Arbeitsblatt: physik online

PÄDAGOGISCHES LANDESINSTITUT OPTISCHE PHÄNOMENE AN GRENZFLÄCHEN– LICHT IM BASISKONZEPT WECHSELWIRKUNG Handreichung zur Umsetzung des Lehrplans Physik – Themenfeld 2 PL-Information 12/2014 In den PL-Informationen werden Ergebnisse veröffentlicht, die von Lehrerinnen und Lehrern aller Schularten unter Einbeziehung weiterer Experten erarbeitet und auf der Grundlage der aktuellen pädagogischen oder fachdidaktischen Diskussion für den Unterricht oder die Schulentwicklung aufbereitet wurden. Mit ihnen werden Anregungen gegeben, wie Schulen bildungspolitische Vorgaben und aktuelle Entwicklungen umsetzen können. Die PL-Informationen erscheinen unregelmäßig. Unser Materialangebot finden Sie im Internet auf dem Landesbildungsserver unter folgender Adresse: Die vorliegende Veröffentlichung wird gegen eine Schutzgebühr von 6,00 Euro zzgl. Versandkosten abgegeben. Bestellungen richten Sie bitte an das Pädagogische Landesinstitut: IMPRESSUM Herausgeber: Pädagogisches Landesinstitut Rheinland-Pfalz Standort Bad Kreuznach Röntgenstraße 32 55543 Bad Kreuznach Redaktion und Skriptbearbeitung: Andrea Bürgin, Pädagogisches Landesinstitut Rheinland-Pfalz Titelbild: Andrea Bürgin, Pädagogisches Landesinstitut Rheinland-Pfalz Erscheinungstermin: November 2014 Pädagogisches Landesinstitut Rheinland-Pfalz 2014 ISSN 2190-9148 Soweit die vorliegende Handreichung Nachdrucke enthält, wurden dafür nach bestem Wissen und Gewissen Lizenzen eingeholt. Sollten dennoch in einigen Fällen Urheberrechte nicht berücksichtigt worden sein, wenden Sie sich bitte an das Pädagogische Landesinstitut Rheinland-Pfalz. PL-Information 12/2014 INHALT 1. Themenfeld 2: Optische Phänomene an Grenzflächen – Licht im Basiskonzept Wechselwirkung 3 1.1 Überblick über das zweite Themenfeld 3 1.2 Die Themenfeld-Doppelseite des Lehrplans 4 1.3 Vom Themenfeld zur Unterrichtsplanung – Analyse der Themenfeld-Doppelseite 6 1.3.1 Intention 6 1.3.2 Kompetenzen 7 1.3.3 Beitrag zur Entwicklung der Basiskonzepte sowie Fachbegriffe 7 1.3.4 Erschließung des Themenfeldes durch Kontextorientierung 8 1.3.5 Differenzierungsmöglichkeiten 8 1.3.6 Bezüge 9 1.4 Konzeptentwicklung 10 1.4.1 Schülervorstellungen berücksichtigen 12 1.4.2 Analogien zur Basiskonzeptentwicklung nutzen 13 1.5 Kompetenzentwicklung 15 1.5.1 Experimentieren und Umgang mit Modellen 15 2. Unterrichtsbeispiele 18 2.1 Unterrichtsgang 1 „Optische Zaubertricks 19 2.1.1 Unterrichtsgang 1 (A) „Was steckt hinter den Zaubertricks? 44 2.2 Unterrichtsgang 2 „Licht ins Dunkel bringen 48 3. Glossar ausgewählter Methoden 55 PL-Information 12/2014 1. THEMENFELD 2 OPTISCHE PHÄNOMENE AN GRENZFLÄCHEN – LICHT IM BASISKONZEPT WECHSELWIRKUNG 1.1 Überblick über das zweite Themenfeld Der neue Lehrplan im Fach Physik für die Klassen 7 bis 9/10 der weiterführenden Schulen des Landes Rheinland-Pfalz tritt zum Schuljahr 2014/15 in Kraft und schließt konzeptionell an den Lehrplan des Faches Naturwissenschaften in der Orientierungsstufe an. Die drei Säulen des NaWi-Unterrichtes Kompetenzen, Basiskonzepte und Kontexte bilden auch die Stützpfeiler des Physik-Lehrplans und erfordern eine darauf aufbauende unterrichtliche Umsetzung. Die Optik war schon bisher in allen Schularten verpflichtendes Unterrichtsthema der Mittelstufe und ist auch im neuen Lehrplan im zweiten Themenfeld verankert. Durch Bezugnahme auf akustische Phänomene werden die in Themenfeld 1 angebahnten Basiskonzepte Wechselwirkung und System um die Zusammenhänge optischer Phänomene erweitert. Die Vielzahl von Phänomenen und einfach durchzuführenden Experimenten ermöglicht den Schülerinnen und Schülern den Ausbau ihrer Kompetenzen u. a. im Experimentieren und im Nutzen von Diagrammen oder Modellen z. B. für Vorhersagen. Die vorliegende Handreichung stellt die Themenfeld-Doppelseite des Lehrplans vor und zeigt beispielhaft, wie dieses Themenfeld entsprechend der Lehrplananforderungen konkret im Unterricht umgesetzt werden kann. Aus ökologischen und ökonomischen Gründen werden die in der Handreichung vorgestellten Materialien (z. B. Arbeitsblätter) nicht 1:1 abgedruckt. Einen ersten Eindruck bieten die Vorlagen in stark verkleinerter Form. Alle vorgestellten Materialien stehen zum kostenlosen Download auf dem Bildungsserver Rheinland-Pfalz bereit unter: 3 PL-Information 12/2014 1.2 Die Themenfeld-Doppelseite des Lehrplans TF 2: Optische Phänomene an Grenzflächen Licht im Basiskonzept Wechselwirkung Licht aus unterschiedlichsten Quellen ist ein alltägliches Phänomen. In vielfältigen technischen Anwendungen (z. B. Beleuchtung, Fotografie) wird Licht genutzt. Im NaWi-Unterricht wurde Licht möglicherweise in ganz unterschiedlichen Zusammenhängen thematisiert: Das Auge als Sinnesorgan zur Aufnahme von Lichtreizen, optische Geräte wie Mikroskop und Fernrohr zum genaueren Betrachten von weit entfernten oder ganz kleinen Dingen, aber auch die Sonne als Licht- und Energiequelle. Im Mittelpunkt des zweiten Themenfeldes steht die Weiterentwicklung des Konzeptes Wechselwirkung von Strahlung und Materie. Ein praktisch immer auftretendes Phänomen ist die Reflexion des Lichtes an Grenzflächen. Weitere zu untersuchende Phänomene sind die Absorption – und damit auch Schatten – bei lichtundurchlässigen sowie Brechung bei lichtdurchlässigen Stoffen. Nach dem Kennenlernen des Sender-Träger-EmpfängerModells im Themenfeld 1 wird hier Informationsübertragung ohne materiellen Träger thematisiert und so ein Verständnis für Felder als Energie- und Informationsträger angebahnt. Phänomene wie Reflexion, Brechung und Absorption werden sowohl experimentell als auch zeichnerisch mit Hilfe von Randstrahlen bearbeitet. Dieses Hilfsmittel (Strahlenmodell) ermöglicht die Darstellung von Schattenbildern sowie das Nachvollziehen oder Vorhersagen von Strahlenverläufen in natürlichen (z. B. Regenbogen) oder auch technischen (z. B. Lichtleiter) Bereichen. Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler planen einfache Experimente zur Reflexion, Brechung und Absorption, führen sie durch und protokollieren die Ergebnisse, nutzen das Strahlenmodell zur Darstellung bzw. Vorhersage optischer Phänomene (Brechung, Reflexion, Absorption, Schatten), dokumentieren optische Phänomene durch das Anfertigen von Diagrammen aus Messwerten, werten Diagramme zur Gewinnung von Informationen über den Strahlenverlauf aus. Beitrag zur Entwicklung der Basiskonzepte: Licht wird an Grenzflächen reflektiert und/oder gebrochen, zudem findet Absorption statt (z. B. als Erwärmung wahrnehmbar). (WW) Absorption von Teilen des Lichtspektrums in Materie führt zur Veränderung des Farbeindrucks. (WW) Der Austausch von Materie, Energie und Information findet mit endlicher Geschwindigkeit statt (hier: Lichtgeschwindigkeit). (SY) Fachbegriffe: Licht, Brechung, Reflexion Absorption Lichtgeschwindigkeit Abb.: Auszug aus Lehrpläne für die naturwissenschaftlichen Fächer – Physik, S. 102 4 102 PL-Information 12/2014 Erschließung des Themenfeldes durch Kontextorientierung: Spiegel für viele Zwecke Licht um die Ecke bringen Warum sind in warmen Ländern die Häuser weiß? Regenbogen in der Kunst Optische Zaubertricks Mit oder ohne Brille Geschichte und Kultur Disco und Lightshow Tägliches Leben und Gesundheit Regenbogen . Kein Spielzeug: Laserpointer Endoskopie Optische Phänomene . Licht im Basiskonzept Wechselwirkung Regensensor Sehhilfen Sonnenlicht in fensterlosen Innenräumen Warum ist die Haut der Eisbären schwarz, ihr Fell aber weiß? Technologie und Industrie Umwelt und Verantwortung . Fata Morgana Spiegel am Horizont Liter-of-light-Projekt . Differenzierungsmöglichkeiten: Ein Grundverständnis der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie kann sich aus dem Beobachten und Beschreiben der Phänomene beim Auftreffen von