… aus dem Physiksaal
© 2011 - 2021  Sven H. Pfleger

Der mobile Physiksaal: Optik

Das   „zum   Sehen   gehörende“   Teilgebiet   der   Physik   wird   klassisch   weiter   in   geometrische   Optik   und   Wellenoptik   unterteilt.   Damit   wären   jedoch die einzelnen Kurse noch sehr überladen und die ganze Welt der Optik in zwei Kursabschnitte einzuteilen doch etwas zu ambitioniert ausgelegt. Statt dessen soll aufbauend auf einfachen Zusammenhängen ein möglichst breit gefächerter Einblick in die Optik geschaffen werden. Hinweis   zu   den   Optik-Kursen   des   Physiksaals:   Obwohl   es   ziemlich   verlockend   ist,   moderne   Laser   und   Laserdioden   auch   für   entsprechende Versuche    mit    Kindern    und    Jugendlichen    einzusetzen,    verzichtet    der    Physiksaal    vollständig    darauf.    Die    Gefahren,    die    auch    noch    von    den sogenannten schwachen Lasern ausgehen, lassen deren Einsatz als unverantwortlich erscheinen.

Lichtausbreitung

Licht   und   Schatten   bestimmen   den   ersten   Kursteil   zur   Optik.   Zunächst   soll   die geradlinige   Lichtausbreitung   im   Alltag   erforscht   und   dabei   erste   geometrische Erkenntnisse    gewonnen    werden.    Dazu    braucht    es    einfache    Lichtquellen,    in diesem Fall Taschenlampen und Raumlicht. Die   Schattenbildung   bestimmt   dann   den   weiteren   Kurs,   immerhin   Grund   für   Tag und    Nacht    auf    der    Erde.    Gesetzmäßigkeiten    zum    Abstand    und    der    daraus resultierenden   Schattengröße,   aber   auch   Abbildungen   und   Schatten   mehrerer Lichtquellen sollen beobachtet werden.

Reflexion und Brechung

Die    Lichtbrechung    und    Reflexion    an    entsprechenden    Oberflächen    und    in transparenten Materialien ist Thema dieses Abschnitts zur Optik. Vorwiegend     Spiegel     werden     Modellhaft     die     entsprechenden     Beziehungen verständlich   machen,   wobei   entsprechende   Quellen   mit   parallel   ausgerichteten Lichtstrahlen eingesetzt werden. Die     dabei     gewonnenen     Erkenntnisse     leiten     direkt     über     zum     nächsten Kursabschnitt,      den      optischen      Linsen.      So      wird      vermieden,      dass      die Linsenbrechung   als   ein   zu   abstrakter   Vorgang   aufgefasst   wird   und   dann   in   Folge leichter verstanden werden kann.

Optische Linsen

Mit   der   Vorbereitung   aus   dem   zweiten   Kursteil   ist   die   Beschäftigung   mit   den Linsengesetzen auf Basis der geometrischen Optik jetzt das Ziel. Dazu     stehen     Linsenmodelle     verschiedenster     Form     zur     Verfügung     -     um, wiederum     mit     parallelen     Lichtstrahlen     aus     der     entsprechenden     Quelle, Experimente und Beobachtungen durchzuführen. Begriffe   wie   Brennweite   oder   Strahlengang   sollen   so   im   Experiment   erschlossen werden.    Der    formelmäßige    Zusammenhang    lässt    sie    hier    besonders    gut erarbeiten und aus den Versuchsergebnissen ableiten.

