Wellenoptik

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Zur Bedienung

Mit den Pfeiltasten der Fernbedienung (DVD-Player) oder der Maus (Computer) können Sie Menüpunkte und Buttons ansteuern und mit der OK-Taste bzw. Mausklick starten. Um das Arbeitsmaterial zu sichten / aus-zudrucken, legen Sie die DVD in das Laufwerk Ihres Computers ein und öffnen den Ordner „material“. Die Datei „Inhalts verzeichnis“ öffnet die Startseite.

Bezug zu Lehrplänen und BildungsstandardsSchülerinnen und Schüler können …• erkennen,dassdasStrahlenmodell

des Lichts nicht ausreicht, alle opti-schen Erscheinungen zu erklären;

• kennenwichtigehistorischeStatio-nen der Entwicklung des Wellen-modells;

• kennendasHuygens’schePrinzip;• können Interferenzerscheinungen

erklären; • erhaltenEinblickindasPhänomen

der Polarisation;• dokumentierenundpräsentierenden

Verlauf und die Ergebnisse ihrer Ar-beit sachgerecht, situationsgerecht und adressatenbezogen, auch unter Nutzung elektronischer Medien, in Form von Texten, Skizzen, Zeichnun-gen, Tabellen oder Diagrammen;

• recherchierenzuphysikalischenSach-verhalten in unterschiedlichen Quel-len und wählen themenbezogene und aussagekräftige Informationen aus;

• übensichinMedienkompetenz.

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Zum Inhalt

Wellenoptik – Film (26 min)Nicht alle Erscheinungen des Lichtes wie zum Beispiel die schillernden Farben der Seifenblasen lassen sich mit dem Strah-lenmodell beschreiben. Es scheint nur einen begrenzten Gültigkeitsbereich zu haben. Für die Erklärung von Farber-scheinungen braucht man also ein an-deres Modell. Schon im 17. Jahrhundert begann man, sich Licht als Welle vorzu-stellen.WissenschaftlerwieHooke,Huy-gens und Young legten die Basis für die heutige Vorstellung von Licht als Welle.

Die moderne Wellenoptik – auch physi-kalische Optik – behandelt Licht als elektromagnetische Welle. Der Film zeigt, wie mithilfe der Wellenoptik Eigenschaften wie Farbe, Interferenz-fähigkeit, Beugung und Polarisation des Lichtes verständlich werden, die mit geometrischer Optik nicht erklärbar sind. Weiterhin werden klassische Experimen-te zur Wellenoptik wie der Doppelspalt-versuch gezeigt und die Eigenschaften von Licht als Welle erklärt.

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SequenzenDie Geschichte der Wellentheorie (Filmsequenz 4:10 min)Ausgehend von einigen im Alltag beob-achtbaren Phänomenen, die teilweise mit dem Strahlenmodell erklärt werden kön-nen, wird plausibel gemacht, dass es ein neues Modell mit einer größeren Erklä-rungsmacht geben muss. Dazu wird der historische Entwicklungsgang in der Er-forschung der Eigenschaften von Licht kurz nachvollzogen. Dieser Gang beginnt mit den Experimenten von Francesco Grimaldi (1618 – 1663) und stellt kurz die weiterführendenIdeenvonRobertHooke(1635–1703), Christiaan Huygens(1629 – 1695) und Thomas Young (1773 – 1829) vor. Auch die Newtonsche Korpuskeltheorie (Isaac Newton,

1642 – 1727) wird beschrieben, die auch aufgrund des hohen Ansehens Newtons fast 100 Jahre lang die Verfolgung der Wellentheorie des Lichts verhinderte.

Eigenschaften von Wellen (Filmsequenz 2:50 min) Anhand eines mechanischen Modells einer Welle werden die wesentlichen Begriffeeingeführt,mitderenHilfedasVerhalten und die Ausbreitung von Wel-len beschrieben wird. Am Anfang steht die allgemeine Charakterisierung von Wellen. Ferner wird der Begriff der Pha-se und der Kohärenz eingeführt. Spricht man nur von Kohärenz, ist die zeitliche und räumliche Kohärenz gemeint. Die auf der Animation sichtbaren Wellenzü-ge sind sowohl räumlich (da sie parallel

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sind) als auch zeitlich kohärent (da sie gleiche Wellenlänge haben). Der Begriff der Kohärenz ist entscheidend für die Interferenz von Wellen. Außerdem wer-den Wellenlänge, Frequenz und Ampli-tude einer Welle sowie die Phasenge-schwindigkeit mit dem Zusammenhang von Wellenlänge und Frequenz einge-führt.