Licht auf durchsichtige und undurchsichtige Gegenstände ergeben (Reflexion, Brechung und Absorption). Strahlenverläufe werden beobachtet und skizziert (z. B. auch bei Linsen). Die Absorption wird in Hinblick auf verschieden starke Erwärmung betrachtet. Eine Behandlung auf höherem Anspruchsniveau kann die Konstruktion von Strahlenverläufen bei beliebigen Grenzflächen und die vertiefte Arbeit mit Diagrammen einschließen (z. B. Vorhersage des Strahlungsverlaufes in verschiedenen Materialien anhand des Zusammenhanges zwischen Einfalls- und Brechungswinkel). Lichtausbreitung und Brechung (einschließlich Dispersion) werden mit geeigneten Modellen bzw. Veranschaulichungen beschrieben. Farbigkeit wird durch Absorption von Spektralanteilen erklärt. Ebenso können Streuung und Totalreflexion thematisiert werden. Bezüge: NaWi Biologie TF 1 Sehsinn TF 4 Fotosynthese TF 7 Funktion des Auges Chemie Physik TF 9 kolorimetrische Analysen TF 11 Treibhauseffekt TF 11 Informationsverarbeitung Abb.: Auszug aus Lehrpläne für die naturwissenschaftlichen Fächer – Physik, S. 103 5 PL-Information 12/2014 1.3 Vom Themenfeld zur Unterrichtsplanung – Analyse der Themenfeld-Doppelseite Die einzelnen Rubriken der Themenfeld-Doppelseite geben den Rahmen für die Unterrichtsplanung vor. Die Inhalte der Rubriken der linken Seite sind verbindlich umzusetzen, in denen der rechten werden Anregungen für die Unterrichtsgestaltung gegeben. Themenfeld-Titel Intention Erschließung des Themenfeldes durch Kontextorientierung Kompetenzen Beitrag zur Differenzierungsmöglichkeiten Fachbegriffe Bezüge Entwicklung der Basiskonzepte Der zweigeteilte Themenfeld-Titel „Optische Phänomene an Grenzflächen Licht im Basiskonzept Wechselwirkung liefert eine fachsystematische Einordnung des Themenfeldes (Optik) und gibt Aufschluss, welches Basiskonzept schwerpunktmäßig entwickelt werden soll (Wechselwirkung). Das Wechselwirkungskonzept wurde bereits im ersten Themenfeld „Akustische Phänomene angelegt und wird nun in Themenfeld 2 erweitert. 1.3.1 Intention Die Intention, die im Unterricht verbindlich umzusetzen ist, gibt Aufschluss über die Bildungsabsicht. Die ersten Sätze umreißen Bedeutung und Kerngedanken der Optik. Mit Hinweis auf NaWi wird ein Bezug zu den möglichen Vorerfahrungen und dem Vorwissen der Schülerinnen und Schüler hergestellt: das Auge als Sinnesorgan, optische Geräte und/oder Sonne als Licht- und Energiequelle. Der Physikunterricht stellt das Konzept der Wechselwirkung von Strahlung und Materie in den Mittelpunkt. Die Intention gibt der Lehrperson Auskunft über die intendierte didaktische und inhaltliche Schwerpunktsetzung bei der Behandlung der optischen Phänomene: Lichtreflexion an Grenzflächen, Absorption bei lichtundurchlässigen Stoffen (z. B. Schatten), Brechung bei lichtdurchlässigen Stoffen, Anbahnen eines Verständnisses für Felder als Träger von Energie oder Information durch Aufgreifen des Sender-Träger-Empfänger-Modells und Thematisieren der Informationsübertragung ohne materiellen Träger, Experimentelle und zeichnerische Bearbeitung von Reflexions-, Brechungs- und Absorptionsphänomenen mittels Randstrahlen, Nutzung des Strahlenmodells zum Darstellen, Nachvollziehen und Vorhersagen von Strahlenverläufen in natürlichen und technischen Bereichen. 6 PL-Information 12/2014 1.3.2 Kompetenzen Die hier aufgeführten konkreten Aktivitäten der Schülerinnen und Schüler sind im Rahmen des Themenfeldes verbindlich zu ermöglichen und tragen zur Kompetenzentwicklung bei. Bei der Planung von Unterricht muss darauf geachtet werden, dass alle Schülerinnen und Schüler Gelegenheit bekommen, z. B. einfache Experimente zu Reflexion, Brechung und Absorption zu planen, durchzuführen und auszuwerten, um ihre Kompetenzen auf dem Gebiet der Erkenntnisgewinnung weiter zu entwickeln. Dabei soll das Experimentieren von der Planung bis zur Auswertung zunehmend selbstständig erfolgen. Das Strahlenmodell wird bereitgestellt, damit Schülerinnen und Schüler damit optische Phänomene wie Brechung, Reflexion, Absorption und Schatten darstellen bzw. vorhersagen können. Mit Hilfe vorgegebener Diagramme werden Informationen über den Strahlenverlauf gewonnen und somit Erklärungszusammenhänge hergestellt. Ihre Kompetenzen auf dem Gebiet der Dokumentation entwickeln die Schülerinnen und Schüler in Themenfeld 2 weiter, indem sie aus Messwerten selbst Diagramme anfertigen und damit optische Phänomene dokumentieren. Über dieses verbindliche Maß hinaus können weitere Kompetenzen entwickelt werden z. B. Bewertungskompetenz zu Sichtsituationen im Straßenverkehr. Die beschriebenen Tätigkeiten zum Erwerb dieser Kompetenzen sind eng mit der Anwendung von Fachwissen verbunden. Die zum Umgang mit Fachwissen nötige Wissensbasis wird im folgenden Abschnitt erläutert. 1.3.3 Beitrag zur Entwicklung der Basiskonzepte sowie Fachbegriffe Indem Fachwissen immer an Basiskonzepte angebunden wird, sollen die vermittelten Fachinhalte über die Jahre hinweg Schülerinnen und Schülern helfen, eigene physikalische Konzepte aufzubauen. Die beiden Rubriken „Beitrag zur Entwicklung der Basiskonzepte und „Fachbegriffe geben verbindliche Hinweise darauf, mit welcher Schwerpunktsetzung die Fachinhalte aufbereitet werden sollen, um das angestrebte Konzeptverständnis zu erreichen und welche Fachbegriffe von den Schülerinnen und Schülern im Unterricht verbindlich benutzt werden sollen. Eine Überfrachtung des Unterrichts mit Begriffen, die der reinen Beschreibung von Phänomenen dienen und weder zur pädagogischen Absicht noch zum Aufbau von Konzepten gebraucht werden, ist dringend zu vermeiden. Im Themenfeld 1 wurde ein Wechselwirkungsteilkonzept am Beispiel Schall angelegt: „Wenn Strahlung oder Schall auf einen Körper trifft, findet Energieübertragung (Absorption) und/oder eine Änderung der Strahlungsrichtung (Reflexion, Brechung) statt. Hier in Themenfeld 2 wird dies erweitert um: „Licht wird an Grenzflächen reflektiert und/oder gebrochen, zudem findet Absorption statt (z. B. als Erwärmung wahrnehmbar) sowie „Absorption von Teilen des Lichtspektrums in Materie führt zur Veränderung des Farbeindrucks. Mit den Begriffen Licht, Reflexion, Brechung und Absorption sollen die Schülerinnen und Schüler Vorgänge fachsprachlich beschreiben. Das Basiskonzept System wird anknüpfend an die Schallgeschwindigkeit aus Themenfeld 1 mit der Lichtgeschwindigkeit erweitert. 7 PL-Information 12/2014 1.3.4 Erschließung des Themenfeldes durch Kontextorientierung Diese Rubrik zeigt bildungsrelevante Kontexte und konkrete Fragestellungen aus vier lebensweltlichen Bereichen, die zentralen Bedürfnisfeldern der Menschen entsprechen. Es sind Vorschläge, wie das Themenfeld Optik kontextuell angebunden werden kann. Weder die Abdeckung der vier Äste der Mindmap noch die Umsetzung dort aufgeführter Kontexte sind verbindlich. Bei der Wahl geeigneter Kontexte für die eigene Unterrichtsplanung sollten neben individuellen Interessen der Lernenden auch schulische Besonderheiten beachtet werden: fächerverbindende oder integrierte Lernangebote (z. B. Biologie), Möglichkeit für Projekte, z. B. im Ganztagsunterricht, Zusammenarbeit mit nicht-naturwissenschaftlichen Fächern oder dem Wahlpflichtfach, schulische Ausstattung, aktuelle Themen/Anlässe, Angebote außerschulischer Kooperationspartner. 