Optische Geräte

Die   Kombination   aus   Brechung,   Reflexion   und   Abbildung   macht   überhaupt   erst zahlreiche   optische   Geräte   möglich.   Deren   Aufbau   und   Funktionsweise   soll   in diesem   Kursteil   breiten   Raum   erhalten   -   macht   sie   doch   begreiflich,   welchen enormen Nutzen zum Beispiel Spiegel und Linsen für unseren Alltag haben. Ob   Projektor   (egal   ob   Dia-,   Film-   oder   Beamer-Projektor),   Fernrohr,   Mikroskop oder   zum   Beispiel   auch   Fotoapparat   (und   auch   hier,   ganz   egal   ob   analog   oder digital):     Ihre     grundsätzliche     Funktion     soll     an     entsprechenden     Modellen erarbeitet    und    so    verstanden    werden.    Ein    Objektiv    ist    eben    keine    bloße Ansammlung von Glaslinsen!

Auge und Sehen

Ohne   den   Sinneseindruck   „Sehen“   und   ohne   Augen   keine   Optik.   Das   komplexe optische   Instrument   Auge   ist   Gegenstand   der   in   diesem   Teil   durchgeführten Experimente. Dabei    spielt    nicht    nur    der    Aufbau    und    das    Zusammenwirken    der    einzelnen „optischen   Bestandteile“   des   Auges   und   möglicher   „Fehlfunktionen“   und   deren Korrektur   eine   große   Rolle,   sondern   auch   die   Verarbeitung   des   Gesehenen   im Gehirn: Wir sehen, was unser Gehirn möchte und bestimmt, das wir sehen! So      kommt      es      auch      zu      optischen      Täuschungen      und      offensichtlichen „Fehlleistungen“ unseres Denkapparates. Die   Physik   trifft   hier   nicht   nur   auf   Biologie   und   Medizin,   sondern   zahlreiche andere Disziplinen der Wissenschaft.

Farben und Spektrum

Der   Übergang   zur   Wellenoptik   wird   in   diesem   Teil   begonnen,   wenn   es   darum geht,    die    verschiedenen    Farben    und    das    elektromagnetische    Spektrum    zu untersuchen.   Hier   wird   auch   an   die   Elektrizität   angeknüpft   und   so   eindrucksvoll gezeigt,    das    Physik    nicht    nur    als    Sammlung    von    Teilgebieten    und    Effekten verstanden werden darf, sondern die Themen durchaus zusammenhängen. Die    Aufspaltung    weißen    Lichtes    mittels    Prismen    gehört    hier    ebenso    zum Repertoire   wie   zum   Beispiel   die   Analyse   scheinbar   einfarbiger   Filzstifte   mit   dem Chromatografie-Verfahren - wobei hier die Brücke zur Chemie geschlagen wird.

Interferenz und Beugung

Die   Beugung   an   Gittern   und   Blenden   zeigt   ganz   erstaunliche   Effekte,   die   mit   der klassischen    geometrischen    Optik    kaum    erklärbar    sind.    Tatsächlich    ist    die Beugung   von   Lichtwellen   maßgeblich   dafür   verantwortlich,   das   die   Auflösung eines Objektives von seiner Größe abhängig ist. In    weiteren    Experimenten    wird    es    dann    auch    um    die    Überlagerung    von Lichtwellen   gehen,   und   welche   Bedeutung   dies   für   die   optischen   Erscheinungen hat. bevor dann Polarisationsfilter und ihre Funktion erforscht werden.

Wellenoptik

Die    Theorie    der    Wellenoptik    verlangt    ein    hohes    Vorstellungsvermögen    ab, weshalb    es    nur    logisch    erscheint,    noch    einmal    in    einem    separaten    Kurs    zu versuchen, ganz anders an das Thema heranzugehen. Auf    Basis    der    mechanischen    Wellenausbreitung    von    Wasserwellen    in    einer sogenannten     Wellenwanne     sollen     Analogien     zum     besseren     Verständnis beitragen.   Wassermodelle   leisten   ja   bereits   in   der   Elektrotechnik   wertvolle   Hilfe, also soll auch in der Optik darauf zurückgegriffen werden. Selbst     Reflexions-     und     Beugungserscheinungen     können     hier     anschaulich beobachtet werden und tragen so zum besseren Verständnis bei.