zusammenhang zahlte es sich aus, daß etwa die Hälfte der SchülerInnen schon in der Gruppenarbeitsphase des Halbjahres 11.2 mit Problemen der Induktion bei der Energieumwandlung konfrontiert war.
Ein Vergleich des aus Spule und Kondensator bestehenden elektrischen Schwingkreises mit der harmonischen Schwingung eines Fadenpendels machte die analoge periodische Energieumwandlung in beiden Fällen deutlich. Nachdem die Bewegung des Fadenpendels als senkrechte Projektion einer gleichmäßigen Kreisbewegung erkannt worden war, konnten die periodischen Größen auf das Pendel und im Rückschluß auch auf den elektrischen Schwingkreis angewendet werden.
Anschließend wurde über die Minimierung von Induktivität und Kapazität der Hertzsche Dipol als offener, hochfrequenter Schwingkreis erkannt, an dem zeitlich periodisch elektrische und magnetische Felder entstehen, die sich am Dipol abschnüren und sich periodisch im Raum ausbreiten (elektromagnetische Welle).
An einer Pendelkette und einer Torsionswellenmaschine wurde der Energietransport bei gekoppelten Oszillatoren studiert und festgestellt, daß die Oszillatoren nur um ihre Ruhelage schwingen, während die Energie in Ausbreitungsrichtung der Störung transportiert wird. Die hierbei unter den gekoppelten Oszillatoren auftretende räumliche Periode wurde als Wellenlänge bezeichnet, und es wurde geklärt, daß nach einer zeitlichen Periode die Störung um eine Wellenlänge vorangekommen ist. Damit konnte die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle beschrieben werden. Im Rahmen der Demonstration von Transversal- und Longitudinalwellen wurde über zwei Polarisationsfilter insbesondere gezeigt, daß das Licht die Eigenschaft einer zirkular polarisierten Transversalwelle besitzt. Die Interferenzerscheinungen von Wellen wurden sodann bei Wasserwellen in der Wellenwanne studiert. Mit Hilfe des Huygensschen Prinzips konnten dann die Beugung, die Reflexion und die Brechung erklärt werden.
Die so gewonnenen Wellenvorstellungen, insbesondere die der Beugung und Interferenz, wurden nun auf die Ausbreitung des Lichtes nach dem Durchgang durch einen Doppelspalt, ein Gitter und einen Einfachspalt angewendet. Über die Interferenz des Lichtes am Doppelspalt und am Gitter wurde hierbei sowohl die Wellenlänge eines als Lichtquelle aufgebauten Lasers bestimmt als auch das kontinuierliche Wellenlängenspektrum des weißen Lichtes einer Heliumlampe untersucht. Durch Ausmessung des über ein Rowland-Gitter erzeugten Interferenzmaximums erster Ordnung von weißem Licht konnten die SchülerInnen den Farbbereich des sichtbaren kontinuierlichen Spektrums zwischen den Wellenlängen 390 nm (violett) und 700 nm (rot) einordnen. Ein darüber hinausgehender Überblick über das gesamte elektromagnetische Spektrum ermöglichte den SchülerInnen, das sichtbare Licht mit seinem Farbspektrum im Gesamtspektrum einzuordnen und gegenüber anderen Strahlungsarten abzugrenzen.
Von den in der Gruppenphase angebotenen Themenstrukturen in den sieben Abteilungen sind "Licht und Beleuchtung" (Abteilung 1) und "Bild und Abbild" (Abteilung 2) mehr physikalisch-technischer Natur gewesen. Aber auch hier war der im Physikunterricht behandelte wellenoptische Aspekt nur von sekundärer Bedeutung. Da die Entstehung des Lichtes und die Bildentstehung gerade die quantenhafte Natur des Lichtes hervortreten lassen, wäre hier sicherlich eine physikalische Vorbereitung über den Teilchencharakter von Licht (lichtelektrischer Effekt) sinnvoller gewesen. Ohne die Kenntnis über die wellenmechanischen Größen Frequenz und Wellenlänge ist es aber nicht möglich, die Energie und den Impuls eines Lichtquants zu beschreiben. Daher mußte zunächst die Wellennatur des Lichtes erarbeitet werden. Der lichtelektrische Effekt (Photoeffekt) wurde jedoch nach der Gruppenarbeitsphase in 4 Unterrichtseinheiten zum Ende dieses Halbjahres im Physikkurs behandelt.
Da die Arbeitsgruppen sich in den Abteilungen in der Regel fächerübergreifend zusammensetzten, mußte jede Gruppe sich die fachwissenschaftlichen Aspekte ihres Themas selbständig oder mit der Hilfestellung des entsprechenden Fachlehrers erarbeiten. Eine gezielte fachliche Vorbereitung auf die einzelnen Themen war zumindest aus physikalischer Sicht nicht möglich und auch nicht angestrebt.
Fachüberschreitend |
Fachspezifisch |
Ablenkung hochenergetischer Elektronen und Protonen im magnetischen Erdfeld (Sonnenwind, Van Allen-Gürtel, Polarlicht) |
|
|
|
Technische Anwendungen elektromagnetischer Wellen
|
|
Wahrnehmungsbereiche des Menschen im elektromagnetischen Spektrum
|
Wellenlehre
|
|
Der lichtelektrische Effekt
|