1.3.5 Differenzierungsmöglichkeiten Die in der Rubrik „Differenzierungsmöglichkeiten gegebenen Hinweise beziehen sich sowohl auf verschieden leistungsstarke Lerngruppen z. B. unterschiedlicher Schulformen als auch auf das leistungsdifferenzierte Arbeiten innerhalb einer Lerngruppe und bieten Vorschläge, wie der Plan durch Differenzierung nach oben oder unten auf die Bedürfnisse der Schülerinnen und Schüler zugeschnitten werden kann. Der erste Abschnitt reduziert das Themengebiet der Optik auf ein grundlegendes Verständnis von Brechung und Reflexion durch Untersuchungen an durchsichtigen und undurchsichtigen Körpern. Bei Betrachtungen zur Absorption wird eine Beschränkung auf die Erwärmungseffekte angeregt. Im zweiten Absatz wird gezeigt, wie das Thema geöffnet werden kann, um höheren Leistungserwartungen (z. B. im Gymnasium) bzw. leistungsstärkeren Schülerinnen und Schülern einer Lerngruppe gerecht zu werden. Neben inhaltlichen Ergänzungen (z. B. Erweiterung auf beliebige Grenzflächen) werden u. a. eine vertiefte Diagrammarbeit oder die Betrachtung von Spezialfällen für Brechung und Reflexion vorgeschlagen. Zusätzliche Möglichkeiten zur Differenzierung bieten eine geschickte Kontextwahl zur Erschließung des Themenfeldes sowie der gezielte Einsatz von Hilfen und methodischen Maßnahmen, um die Kompetenzen den Lernenden angepasst zu entwickeln. Besonders bei vertiefenden Betrachtungen ist darauf zu achten, dass eine Überfrachtung des Unterrichts und eine Überforderung der Lernenden vermieden werden. 8 PL-Information 12/2014 1.3.6 Bezüge Um Synergien nutzen zu können, empfiehlt es sich, zumindest die Arbeitspläne und Unterrichtsverteilungen der naturwissenschaftlichen Fächer NaWi, Biologie, Chemie und Physik aufeinander abzustimmen. Welche Voraussetzungen genau in NaWi geschaffen wurden bzw. wie die optimale Anbindung an die späteren Themenfelder in Chemie und Biologie aussehen kann, ist u. a. wegen der Kontingentstundentafel und der darauf aufbauenden schulinternen Arbeitspläne sehr schulspezifisch. Auch deswegen empfehlen sich Absprachen innerhalb der Fachkonferenz bzw. fachübergreifend. Je besser die Vernetzung zwischen den Fächern erfolgt, desto kontinuierlicher werden Kompetenzen entwickelt und desto besser gelingt ein kumulativer Aufbau der Basiskonzepte. Beispielhaft wird gezeigt, dass das Themenfeld 2 des Physiklehrplans inhaltliche Verbindungen zum Themenfeld 1 des NaWi-Lehrplans, zu den Themenfeldern 4 und 7 des Biologielehrplans, zu den Themenfeldern 9 und 11 des Chemielehrplans und zum Themenfeld 11 des vorliegenden Physiklehrplans aufweist. Im NaWi-Unterricht der Orientierungsstufe lernten die Schülerinnen und Schüler im Rahmen des Themenfeldes „Von den Sinnen zum Messen z. B. bereits den Sehsinn und das Zusammenspiel von Reiz, Erregung und Wahrnehmung kennen. Auch im Themenfeld 2 des NaWi-Plans bekamen sie Kontakt zu optischen Phänomenen, wenn mit optischen Hilfsmitteln Beobachtungen und Untersuchungen angestellt wurden. Nachdem in NaWi elementare Kenntnisse über den Aufbau und die Funktion optischer Geräte erworben wurden, widmet sich das Physik-Themenfeld 2 den optischen Vorgängen an Grenzflächen, ohne die diese Geräte nicht funktionieren würden. Das Modell zur Signalübertragung, das im Themenfeld 1 (Akustik) bereitgestellt wurde, wird in Themenfeld 2 genutzt, um die Informationsübertragung ohne materiellen Träger erweitert und in TF 11 (Sensorik) wieder aufgegriffen. Neben den genannten sind auch in Themenfeld 2 Bezüge zu weiteren Fächern möglich, z. B. Kooperation mit Kunst (Täuschungsbilder, Farben) oder Mathematik (Winkel, Diagramme). Schulinterne Abstimmung ist hier ebenfalls notwendig und hilfreich. 9 PL-Information 12/2014 1.4 Konzeptentwicklung Der Physiklehrplan zielt auf die Entwicklung von Basiskonzepten, mit deren Hilfe sich die Schülerinnen und Schüler ein Bild von der Physik machen können. Bei der lehrplangemäßen Behandlung optischer Phänomene wird die strukturierende Funktion der Basiskonzepte deutlich. Am Beispiel „Licht/Optik wird in der folgenden Darstellung gezeigt, wie mehrere Konzepte zur Erklärung der optischen Phänomene und zur Beantwortung vieler damit im Zusammenhang stehender Fragen beitragen. Licht wird an Grenzflächen reflektiert und/oder gebrochen, zudem findet Absorption statt (z. B. als Erwärmung wahrnehmbar). Basiskonzept Wechselwirkung Absorption von Teilen des Lichtspektrums führt zur Veränderung des Farbeindrucks. Konzeptentwicklung im Bereich Licht/Optik Basiskonzept System Der Austausch von Materie, Energie und Information findet mit endlicher Geschwindigkeit statt (hier: Lichtgeschwindigkeit). Konzeptaufbau erfolgte zum Teil bereits im NaWi-Unterricht und in Themenfeld 1 und kann nun aufgegriffen werden (hier z. B. Sender-(Träger)-Empfänger-Vorstellung zur Übertragung von Information, Lichtgeschwindigkeit, Licht an Grenzflächen). Über die Mittelstufe hinaus stellen die Konzepte eine Grundlage für die weitere Schul- oder Ausbildung bzw. das Berufsleben dar, wo neue Inhalte an bekannte und gefestigte Konzepte angebunden werden. 10 TF 1 Wenn Schall auf einen Körper trifft, kann er diesen in Schwingung versetzen. TF 2 TF 5 Basiskonzept verpflichtend Die Absorption ionisierender Strahlung kann in Lebewesen zu Schädigungen führen. IIIIIIIIIII Basiskonzept fakultativ IIIIIIIIIII IIIIIIIIIII IIIIIIIIIII IIIIIIIIIII TF 11 IIIIIIIIIII TF 10 IIIIIIIIIII TF 9 IIIIIIIIIII TF 8 IIIIIIIIIII TF 7 Absorption von Teilen des Lichtspektrums in Materie führt zur Veränderung des Farbeindrucks. TF 6 Licht wird an Grenzflächen reflektiert und/oder gebrochen, zudem findet Absorption statt (z. B. als Erwärmung wahrnehmbar). TF 4 Der Austausch von Materie, Energie und Information findet mit endlicher Geschwindigkeit statt (hier: Lichtgeschwindigkeit). TF 3 IIIIIIIIIII IIIIIIIIIII IIIIIIIIIII IIIIIIIIIII TF 12 Die obige Übersicht zeigt für das Themenfeld 2 die zentralen Konzepte und eine Auswahl der Zusammenhänge, in denen diese Konzepte an anderer Stelle wieder aufgegriffen und vertieft werden. Das Aufzeigen von Analogien dient der Verknüpfung und Festigung von physikalischen Konzepten und ist eine der Leitlinien des Lehrplans. Entwicklung Wechselwirkung Chemische Reaktion Struktur-Eigenschaft-Funktion Teilchen-Materie/Stoff System gie und Information findet mit endlicher Geschwindigkeit statt (hier: Schallgeschwindigkeit). Energie Der Austausch von Materie, Ener- Basiskonzept PL-Information 12/2014 11 PL-Information 12/2014 1.4.1 Schülervorstellungen berücksichtigen Schülerinnen und Schüler bringen in den Physikunterricht ein ganzes Bündel eigener Vorstellungen und Erklärungsmuster mit. Nicht selten entstammen diese Vorstellungen den Erfahrungen, die Schülerinnen und Schüler im Alltag gemacht haben und oft eignen sie sich sogar recht gut für den alltäglichen Gebrauch z. B. beim Erklären von Phänomenen. Bietet man den Lernenden im Unterricht neue Informationen, so greifen sie bei deren Verarbeitung häufig auch unbewusst auf die mitgebrachten Muster zurück, die nicht immer mit der physikalischen Sichtweise übereinstimmen. Aufgabe der Lehrenden ist es, Schülerinnen und Schüler an Basiskonzepten orientiert und mit Hilfe von Fachbegriffen sowie Fachmethodik dabei zu unterstützen, ihre individuelle Wissensebene mit der Ebene der Physik als Wissenschaft in Einklang zu bringen. Es empfiehlt sich, die Vorstellungen der Lernenden möglichst genau zu kennen, um daran die neuen Denkmuster andocken zu können. Einen Einblick in die Vorstellungen der Lernenden erhält man durch Einsatz geeigneter Aufgaben oder Experimente. Eine Möglichkeit, sich ein Bild von den Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler zu verschaffen, bietet die Analyse der Antworten zum Eingangszaubertrick in Unterrichtsgang 1 (siehe Kapitel 2.1.1). Verbreitete Schülervorstellungen: Physikalischer Themenbereich Schülervorstellung Prozess der Lichtausbreitung Licht als Substanz, die den Raum erfüllt und deren Voraussetzung eine Lampe im Raum ist Probleme beim Verständnis des Strahls als Modell zur Konstruktion von Lichtwegen Sekundäre Lichtquellen Körper, die nicht selbst leuchten, senden/reflektieren kein Licht (Ausnahme: Spiegel). Der Sehvorgang ist schwer vorstellbar. Spiegel Ein