Huygens’schesPrinzip (Filmsequenz 4:50 min) Ausgehend von Wasserwellen wird das Huygens’schePrinzipderÜberlagerungvon Elementarwellen veranschaulicht. Dabei helfen vor allem auch Animatio-nen. Die Lehrkraft sollte betonen, dass die Elementarwellen gedankliche Kons-trukte sind, die geometrisch erklären, wiesichnachHindernissenoderLöcherndie neuen Wellenfronten ausbilden. Sie sind nicht real beobachtbar. Weiterhin wird erläutert, in welcher Beziehung Strahlenmodell und Wellenmodell zu-einanderstehen. Die Normale auf eine Wellenfront gibt die Ausbreitungsrich-tung der Welle an, die in der geometri-schen Optik als Strahl dargestellt wird. Anschließend wird erläutert, wie sich Reflexion und Brechung mithilfe des Huygens’schenPrinzipsderElementar-wellen erklären lassen. Auch am Beispiel

der Brechung wird die Beziehung zwi-schen Strahlenmodell und Wellenmodell deutlichgemacht.Hierbeiwerdendirektdie Wasserwellen, die hier als Modell für die Lichtausbreitung dienen, themati-siert.SiewerdenbeidemÜbergangvomtiefen Wasser zum flachen Wasser ge-brochen, da sich die Ausbreitungsge-schwindigkeit verringert. Als weiteres für Wellen typisches Phänomen wird die Beugung anhand von Wasserwellen ein-geführt und auf Schallwellen übertragen. Abschließend werden Interferenzerschei-nungen behandelt. Das Prinzip der un-gestörtenÜberlagerungwirdwiederanhand von Wasserwellen veranschau-licht. Zusätzlich werden hier die Begriffe destruktive und konstruktive Interferenz erläutert. Dabei wird auch die Rolle der Kohärenz erwähnt.

Doppelspaltversuch (Filmsequenz 5:50 min) Mithilfe eines nachempfundenen Origi-nalexperimentes von Thomas Young (1773 – 1829) wird das Phänomen der Interferenz von Licht beschrieben. Dabei geht es vorrangig darum, deutlich zu zeigen, wie Interferenzmuster aussehen. Auch der Beitrag von Augustin Fresnel (1788 – 1827) wird eingeordnet. Mithil-fe einer Animation der Wellenfronten

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undihrerÜberlagerungmitdemhuy-gensschen Prinzip der Elementarwellen wird die Entstehung des Interferenzmu-sters gezeigt. Anschließend wird das Doppelspaltexperiment demonstriert. Mit Animationen und Grafiken werden wichtige Begriffe wie Beugungs-maximum,Hauptmaximum,Minimumeingeführt. Ein weiterer Punkt ist die Abhängigkeit der Beugungs- und Inter-ferenzerscheinungen von der Wellen-länge.HierzuwirdaufdieTechnikdesParallelexperiments zurückgegriffen, indem Interferenz von grünem und ro-tem Laser gleichzeitig gezeigt werden. Zusätzlich wird die Interferenz am Gitter auch mit weißem Licht gezeigt.

Ausbreitung von Wellen (Filmsequenz 1:20 min)In dieser Sequenz wird auf die Ausbrei-tung von Licht in unterschiedlichen Me-dien eingegangen. Zunächst wird erläu-tert, dass Lichtwellen kein Medium benötigen, sondern sich auch im Vaku-um ausbreiten können. Einige Zeit wird auf die Erläuterung der Veränderung der Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien verwendet.

Elektromagnetisches Spektrum (Filmsequenz 1:40 min)HierwirddaselektromagnetischeSpek-trum mit einem Schwerpunkt auf dem sichtbaren Bereich sowie UV- und infra-rotem Licht beschrieben. Es wird auf die Gemeinsamkeiten aller elektromagneti-

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schen Wellen in Bezug auf die zuvor behandelten Charakteristika wert gelegt.

Farben (Filmsequenz 2:10 min)Die Wellenlänge des Lichtes bestimmt seineFarbe;weißesLichtisteineÜber-lagerung unterschiedlicher Wellenlän-gen. Es wird verdeutlicht, dass die Farbe, die wir aufgrund unseres Sehvorgangs wahrnehmen, von der Frequenz ab-hängt. Durch unterschiedliche Brechung verschiedener Wellenlängen entstehen die Farben an einem Prisma und die Far-ben des Regenbogens.

