… aus dem Physiksaal
© 2011 - 2019   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 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.