Spiegelbild wird auf der Oberfläche vermutet statt dahinter. Ein Spiegel zeigt ein Bild dessen, was er „sieht. Abbildungen Das Bild wird an der Linse „am Stück transportiert. der Linse würde zu teilweisem Bildverlust führen. Helligkeit und Farbe Farbe wird als feste Eigenschaft des Körpers wahrgenommen, die durch Licht sichtbar wird. Unterschiedliches Streuvermögen und Farben sind als Bestandteil des Lichtes nicht vorstellbar. Farbfilter fügen Farbe hinzu. Physikalisch passiert das Gegenteil. Abdecken von Teilen Die vorgestellten Schülervorstellungen sind „Fehlvorstellungen zur Optik entgegenwirken (siehe auch Literatur) entnommen. Ausgewählte Experimente, die diesen Vorstellungen entgegenwirken sollen, findet man unter: 12 PL-Information 12/2014 1.4.2 Analogien zur Basiskonzeptentwicklung nutzen Um im Physikunterricht das Entwickeln tragfähiger Konzepte in den Köpfen der Schülerinnen und Schüler zu fördern, kann das Verwenden geeigneter Analogien hilfreich sein. Damit Analogien tragen, ist es jedoch wichtig, dass die Ähnlichkeit zwischen dem, was gerade neu gelernt wird (primärer Lernbereich1) und dem, was als Quelle für die Analogie (analoger Lernbereich2) dient, für die Lernenden deutlich genug erkennbar ist um angenommen zu werden. Da es zwischen dem primären und dem analogen Lernbereich naturgemäß Abweichungen gibt, ist es wichtig, auch die physikalischen Unterschiede der zwei Lernbereiche und damit die Grenzen der Analogie zu thematisieren. Einfache sprachliche oder bildliche Analogien können sinnvolle Lernhilfen darstellen. Die genaue Kenntnis über die spezifischen Fähigkeiten der Lernenden ermöglicht gezielte Auswahl von Analogien und damit differenzierte Lernunterstützung. Ob eine Analogie tatsächlich von den Schülerinnen und Schülern akzeptiert und genutzt wird, entscheiden diese selbst. Die Lehrperson unterbreitet ihnen lediglich Angebote. Beispiele für in Themenfeld 2 nutzbare Analogien zu Themenfeld 1: Licht und Schall breiten sich mit endlicher Geschwindigkeit aus. breiten sich in unterschiedlichen Stoffen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus. werden von Sendern/Quellen erzeugt und können von Empfängern absorbiert werden. können in Empfängern Schäden verursachen. können beim Auftreffen auf Materie reflektiert („zurückgeworfen) werden. sind Träger von Energie und Information. können von uns nur in einem Teil des Frequenzspektrums wahrgenommen werden. (die genannten Analogien sind z. T. auch auf ionisierende Strahlung (TF 5) anwendbar) Experimente: Lichtdurchlässigkeit von Materialien – Schalldurchlässigkeit von Materialien Schattenbildung, Schattenräume – Schall abschirmen Licht am Spiegel (Reflexionsgesetz) – Schall an Wand/Platte reflektieren lassen Wahrnehmungsschwelle: bei Licht und bei Schall - Modelle: Lichtstrahl – Schallstrahl Sender-Träger-Empfänger-Modell - 1 Kircher, Girwidz, Häußler: Physikdidaktik – Eine Einführung in Theorie und Praxis, Vieweg-Verlag 2000, S. 117-124 2 ebenda 13 PL-Information 12/2014 Die Analogien lassen sich auch in den Einträgen im Schülerheft fortsetzen, wenn Merksätze eine ähnliche Formulierung bekommen oder Skizzen ähnlich aufgebaut werden. Beispiele Licht Körper, die Licht aussenden, heißen Lichtquellen. Schall Körper, die Schall aussenden, heißen Schallquellen. Wir sehen Körper, wenn das von ihnen kommende Wir hören den Schall, wenn er in unser Ohr Licht in unser Auge gelangt. gelangt. Hinter lichtundurchlässigen beleuchteten Körpern Hinter Körpern, die den Schall absorbieren, hört entstehen Schatten. man nichts (herrscht Stille). z. B. Skizze Lichtwahrnehmung 14 z. B. Skizze Schallwahrnehmung PL-Information 12/2014 1.5 Kompetenzentwicklung Der Physikunterricht kann bereits auf Kompetenzen aus dem NaWi-Unterricht zurückgreifen. Die Übersicht zeigt die Schwerpunktkompetenzen in Themenfeld 2 und verdeutlicht Zusammenhänge mit anderen Physik-Themenfeldern, in denen diese Kompetenzen erneut benötigt und gefestigt werden. Die Kompetenzen bilden ebenso eine Grundlage für die weitere Schul- oder Ausbildung sowie das Berufsleben. naturwissenschaftlich untersuchen, experimentieren. . modellieren. . naturwissenschaftliche Erkenntnisse bzw. den naturwissenschaftlichen Erkenntnisprozess reflektieren. . Informationen sachgerecht entnehmen. . sach- und adressatengerecht präsentieren und dokumentieren. . naturwissenschaftlich argumentieren und diskutieren. Erkenntnisgewinnung . Fachwissen strukturieren und Erklärungszusammenhänge herstellen. Kommunikation . mit Geräten, Stoffen, Verfahren umgehen. TF 1 Umgang mit Fachwissen Die Schülerinnen und Schüler können naturwissenschaftliche Konzepte zur Problemlösung nutzen. TF 2 TF 3 TF 4 TF 5 n TF 7 n TF 12 Experimente n zu Reflexion,nBrechung, Absorption n planen, durchführen und protokollieren n Teilchenmodell .optische Phänomene dokumentieren differenziertes Atommodell .Funktionsweise von Sensoren nrecherchieren, dokumentieren, präsentieren n TF 11 TF 10 .Prinzipien der Signalaufnahme, -übertragung und –ausgabe beschreiben n Bewertung Sachverhalte naturwissenschaftlich ein ordnen und (multiperspektivisch) bewerten. TF 9 . Bewertungskriterien festlegen und anwenden. . Handlungsoptionen erkennen und aufzeigen. TF 8 .Funktionsprinzip eines Generators erklären optische Phänomene vorhersagen Strahlenmodell TF 6 n 1.5.1 Experimentieren und Umgang mit Modellen Das Experimentieren und der Umgang mit Modellen sind Grundpfeiler physikalischer Erkenntnisgewinnung. Zu den in den Bildungsstandards definierten Standards für den Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung zählen unter anderem das Verwenden von Analogien und Modellvorstellungen zur Wissensgenerierung sowie das Planen, Durchführen, Dokumentieren und Auswerten von Experimenten. Der Unterricht in Themenfeld 2 bietet sehr viel Gelegenheit zum Experimentieren und Modellieren. Dabei sind Gefahrenquellen im Vorfeld festzustellen und den Experimentierenden deutlich bewusst zu machen (Gefährdungsbeurteilung). Basierend auf ihren Kenntnissen aus der Orientierungsstufe und den Erfahrungen im Themenfeld 1 bilden die Lernenden in diesem Themenfeld schrittweise eine Vorstellung von Licht heraus, mit der sie die grundlegenden Vorgänge und Phänomene, die ihnen im Leben begegnen, einordnen können. 15 PL-Information 12/2014 Um eine Vorstellung von Licht zu bekommen, können sie auf die Modellvorstellung von Schall (Sender, Träger, Empfänger) zurückgreifen. Dabei ist es notwendig, Modelle nicht nur zu verwenden, sondern auch über Modelle zu sprechen, sie als vereinfachende Beschreibung von Abläufen oder Zuständen zu thematisieren sowie die Notwendigkeit der Kenntnis von Möglichkeiten und Randbedingungen/Grenzen von Modellen aufzuzeigen. Das Kommunizieren über Modelle auf der Metaebene muss im Unterricht erst erlernt werden und es benötigt Zeit. Auch beim Experimentieren oder dem naturwissenschaftlichen Untersuchen werden Modelle, bekannte Vorstellungen oder Analogien genutzt. Wenn die Schülerinnen und Schüler Experimente planen oder erklären sollen, greifen sie automatisch auf bekannte Strategien oder Vorstellungen zurück. Wenn die Lehrperson diese Vorstellungen des Einzelnen kennt, kann sie individuell fördern und fordern. Ein Beispiel liefert Unterrichtsgang 1, an dem gezeigt wird, wie an verschiedenen Stellen des Lernprozesses Vorerfahrungen oder Vorstellungen diagnostiziert werden können (siehe Sequenzen 1 bis 3). Die folgenden Schülerzeichnungen, die individuelle Vorstellungen zum Zaubertrick „Durchleuchtungsapparat zeigen, machen deutlich wie sich die Vorstellungen der Lernenden zu Beginn des Optikunterrichtes unterscheiden. Hier kann die Lehrperson gezielt ansetzen bzw. nachjustieren. Das Bild zeigt bereits eine Vorstellung von der geradlinigen und allseitigen