Beugungsmuster (Filmsequenz 1:00 min)Die Farben einer schillernden CD kann man mit Interferenz erklären. Hier werden Lichtwellen aufgrund des Huygens’schenPrinzipsandenRillenaufder CD-Oberfläche gebeugt. Die dabei entstehenden Elementarwellen inter-ferieren. Dabei entsteht ein Beugungs-muster oder ein Beugungsbild. Aufgrund

der Komplexität dieses Vorgangs wurde von einer Animation der Vorgänge ab-gesehen und sich beispielhaft auf die Phänomene beschränkt. So sind beispiels-weiseauchHologrammeBeugungsmuster.

Polarisation (Filmsequenz 1:30 min)Diese Sequenz geht kurz und phänome-nologisch auf die Polarisation ein. Eine Animation dient dazu, das Prinzip der Polarisation zu zeigen. Zum Abschluss wird die Polarisation an Beispielen ver-anschaulicht und als Anwendung ein Beispiel aus der Fotografie gezeigt.

Amplitude und Wellenlänge (Grafik)An dieser Grafik einer Welle sind die Am-plitude und die Wellenlänge eingezeich-net. Sie dient zur Festigung des Gelernten. Es bietet sich an, die Grafik auszudrucken und den Schülerinnen und Schülern aus-zuteilen. So haben sie stets eine Visuali-sierungdieserGrößenzurHand.

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Interferenz (Grafik)Diese Grafik zeigt die konstruktive und die destruktive Interferenz zweier Wel-len: Wellen mit gleicher Phase addieren sich; Wellen mit unterschiedlicher Phase löschen sich gegenseitig aus. Es bietet sich an, die Grafik auszudrucken und den Schülerinnen und Schülern auszu-teilen. So haben sie stets eine Visualisie-rungdiesesPhänomenszurHand.

Ausbreitung am Mehrfachspalt (Grafik)Trifft eine Wellenfront auf eine Öffnung, dann bildet sich eine Kreiswelle aus, eine Elementarwelle. Diese breitet sich mit der gleichen Geschwindigkeit und Fre-quenz wie die ursprüngliche Welle aus.Bei mehreren Spalten nebeneinander überlagern sich die einzelnen Elemen-tarwellen und bilden wieder eine neue Welle – die Einhüllende.

Lichtbrechung im Regentropfen (Grafik)Die Lichtbrechung und die Aufspaltung weißen Lichtes in seine Spektralfarben durch einen Wassertropfen können mit dieser Grafik erarbeitet werden.

Didaktische Hinweise

Die Produktion „Wellenoptik“ ist für den Einsatz im Rahmen des Optikunterrichts konzipiert. Sie dient zur Behandlung des Wellenmodells des Lichts und – damit zusammenhängend – von Interferenz-erscheinungen. Sie kann außerdem ein-gesetzt werden, um Grundbegriffe der Wellen zu wiederholen oder auch als Aus-gangspunkt für weitere Untersuchungen dienen, beispielsweise der Bedeutung der Kohärenz von Wellen oder der Polarisati-on des Lichts. Der Film zeigt, wie mithilfe der Wellenoptik Eigenschaften wie Farbe, Interferenzfähigkeit, Beugung und Polari-sation des Lichtes verständlich werden, die mit geometrischer Optik nicht erklär-bar sind. Weiterhin werden klassische Experimente zur Wellenoptik wie der Dop-pelspaltversuch gezeigt und die Eigen-schaften von Licht als Welle erklärt.Der Film eignet sich sowohl als Ein- oder Ausstieg einer Unterrichtsreihe als auch zum begleitenden stückweisen Einsatz. Die Produktion bietet darüber hinaus wei-tere Materialien, die flexibel im Unterricht eingesetzt werden können. Es ist hilfreich, sich zunächst die Programmstruktur zur Handzunehmen,dieeinenÜberblicküber die vorhandenen Medien gibt.

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Arbeitsmaterial

Als Arbeitsmaterial steht Ihnen ein um-fangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDF- als auch als Word-Dateien vor:

• DiePDF-Dateien können direkt am Computer ausgefüllt oder ausge-druckt werden.

• DieWord-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichts-situation angepasst werden.

Ordner Materialien

DidaktischeHinweise HinweisezumEinsatzimUnterricht

Arbeitsblätter(mit Lösungen, als PDFs zum Ausfüllen)

1) Arbeitsblatt 1: Strahlenmodell vs. Wellenmodell2) Arbeitsblatt 2: Kohärentes Licht3) Arbeitsblatt 3. Interferenz hat viele Gesichter4) Arbeitsblatt 4. Lichtgeschwindigkeit c5) Arbeitsblatt 5: Farberscheinungen

Grafiken • AmplitudeundWellenlänge• Interferenz• AusbreitungamMehrfachspalt• ElektromagnetischesSpektrum• LichtbrechungimRegentropfen