Lichtausbreitung sowie einen hergestellten Zusammenhang von Licht und Körper. Unterricht kann hier direkt auf unterschiedliche Körper und ihr Verhalten im Licht ausgerichtet werden. Diese/r Schülerin/Schüler zeigt ein Verständnis von geradliniger Lichtausbreitung. Hier sollte deutlich herausgearbeitet werden, wo Licht ist und wo nicht, damit die Vorstellung von Schatten korrigiert wird. 16 PL-Information 12/2014 Hier zeigt sich ein erstes, wenn auch nicht ganz korrektes Verständnis von Reflexion am Spiegel. Licht wird ganz automatisch als „Strahlen mit geradliniger Ausbreitung aufgefasst. Das Zustandekommen von Schatten und Absorption erscheint noch völlig unbekannt. Bei dieser Skizze wird neben den optischen Vorerfahrungen deutlich, dass die zeichnende Person sehr viele Informationen mitteilen möchte. Diese Person benötigt umgekehrt möglicherweise auch viele Skizzen, Merksätze, Strukturen usw. um zu lernen. Auch hier wird der Effekt des Durchleuchtungsapparates mit Spiegelung zu deuten versucht. Eine ausbaufähige Vorstellung der Lichtausbreitung ist bezüglich der Geradlinigkeit vorhanden. Es lohnt sich, solche Schülerarbeiten anfertigen zu lassen und sie gründlich zu sichten, da man neben einem schnellen Einblick in die Vorkenntnisse auch viel über die Denk- und Arbeitsweise seiner Schülerinnen und Schüler erfahren kann. 17 PL-Information 12/2014 2. UNTERRICHTSBEISPIELE Im Folgenden wird an zwei Unterrichtsgängen (UG) gezeigt, wie das zweite Themenfeld kompetenz- und konzeptorientiert umgesetzt werden kann. Der erste Unterrichtsgang und seine Abwandlung sind jeweils eine in sich geschlossene Einheit auf der Grundlage eines einzigen Kontextes, die bedarfsgerecht optische Teilthemen vereint. UG 2 setzt sich aus vier Kontexten zusammen, die mit ihren Lerneinheiten zeitlich hintereinander unterrichtet werden. UG 1 „Optische Zaubertricks Der Bär in der Dose UG 1A (alternativ) „Was steckt hinter den Zaubertricks? Die Zaubertricks Licht und Schatten Weitere Zaubertricks Wo ist der Schatten? Licht ins Tal bringen Brechung Reflexion Die schwebende Jungfrau UG 2 „Licht ins Dunkel bringen Licht in die Hütte bringen Absorption Farbige 3D-Brillen Alle Unterrichtsgänge sind im Unterricht erprobt worden, erfüllen die Anforderungen des Lehrplanes Physik und beinhalten die optischen Teilthemen Lichtausbreitung, Reflexion, Brechung und Absorption. Durch Nutzung der vorgeschlagenen sowie von weiteren individuellen Differenzierungen können alle bereitgestellten Materialien für die eigene Schulform angepasst werden. Bei der Beschreibung der Unterrichtsgänge werden folgende Abkürzungen verwendet: TF – Themenfeld, – Sequenz, GA – Gruppenarbeit, AB – Arbeitsblatt, Info – Informationsmaterial, Merk – Merkblatt, LE – Lerneinheit, LK – Lernkontrolle, mind – Mindmap. Alle vorgestellten Materialien stehen zum kostenlosen Download auf dem Bildungsserver Rheinland-Pfalz bereit unter: Die Dateinamen bestehen aus der Kennung dieser Handreichung, der TF-Nr., dem Kürzel des Unterrichtsganges, der Sequenznummer (falls vorhanden) und der Art des Materials mit laufender Nummer sowie gegebenenfalls weiterer Kennzeichnung von Teilaufgaben, Gruppen, Differenzierung. 18 PL-Information 12/2014 2.1 Unterrichtsgang 1 „Optische Zaubertricks Der im Folgenden vorgestellte Unterrichtsgang UG 1 ermöglicht anhand von Zaubertricks als kontextualer Einbettung die fachliche Beschäftigung mit der Optik. Eine abgewandelte Variante stellt der Unterrichtsgang UG 1 (A) ab S. 44 dar. TF2 Sequenz UG 1: Optische Zaubertricks S1: Einführungsblock: Der Bär in der Dose Fachlicher Schwerpunkt Schatten, Lichtausbreitung, Lichtgeschwindigkeit, Sender-Empfänger-Modell (2 Unterrichtsstunden) Tätigkeiten/Lernprodukte Entlarven des Zaubertricks (Tafelbild/Hefteintrag) Arbeiten im Sender-Empfänger-Modell (Arbeitsblatt) Konstruieren vereinfachter geometrischer Darstellungen (Hausaufgabe-AB) Durchführen der Zaubertricks (Skizzen) S2: Weitere optische Zaubertricks und ihre Grundlagen Erarbeiten eines gemeinsamen Basiswis- Reflexion, Brechung, Absorption (8 Unterrichtsstunden) sens mit Differenzierungselementen (Absorption, Brechung, Reflexion) (AB/Heft) Aneignen von Vertiefungswissen in einem Teilgebiet mit Wahlmöglichkeiten (Präs.) Vorführen der Zaubertricks (Präsentation) S3: Die schwebende Jungfrau Anwendung aller drei Aspekte Reflexion, Brechung, Absorption (2 Unterrichtsstunden) Entlarven eines Zaubertricks (Arbeitsblatt) Anwenden der Wechselwirkungsaspekte (AB) Erstellen einer Concept-Map (Concept-Map) Erläuterungen zur Durchführung der Sequenz 1 Neben der Schaffung eines formalen Rahmens für den Kontext Zaubertricks dient die Sequenz der Erfassung vorliegender Präkonzepte, die Lichtausbreitung wird thematisiert und ins Sender-(Träger-)Empfänger-Modell übertragen. Zu „Der Bär in der Dose (aus „Aufgaben mit gestuften Hilfen für den Physikunterricht, Friedrich-Verlag, Bestell-Nr. 62343) können folgende Änderungen hilfreich sein: • Die Lampen werden nacheinander eingeschaltet. Damit wird der Trick teilentlarvt, d. h. die Schülervorstellung, dass der Bär in der Dose sei, wird ausgeschlossen. • Falls der Bär in der Dose vorgeschlagen wird, sollte sofort zur Hausaufgabenvariante II übergegangen werden. Sonst erst und danach II. Version der Hausaufgabenblätter liefert den Kernschatten aber keinen Bären. • Wenn man zwei identische Dosen und zwei identische Bären hat, kann die Dose mit Bär darin vor den Augen der Klasse in den Kasten eingesetzt werden, während die zweite Dose und der zweite Bär bereits einzeln optimal im Kasten positioniert sind. Eine Variante des Versuches wird im Material zu UG 1(A) und UG 2 erläutert (siehe S. 50). Für die Zeichnung von Lichtstrahlen/-bündeln kann es vereinfachend sein, die Lichtbereiche gelb zu markieren und die Schattenbereiche in Grautönen. Damit wird die Problematik der Randstrahlen entschärft. 19 PL-Information 12/2014 Unterrichtsgang „Optische Zaubertricks Sequenz 1: Der Bär in der Dose LE Zaubertrick: „Der Bär in der Dose (1) Zaubertrick beobachten, Präkonzepte zur Hypothesenbildung nutzen (Methode Think-Pair-Share), wesentliche Beobachtungen/Schlussfolgerungen notieren Kompetenz Schülerinnen und Schüler verknüpfen Vorwissen und entwickeln Erklärung aufgrund vorhandener Präkonzepte. kommunizieren und überdenken Präkonzepte. Konzeptbezogenes Fachwissen Der Austausch von Materie, Energie und Information findet mit endlicher Geschwindigkeit statt (hier Lichtgeschwindigkeit). (SY) in Analogie zu TF 1 Schallgeschwindigkeit Anknüpfend an: Zur Informationsübertragung sind Sender, (Träger) und Empfänger notwendig. (SY) erklären im Sender-(Träger-)Empfänger-Modell. Lernprodukt Tafelbild/Hefteintrag zu den Beobachtungen/ Schlussfolgerungen, z. B.: Hinweise zum Entlarven des Zaubertricks „Bär in der Dose Beobachtungen: • Ich sehe den Schatten des Bären. • Ich sehe den Schatten der Dose. • Ich sehe den Schatten des Bären im Dosenschatten. • Es gibt zwei Lichtquellen (die auch unterschiedlich weit in der Kiste sein können). • Der Schatten des Teddybären ist dunkler als der Schatten der Dose. Schlussfolgerung: Hier kommt kein Licht von beiden Lampen hin. 20 Differenzierung Aufgaben mit gestuften Hilfen Differenzierte Hausaufgaben Siehe Material zu UG1 S1_HA_Baer_x_Smileys (3 Niveaus) z. B. Niveau 1 PL-Information 12/2014 LE: Zaubertrick: „Der Bär in der Dose (2) Lösung der Hausaufgabe vorstellen, Schatten geometrisch konstruieren, Skizzen zur Entlarvung des Zaubertricks nutzen, Kern- und Halbschatten unterscheiden und dem Sender-Empfänger-Modell zuordnen) Kompetenz Schülerinnen und Schüler präsentieren ihre Überlegungen/Skizzen. nutzen geometrische Darstellungen zur Zaubertrickerklärung. verbalisieren Lichtausbreitung (zum Trick) in Fachsprache. Konzeptbezogenes Fachwissen Der Austausch von Materie, Energie und Information findet mit endlicher Geschwindigkeit statt (hier Lichtgeschwindigkeit). (SY) in Analogie zu TF 1 Schallgeschwindigkeit Anknüpfend an: Zur Informationsübertragung sind Sender, (Träger) und Empfänger notwendig. (SY) konstruieren Schattenbilder. Skizzen zur Entstehung von Schatten und des Zaubertricks Zuordnungsskizze Sender-Empfänger-Modell Siehe Material HR_Ph_TF2_UG1_S1_Merk Differenzierte Aufgabenblätter aus Std.1 Siehe Material zu UG1 HR_Ph_TF2_UG1_S1_HA1 bis 3 (3 Niveaus) z. B. HA2: 21 PL-Information 12/2014 Lösungen zum Zaubertrick „Bär in der Dose Die zeichnerische Lösung zum Schattentrick ist für viele Schülerinnen und Schüler kompliziert und benötigt individuelle Unterstützung. In den einzelnen Schwierigkeitsstufen wird z. T. mit Einzellampen schrittweise vorgegangen. Gruppen- bzw. Partnerarbeit können zur gegenseitigen Unterstützung beitragen. HR_Ph_TF2_UG1_S1_HA_Loes 22 PL-Information 12/2014 Erläuterungen zur Durchführung der Sequenz 2 „Weitere Zaubertricks Roter Faden durch die gesamte Sequenz sind die Zaubertricks, die in Gruppen bearbeitet werden. Diese werden zuerst gezaubert (Motivationsphase, Std. 1), danach werden die Grundlagen der zugrunde liegenden physikalischen Gebiete (Reflexion, Brechung, Absorption) als Pflichtaufgaben von den Schülerinnen und Schülern erarbeitet (Grundlagenphase, Std. 2-5). Im sich anschließenden Wahlteil vertieft die Gruppe ihre Kenntnisse zum physikalischen Gebiet ihres anfangs gewählten Zaubertricks. In der Präsentationsrunde stellt die Schülergruppe schließlich den eigenen Zaubertrick in geeigneter Fachsprache vor und informiert sich gleichzeitig über zwei Tricks der jeweils anderen physikalischen Gebiete (Vertiefungsphase, Std. 6-8). Im Verlauf dieser Sequenz formulieren die Schülerinnen und Schüler am Ende jeder Unterrichtsphase schriftlich eine Erklärung zu ihrem Zaubertrick. Die anfänglichen Präkonzepte und deren Veränderung im Laufe des Unterrichts können somit selbst redend zur Diagnose herangezogen werden. Ein besonderes Augenmerk liegt bei der Konzeption dieser Sequenz auf vielfältigen Differenzierungsmöglichkeiten. Das Angebot umfasst Neigungsdifferenzierung in der Motivationsphase, gestufte Arbeitsblätter für die Pflichtphase und Hilfekarten zur Vertiefungsphase. Übersicht über die Zaubertricks 1) Kerze unter Wasser 2) Wundersame Geldvermehrung Absorption Reflexion Brechung (z. T.) Hinweise auf Fahrwagen aufbauen leicht mehrfach zu vergeben 3) Fische jagen 4) Die unsichtbare Münze leicht mehrfach zu vergeben 5) Verzaubertes T-Shirt 6) Wackelbilder leicht mehrfach zu vergeben Zur besseren Koordination werden alle Arbeitsaufträge zu einem physikalischen Gebiet mit gleicher Farbe/Schraffur gekennzeichnet (auch farbiges Papier geeignet). Damit ist es den Lernenden einfacher, sich in der Vorführrunde den thematisch anderen Zaubertricks zuzuwenden. Um den Schülerinnen und Schülern keine Hinweise auf die Zuordnung zu den thematischen Schwerpunkten vorzugeben, kann man die Arbeitsaufträge in der ersten Zauberrunde auch farblich neutral gestalten. 23 PL-Information 12/2014 Zaubertricks unter Material zu UG1: HR_Ph_TF2_UG1_S2_ZT_1 bis 6 24 Nr. Zaubertrick Material Hinweise 1 Kerze unter Wasser Zwei gleiche Kerzen samt Kerzenhalter, zwei Bechergläser (eines zum Auffüllen), eine Glasplatte samt sicherer Befestigung, undurchsichtige nicht brennbare Abdeckung, Feuerzeug Gute Effekte erzielt man durch Abdecken der brennenden Kerze mit einem geknickten Karton und bereits halb gefülltem Glas beim Start. Gefährdungshinweis: Schnittgefahr beim Glas und beim Entzünden der Kerze. Auf Fahrwagen aufbauen und für Stunde 8 stehen lassen. 2 Wundersame Geldvermehrung Zwei ebene rechtwinklige Spiegel oder Spiegelfliesen, Gewebeklebeband, laminierte Winkelscheibe, verschieden große Münzen Verschiedene Münzdurchmesser legen den minimalen Spiegelwinkel fest. Wenn der Quotient von 360 und Spiegelwinkel nicht ganzzahlig ist, dann ergeben sich nur Bruchteile des Spiegelbildes. 3 Fische jagen Wanne, Rohr, Metallstab, StativDer Metallstab sollte wesentlich material, Drehmuffe oder Reagenz- länger als das Rohr sein. glashalter, Fisch Achtung: Abstand zum Rohr einhalten Verletzungsgefahr fürs Auge! 4 Die unsichtbare Münze Tasse, Münze, Becher zum Auffüllen 5 Verzaubertes T-Shirt Schuhkarton, schwarzer Filz zum Auskleiden, grüner Filz als T-Shirt geschnitten, rote Folie oder Filter, durchsichtige Bücherfolie oder durchsichtiges Paketband, Taschenlampe 6 Wackelbilder Der Karton wird nahezu fertig von der Lehrkraft vorbereitet. Die Abstimmung von Folienfarbe und roter Filzstiftfarbe ist besonders wichtig und sollte vorher erprobt werden! PL-Information 12/2014 Hinweis zum Vorbereiten der Kiste für den Trick 5 „Verzaubertes T-Shirt: Die Kiste sollte für die Schülerinnen und Schüler fertig vorbereitet sein. Beide Farbfilter werden bereits vollständig in die Buchfolie eingeschlagen und gegen ein Durchhängen durch Führungsschienen am Deckel fixiert. Ist der Schlitz an den Seiten schmal genug, sind die Farbfilter gegen ein unbeabsichtigtes Herausziehen gesichert und damit gegen Bruch geschützt. Zum Auskleiden der Kiste wurde schwarzer Filz benutzt. Es empfiehlt sich, das T-Shirt auf einer leichten Schräge unterhalb des Farbfilters zu positionieren. Ist die Schräge lose einlegbar, lässt sich die Ausleuchtung in Verbindung mit der Schrägstellung einfacher optimieren. Im normal erleuchteten Klassenraum ist keine zusätzliche Lichtquelle von oben erforderlich. Maße der Öffnungen: • Durchmesser Guckloch 1 cm • Aussparung für Filter 4 cm 4 cm 25 PL-Information 12/2014 Motivationsphase In dieser Stunde sollen sich die Lernenden mit ihrem Zaubertrick, den sie nach Neigung gewählt haben, vertraut machen. Die Beschäftigung mit diesem Zaubertrick soll Fragen nach der Entlarvung provozieren und Motivation schaffen, diesen Fragen naturwissenschaftlich nachzugehen, zu forschen und geeignete Erklärungen zu finden. Dabei sollte man auf eine gleichmäßige Verteilung der Gruppen auf die Zaubertricks zu den Gebieten Reflexion, Brechung und Absorption achten. Grundlagenphase: Absorption, Reflexion und Brechung Im Pflichtteil wird das Basiswissen der physikalischen Gebiete Absorption, Reflexion und Brechung auf methodisch unterschiedliche Weise erarbeitet. Die Absorption soll mit Hilfe eines Demonstrationsexperimentes im Plenum behandelt werden. Der Themenbereich der Reflexion wird von allen Schülerinnen und Schülern mit Hilfe derselben Arbeitsblätter 1 bis 3 nacheinander erarbeitet. Das unterschiedliche Lerntempo wird in der Hausaufgabe (Arbeitsblatt 3 vervollständigen) aufgefangen. Die Arbeitsblätter zur Brechung werden mit Hilfe von Schülerübungen realisiert und sind in drei Niveaustufen vorhanden: Wissenschaftler, Forscher und Entdecker. Die Lehrkraft kann für die gesamte Klasse bis zu drei Niveaustufen auswählen, individuell eine Stufe empfehlen (wobei sich das Kind auch dagegen entscheiden kann) oder freie Wahl lassen. Die Schülerin/der Schüler erarbeitet sich das Thema Brechung auf ihrer/seiner Niveaustufe selbständig. Am Ende des Pflichtteils bietet es sich an, eine Hausaufgabenüberprüfung zu schreiben, da die Lernenden zu Absorption, Reflexion und Brechung identische Hausaufgaben bearbeitet haben. Umgang mit den Schülerexperimenten Wenn die im Pflichtteil durchzuführenden Schülerübungen (möglichst in Zweiergruppen) nicht in ausreichender Menge vorhanden sind, kann arbeitsteilig vorgegangen werden. Für die Stunden „Reflexion und Brechung kann die Klasse in zwei Hälften aufgeteilt werden. Hälfte arbeitet in der ersten Stunde an der Reflexion, Hälfte an der Brechung. In der darauffolgenden Stunde werden die Themen getauscht. Schulen, die eine entsprechend hohe Anzahl an Schülerübungen besitzen, sollten Reflexion und Brechung nacheinander im gesamten Klassenverband bearbeiten, dies erleichtert der Lehrkraft die Unterrichtsorganisation. Vertiefungsphase: Absorption, Reflexion und Brechung Jede Schülerin/jeder Schüler vertieft sich alleine oder zu zweit mit Hilfe der Angebote der Lerntheke in dem physikalischen Bereich gemäß dem Schwerpunkt ihres/seines Zaubertricks. Zur jedem Zaubertrick existiert eine vollständige Lösung, die sich durch Nutzung der gestuften Hilfekarten ergibt. Dabei erarbeitet sie/er sich zusätzliches Fachwissen, welches zur Erklärung des eigenen Zaubertricks während der Präsentation in der 8. Stunde benötigt wird. Während dieser Vorführrunde eignen sich die Lernenden zusätzliches Fachwissen der beiden anderen physikalischen Gebiete an, indem sie der Präsentation der Mitschüler aufmerksam folgen. 