Filmkommentar Filmkommentar als PDF-Dokument

Programmstruktur ÜbersichtüberdieDidaktischeFWU-DVD

Weitere Medien Info zu ergänzenden Medien

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Wellenoptik Programmstruktur

Hauptmenü

Wellenoptik

Wellenoptik Film 26 min Wellenoptik Sequenzen Amplitude und Wellenlänge Grafik Interferenz Grafik Ausbreitung am Doppelspalt Grafik Lichtbrechung im Regentropfen Grafik Arbeitsmaterial

Arbeitsmaterial

Didaktische Hinweise

5 Arbeitsblätter (mit Lösungen)

5 Grafiken

Filmkommentar

Programmstruktur

Weitere Medien

Produktionsangaben

Untermenü

WellenoptikDie Geschichte der Wellentheorie 4:10 min Eigenschaften von Wellen 2:50 min Huygens’sches Prinzip 4:50 min Doppelspaltversuch 5:50 min Ausbreitung von Wellen 1:20 min Elektromagnetisches Spektrum 1:40 min Farben 2:10 min Beugungsmuster 1:00 min Polarisation 1:30 min

Programmstruktur

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Produktionsangaben Wellenoptik (DVD)

ProduktionFWU Institut für Film und Bild, 2013

DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann

DVD-Authoring und Design TV Werk im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2013

Arbeitsmaterial Prof. Dr. Gesche Pospiech

Grafiken Wikimedia:©HorstFrank© KES47 Fotos aus der Wikimedia können nach der je-weils angegebenen Lizenz genutzt werden.

Coverbild© Timm Weitkamp

Fachberatung Prof. Dr. Gesche Pospiech

Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann

Produktionsangaben zum Film„Wellenoptik“

ProduktionTechnische Universität Dresden Medienzentrum und Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften Fachrichtung Physik im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2013

Buch und Regie Volkmar Schmidt

Kamera Gerald Goepfert Felix-FabianHallmann

Schnitt Volkmar Schmidt Felix-FabianHallmann

Grafik Rainer Uhlemann Michael Roth

Sprecher MatthiasHenkel

Redaktion Dr. Maike Schuchmann

Vielen Dank für die freundliche Unterstützung: Kyle Neuper Yvonne Dominik Göran Tronicke Björn Schneider Robin Kromat Gästehaus der TU Dresden „Einsteinstraße“ BlueValley Musik

Nur Bildstellen/Medienzentren:öV zulässig

© 2013 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützigeGmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D-82031 Grünwald Telefon (089) 6497-1 Telefax (089) 6497-240 E-Mail info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet www.fwu.de

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46 11037Wellenoptik Die Wellenoptik – auch physikalische Optik – behandelt Licht als elektromagnetische Welle. Diese Produktion zeigt, wie mithilfe der Wellenoptik Eigenschaften wie Farbe, Interferenzfähigkeit, Beugung und Polarisation des Lichtes verständlich werden, die mit geometrischer Optik nicht erklärbar sind. Weiterhin werden klassische Experimente zur Wellenoptik wie der Doppel spaltversuch gezeigt und die Eigenschaften von Licht als Welleerklärt.ZusätzlichstehenArbeitsblätter,didaktischeHinweiseundweitereergän-zende Unterrichtsmaterialien zur Verfügung.

FWU Institut für Film und Bild

in Wissenschaft und Unterricht

gemeinnützigeGmbH

Geiselgasteig

Bavariafilmplatz 3

82031 Grünwald

Telefon +49 (0)89-6497-1

Telefax +49 (0)89-6497-240

info@fwu.de

www.fwu.de

www.fwu-shop.deBestell-Hotline: +49 (0)89-6497-444vertrieb@fwu.de

Lehrprogrammgemäß

§ 14 JuSchG

Erscheinungsjahr: 2013Laufzeit: 26 minFilm: 1Sequenzen: 9Grafiken: 4

Sprache: DeutschDVD-ROM-Teil: UnterrichtsmaterialienArbeitsblätter: 5 (mit Lösungen, als PDFs

zum Ausfüllen)Adressaten: Allgemeinbildende Schule

(Klasse 10-13)

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Schlagwörter: Beugung; Brechung; Doppelspalt; Elementarwelle; Farbe; Frequenz; Fresnel, Augustin;Gitterspektrum;Grimaldi,Francesco;Hertz;Hologramm;Hooke,Robert;Huygens,Christiaan;Interferenz;Kohärenz;Korpuskel;Laser;Newton, Isaac; Polarisation; Polfilter; Prisma; Reflexion; Schwingungsdauer; Spektrum; Wellenfront; Wellenlänge; Wellentheorie; Young, Thomas

Systematik: Physik Optik Wellenoptik

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