26 PL-Information 12/2014 Unterrichtsgang „Optische Zaubertricks Sequenz 2: Weitere optische Zaubertricks und ihre Grundlagen LE Zaubertrick auswählen und nach Anleitung durchführen (Gruppen) (1) Erfassen von Präkonzepten zur Korrektur/Ausdifferenzierung (Diagnosemöglichkeit, an zwei weiteren Stellen im UG zu korrigieren, zu verfeinern bzw. auszudifferenzieren) Hinweis siehe: Kompetenz Schülerinnen und Schüler Konzeptbezogenes Fachwissen kein expliziter Beitrag, Phase dient der Motivation bauen nach Anleitung in Gruppen ein Experiment auf, führen es durch und protokollieren es. verbalisieren Präkonzepte. Lernprodukt Formulierung einer Erklärung zum Zaubertrick (gemäß Aufgabenstellung zu den Zaubertricks) Differenzierung verschieden schwierige Zaubertricks HR_Ph_TF2_UG1_S2_ZT_1u2 Die Kerze unter Wasser Zaubertrick Ihr benötigt für diesen Zaubertrick • • • eine Glasplatte, zwei gleiche Kerzen und ein Becherglas, das ihr zunächst nur halb mit Wasser füllt. Durch Auffüllen mit Wasser könnt ihr schließlich den Zuschauern vortäuschen, dass eine Kerze unter Wasser brennen kann. 1. Führt den Zaubertrick durch. 2. Fertigt eine Skizze (Draufsicht) im Heft an und versucht, eure Beobachtung zu erklären. Haltet auch schriftlich fest, was sich an der Spiegelbildflamme verändert, wenn ihr sie von einem anderen Ort aus betrachtet. Wundersame Geldvermehrung Zaubertrick Mit Hilfe von Spiegeln könnt ihr Geld wundersam vermehren. • • Klebt hierzu die Spiegel an einer Kante mit Textilklebeband zusammen. Stellt die Spiegel wie ein offenes Buch vor euch und schiebt das Geld dazwischen! 1. Untersucht nun wie viel Geld ihr maximal „erzeugen könnt. 2. Führt den Zaubertrick mit verschieden großen Geldstücken durch! 3. Haltet eure Erkenntnisse schriftlich im Heft fest! 4. Fertigt eine Skizze (Draufsicht) für eine Position von Spiegeln und Geldstück an und ergänzt für diesen Fall alle Spiegelbilder! HR_Ph_TF2_UG1_S2_ZT1u2 27 PL-Information 12/2014 HR_Ph_TF2_UG1_S2_ZT_5u6 • • • Das verzauberte T-Shirt Zaubertrick Öffnet den Deckel des Zauberkastens und hängt das grüne T-Shirt an die Rückwand. Beleuchtet es nun von oben mit der Taschenlampe und betrachtet das T-Shirt von vorne durch das Guckloch! Zieht nun vorsichtig ein wenig an der seitlichen Lasche und schaut dabei erneut durchs Guckloch. ð Haltet eure Beobachtung schriftlich im Heft fest und versucht sie zu erklären! HR_Ph_TF2_UG1_S2_ZT_3u4 • • • Fische jagen Zaubertrick Füllt einen Wassertrog mit Wasser und legt einen kleinen Fisch auf den Boden des Behälters. Befestigt das Metallrohr am Stativmaterial und richtet nun das Metallrohr so aus, dass ihr den Fisch durch das Rohr hindurch sehen könnt. Führt dann den langen Metallstab durch das Rohr und versucht den Fisch aufzuspießen! 1. Fertigt eine Skizze (Seitenansicht) im Heft an! 2. Schreibt eure Beobachtung auf und versucht sie zu erklären! • • • Wackelbilder Zaubertrick Klebt die durchsichtige rote und grüne Folie auf Stoß aneinander. Zeichnet dann mit Bleistift ein Symbol auf das weiße Blatt Papier und ergänzt nun ein kleines Detail mit dem roten Filzstift. Zieht die durchsichtige Folie nun hin und her über das weiße Blatt Papier! ð Beschreibt eure Beobachtung im Heft und versucht sie zu erklären! • • • Die unsichtbare Münze Nehmt euch eine Tasse und legt eine Münze auf den Boden. Eine/r von euch sieht nun schräg in die Tasse, so dass die Münze gerade nicht mehr zu sehen ist. Der Beobachter muss diese Position beibehalten, während eine Mitschülerin ein Mitschüler dann langsam Wasser in die Tasse füllt. 1. Führt den Trick mehrfach durch, so dass jeder einmal der Beobachter sein kann! 2. Fertigt eine Skizze (Seitenansicht) an! 3. Beschreibt eure Beobachtung im Heft und versucht sie auch zu erklären! HR_Ph_TF2_UG1_S2_ZT_5u6 HR_Ph_TF2_UG1_S2_ZT_3u4 Abgewandelte Zaubertrickaufträge finden sich im Download-Material zu UG 1 (A) unter: 28 Zaubertrick PL-Information 12/2014 LE Gemeinsames Basiswissen erarbeiten (4) Regeln, Sicherheit (besonders bei Schülerübungen) Offenlegung der Konzeption: Aufspaltung in Pflichtbasiswissen und Vertiefungsteil, um Zaubertricks wissenschaftlich erklären zu können. Experimente und Grundlagen zu Absorption (Demonstrationsexperiment: in langer wassergefüllter Röhre wird Licht abgeschwächt) Experimente und Grundlagen zur Reflexion (Schülerübungen im Wechsel -jeweils halbe Klasse zeitversetzt mit Brechung- einheitliche Arbeitsblätter bei Reflexion) Experimente und Grundlagen zur Brechung (gestufte Arbeitsblätter für Wissenschaftler (iii), Forscher (ii) und Entdecker (i) sowie Hausaufgaben als zweite Diagnostikphase innerhalb dieser Stunden) Kompetenz Schülerinnen und Schüler . planen einfache Experimente zu Reflexion, Brechung und Absorption, führen sie durch und protokollieren ihre Ergebnisse. Konzeptbezogenes Fachwissen Licht wird an Grenzflächen reflektiert und/oder gebrochen, zudem findet Absorption statt. (WW) Absorption von Teilen des Lichtspektrums in Materie führt zur Veränderung des Farbeindrucks. (WW) . dokumentieren optische Phänomene durch das Anfertigen von Diagrammen aus Messwerten. . nutzen das Strahlenmodell zur Vorhersage optischer Phänomene. . werten Diagramme zur Gewinnung von Informationen über den Strahlenverlauf aus. Lernprodukt bearbeitete einheitliche Arbeitsblätter zur Reflexion Differenzierung drei verschiedene Schwierigkeitsgrade bei den Arbeitsblättern zur Brechung differenzierte Arbeitsblätter zur Brechung Wichtige Hinweise an die Schülerinnen und Schüler für die Stunden dieser Lerneinheit: • Sie bleiben für Thema „Reflexion in Zaubergruppen zusammen. • Einführung in Schülerübung (Verhalten, Umgang, Protokoll) notwendig. 29 PL-Information 12/2014 Basiswissen Absorption Mögliche Demonstrationsexperimente: Versuch 1: Standzylinder wird vollständig mit Wasser gefüllt und dieses mit drei Tropfen Milch oder Tinte eingefärbt. Mit einer Taschenlampe/Experimentierleuchte wird ein schmales Lichtbündel von oben in den Standzylinder gerichtet. Die seitliche Betrachtung liefert ein immer stärker abgeschwächtes Lichtbündel. Absorption ist in Aufsicht von vorne erkennbar. Das so wahrgenommene Licht entsteht allerdings im wesentlichen aufgrund der Streuung am Färbematerial. Darum schließt man eigentlich von der wahrgenommenen Streuung auf die Absorption zurück. Versuch 2: Zwei identische Glasgefäße mit möglichst planem Boden werden unterschiedlich hoch mit der gleichen eingefärbten Flüssigkeit (z. B. Wasser mit Tinte) gefüllt und auf den Tageslichtprojektor gestellt. Die Durchsicht wird als Projektion auf der Wand sichtbar, wobei der Rest der leuchtenden Fläche z. B. mit einem Tuch geeignet abzudunkeln ist. Absorption ist direkt in Durchsicht erkennbar. Versuch 3: Drei „weiße Gummibärchen werden von rotem Licht (kein Laser!) durchleuchtet. Der Abstand beträgt jeweils etwa eine Gummibärenbreite. Absorption ist in Aufsicht und insbesondere in den Zwischenräumen erkennbar. Streuung findet ebenfalls merklich statt. 30 PL-Information 12/2014 Beispiel für Hefteintrag: Basiswissen Absorption Versuch: je nach Auswahl aus den Demonstrationsexperimenten Skizze: entsprechend Merksatz: Je weiter das Licht durch ein teildurchlässiges Medium hindurchgeht, desto mehr Licht wird vom Medium absorbiert (aufgenommen). Basiswissen Reflexion und Brechung mit Schülerübungen: Arbeitsblätter Material Reflexion Arbeitsblatt 1 HR_PH_TF2_UG1_S2_Refl_AB1 Reflexion Arbeitsblatt Befestige beim zugehörigen Versuch das Guckrohr am zweiten Stativ, so dass du den Stern im Spiegel durch dieses Guckrohr siehst. Spiegelfliese Rohr fest fixiert Rohr mit Drehmuffe Stern Hinweise Möglichst zweimal aufbauen, so dass die Schülerinnen und Schüler den Stern eigenständig anvisieren können. Spiegel auf Tisch Zeichne eine zweite Röhre so ein, dass du den Stern durch diese Röhre im Spiegel sehen kannst. Was fällt dir auf? --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Lösung und Versuchsaufbau: Spiegel auf Tisch HR_Ph_TF2_UG1_S2_Refl_AB1 31 PL-Information 12/2014 Reflexion Arbeitsblatt 2 HR_Ph_TF2_UG1_S2_Refl_AB2 Reflexion Arbeitsblatt Taschenlampe Blatt Spiegelfliese Geodreieck 1. Nimm die Taschenlampe und richte den Lichtkegel einmal auf ein weißes Blatt und einmal auf einen ebenen Spiegel. Beschreibe deine Beobachtung in eigenen Worten! 2. Ergänze den unten stehenden Text mit folgenden vorgegebenen Worten: eine bestimmte Richtung, allen Richtungen, Reflexion, einer bestimmten Richtung, Streuung Wenn das Licht aus auf das Blatt fällt, so kann man aussehen, dass das Blatt heller wird. Außerdem erscheinen auch die Dinge in der Umgebung heller, denn das Blatt sendet Licht in alle möglichen Richtungen aus. Diesen Vorgang nennt man. Wenn das Licht hingegen auf einen ebenen Spiegel fällt, so wird das Licht vollständig in gelenkt, man spricht hier von. Einen Lichtstrahl, der in sich selbst zurückreflektiert wird, nennt man Lot. Wir nutzen dieses Lot als Konstruktionshilfe und zeichnen das Lot immer gestrichpunktet. 3. Schematisch kann man die Reflexion am ebenen Spiegel darstellen wie folgt: Ordne folgende Begriffe den Zahlen im Bild zu: reflektierter Strahl, einfallender Strahl, Lot, Spiegel, Einfallswinkel, Reflexionswinkel 1) 2) 3) 4) 5) 6) Die Größe des Einfallswinkels ist genauso groß wie die Größe des Reflexionswinkels. HR_Ph_TF2_UG1_S2_Refl_AB2 Reflexion Arbeitsblatt 3 HR_Ph_TF2_UG1_S2_Refl_AB3 32 Eventuell Anleitung zur Winkelmessung aus Mathematikbuch kopieren Die Arbeitsblätter können vereinfacht werden, indem der Strahl bis zum Spiegel verlängert wird und/oder das Lot bereits gestrichpunktet bei den Anfangsbeispielen eingezeichnet wird. Für das Grundverständnis ist nur der obere Teil von Arbeitsblatt 3 notwendig. PL-Information 12/2014 Brechung Wissenschaftler HR_Ph_TF2_UG1_S2_Brech_AB1. SÜ Optik: Lampe, Halbkreiskörper Arbeitsblatt auf Größe des Halbkreiskörpers anpassen (geogebra-Datei) 33 PL-Information 12/2014 Brechung Forscher HR_Ph_TF2_UG1_S2_Brech_AB2. 34 SÜ Optik: Lampe, Halbkreiskörper Arbeitsblatt auf Größe des Halbkreiskörpers anpassen (geogebra-Datei) PL-Information 12/2014 Brechung Entdecker HR_PH_TF2_UG1_S2_Brech_AB3. SÜ Optik: Lampe, Halbkreiskörper Arbeitsblatt auf Größe des Halbkreiskörpers anpassen (geogebra-Datei) Eine Hausaufgabe zur Weiterentwicklung der Kompetenzen im Umgang mit Diagrammen findet sich im Material unter HR_Ph_TF2_UG1_S2_HA. Eine Hausaufgabenüberprüfung steht unter HR_Ph_TF2_ UG1_S2_Test zum Download bereit. 35 PL-Information 12/2014 LE Vertiefungswissen aneignen/ Zaubertrick vorführen (3) Lerntheke, HÜ, Präsentation der Zaubertricks als Experten Kompetenz Schülerinnen und Schüler Konzeptbezogenes Fachwissen Licht wird an Grenzflächen reflektiert und/oder gebrochen, zudem findet Absorption statt. (WW) präsentieren ihre Überlegungen/Skizzen. nutzen geometrische Darstellungen zur Zaubertrickerklärung. Absorption von Teilen des Lichtspektrums in Materie führt zur Veränderung des Farbeindrucks. (WW) verbalisieren Lichtausbreitung (zum Trick) in Fachsprache. konstruieren Schattenbilder. Lernprodukt ausgewähltes bearbeitetes Lerntheken-Material Präsentation des Zaubertricks Zeitungsartikel als Zauberspion Siehe Material HR_Ph_TF2_UG1_S2. Differenzierung Lerntypenvielfalt, Lerntempo, Sozialform Anleitungen mit Hilfekarten Siehe Material HR_Ph_TF2_UG1_S2. Lerntheke Die Schülerinnen und Schüler können innerhalb der dem Zaubertrick zugehörigen Zeilen auswählen. Die Lerntheke berücksichtigt das eigene Lerntempo, verschiedene Lerntypen und Schwierigkeitsgrade. Das vorliegende Angebot kann nur einen Teil der Lerntheke umfassen und ist um geeignetes vorhandenes Material aus Schulbüchern oder Arbeitsblattsammlungen entsprechend der Fähigkeiten und Bedürfnisse der Schülerinnen und Schüler individuell zu ergänzen. Hinweis: die Schülerinnen und Schüler dürfen nur einmal Hilfekarten in ihrem Fachgebiet (Absorption, Brechung, Reflexion) benutzen. Damit ist sichergestellt, dass sie sich nur im eigenen Zaubertrick und allgemein in ihrem Fachgebiet vertiefen, nicht jedoch in einem anderen Zaubertrick. 36 PL-Information 12/2014 Thema Angebot der Lerntheke Empfänger: Rotfilter Sender: Lampe Schirm Prisma Sender: Rotfilter Vorlage Farbiger Durchblick dem Filter auf der Spur HR_Ph_TF2_UG1_S2_LT_Abs_Filter Vorlage Weißes Licht besteht aus Farben Vorlage: Material aus Schulbüchern oder Arbeitsblattsammlungen verwenden Prisma mit Filter vorn und hinten (Experiment, siehe Physikbuch) Lampe Empfänger: Schirm Prisma e Lampe Empfänger: Rotfilter Sender: Schirm Sender: Rotfilter Prisma Lösung Gummibärchen als Filter DThUKDM_Wtk Lösung Lösung: Weißes Licht Lampe Empfänger: Schirm Hilfekarten Wackelbilder HR_Ph_TF2_UG1_S2_LT_Abs_Wack z. B.: Verzaubertes T-Shirt Hilfekarte 1 Sender: Sender: rotes Detail des Bildes weißes Blatt weißes Licht rotes Licht Empfänger: Auge Wackelbilder Das verzauberte T-Shirt Hilfekarte 2 Hilfekarte 1 Ich sehe mein Wackelbild, weil Licht in mein Auge gerät. Das rote Detail des Wackelbildes und das weiße Blatt Papier sind Sender, mein Auge ist der Empfänger. Die Signalübertragung geschieht durch rotes Licht, das vom Detail des Wackelbildes ausgeht und weißes Licht, das vom Blatt Papier, auf das ich gemalt habe, ausgeht. Die schwarz gezeichnete Kontur des Wackelbildes sendet nicht. Überlege dir, wie dein Auge das weiße Blatt Überlege dir zunächst, warum du das grüne Papier sieht, wenn die Signalübertragung Filz-T-Shirt überhaupt sehenist. kannst, wenn durch die rote Folie gestört Das Senderweißes Licht darauf fällt. Empfänger-Modell kann dir dabei helfen! Das Sender-Empfänger-Modell kann alle dir Beachte auch, dass in weißem Licht dabei helfen! Farben, auch rot schon enthalten sind. Sender: weißes Blatt Papier Sender: Grünes Filz-T-Shirt E weißes Licht O Hilfekarten Verzaubertes T-Shirt HR_Ph_TF2_UG1_S2_LT_Abs_Shirt z. B.: Lerntheke Überlege dir zunächst, warum du dein Wackelbild überhaupt sehen kannst, wenn Hinweis zum Umgang mit den Hilfekarten: keine Folie dazwischen ist. F Nutze die Hilfekarten nur, wenn du nicht weiter Daskommst. Sender-Empfänger-Modell kann dir F Nimm dir die erste Hilfekarte und lies deren dabei Rückseite! helfen! F Denke darüber nach und öffne dann erst diese Hilfekarte! HR_Ph_TF2_UG1_S2_LT_Abs_Filter F Lies die Innenseite der Hilfekarte und rede mit deinem Partner darüber! F Versucht die Aufgabe nun zu lösen. F Wenn du weitere Hilfe benötigst, verfahre ebenso mit der zweiten Karte! usw Wackelbilder Licht Absorption Prisma rotes Licht Ich sehe das T-Shirt, weil Licht vom T-Shirt bis in mein Auge gerät. Das T-Shirt ist der Das weiße Blatt sieht weil der RotSender, mein Auge istrot deraus, Empfänger. Die filter alle F