Schattenbank (Lernwerkstatt)

Optik

Grundidee

Die Schattenbank in Betrieb nehmen

• Am rechten Rand des Bretts in einem Batteriefach sollten vier Batterien sein, Typ AAA ↗
  

• Von dem Batteriefach aus gehen Kabel weg. Stelle sicher, dass der Stromkreis geschlossen ist.
  

• Am linken Rand des Bretts sind zwei Fassungen mit je einer kleinen Glühbirne ↗
  

• Die Glühbirnen sollten fest in die Fassung eingedreht sein, sodass sie Kontakt haben.
  

• In der rechten vorderen Ecke ist ein kleiner Kippschalter. Schalte darüber die Birnen ein.
  

• Beide Glühbirnen sollten jetzt hell leuchten.
  

• Auf dem Versuchsbrett steht ein kleiner rechteckiger Holzturm.
  

• Stelle den Holzturm so zwischen die Glübhirnen, dass auf der weißen Wand Schatten entstehen.
  

• Die Schatten sollten gut sichtbar sein. Wenn der Raum an sich zu hellen, dunkle ihn ab.
  

• Kann man den Raum nicht abdunkeln, dunkle das Brett mit anderen großen Gegenständen ab.
  

Versuch 1: die Idee der Strahlenoptik

• Etwa ab Klasse 4:
  

• Drehe eine der zwei Glühbirnen so aus der Fassung heraus, dass sie erlischt.
  

• Jetzt sollte nur noch eine der zwei Birnen leucht. Es ist egal, welche Birne leuchtet.
  

• Stelle den Holzturm so zwischen Birne und weiße Wand, dass auf der Wand ein Schatten entsteht.
  

• Ganz vorne am Brett ist ein Metallstab aus Eisen. Ziehe ihn aus der Halterung heraus.
  

• Halte den Stab mit einem Ende an die Grenze des Schatten auf dem Schirm.
  

• Führe ihn dann von dort über die Mitte der leuchtenden Birne.
  

• Er wird dann auch genau an einer der Ränder des Holzturmes vorbeigehen.
  

• Anders gesagt: die Birne, eine Schattengrenze und der Holzturmrand liegen immer auf einer Geraden.
  

• Eine gerade Linie, die irgendwo anfängt, nennt man in der Optik auch einen Strahl ↗
  

• Gedanklich ist die Glühbirne der Entstehungsort von einem sogenannten Lichtstrahl ↗
  

• Probiere das mit verschiedenen Positionen des Holzturmes aus. Es sollte immer funktionieren.
  

• Schalte nun auch die zweite Glühbirne aus (herausdrehen oder über den Kippschalter).
  

• Stelle dann den Turm irgendwo zwischen die Lampen und die Wand.
  

• Versuche mit Hilfe des Eisenstabes die zwei Ränder des Schattens vorherzusagen.
  

• Markiere diese Ränder mit den verschiebbaren schwarzen Ringen an der Schiene oben an der Wand.
  

• Schalte das Licht wieder ein und überprüfe, wie gut deine Vorhersage war.
  

• Wenn man präzise genug vorgeht, sollten man die Schatten gut vorhersagen können.
  

• Diese Optik mit Hilfe von gedachten Lichtstrahlen nennt man die Strahlenoptik ↗
  

Versuch 2: Kern- und Halbschatten

• Etwa ab Klasse 4:
  

• Mache nun beide Glühbirnen an (beide fest in die Fassung drehen, Kippschalter betätigen).
  

• Stelle den Holzturm an verschiedene Stellen zwischen den Birnen und der weißen Wand.
  

• Steht der Turm näher bei den Birnen, wird man zwei getrennte Schatten erkennen.
  

• Steht der Turm näher an der weißen Wand, sieht man zwei Halb- und einen Kernschatten ↗
  

• Finde selbst eine Logik heraus, mit der du bei ausgeschalteten Lampen genau vorhersagen kannst, wo die Grenzen zwischen voller Helligkeit, Halb- und Kernschatten verlaufen.
  

Versuch 3: Proportionalitäten erkennen

• Etwa ab Klasse 8:
  

• Nun benötigst du zusätzlich noch ein Maßband oder ein Lineal ↗
  

• Der Versuch wird nur mit einer leuchtenden Lampe durchgeführt.
  

• Stelle den Turm irgendwo zwischen die Birne und die weiße Wand.
  

• Miss den Abstand von der Birne zum Turm und vom Turm zur Wand.
  

• Miss dann die Breite des Schattens auf der Wand.
  

• Estelle daraus eine Tabelle aus Versuch ↗
  

• Erstelle einen Graphen mit dem Abstand des Turms von den Birnen als x-Wert und der Breite des Schattens als y-Wert Graph aus Tabelle ↗
  

• Erstelle einen Graphen mit dem Abstand des Turms von der Wand als x-Wert und der Breite des Schattens als y-Wert Graph aus Tabelle ↗
  

• Begründe, ob irgendeine dieser zwei Zuordnung proportional oder umgekehrt proportional ist.
  

• Siehe dazu auch Proportionalität erkennen ↗
  

Versuch 4: Strahlensatz anwenden

• Etwa ab Klasse 8:
  

• Nun benötigst du zusätzlich noch ein Maßband oder ein Lineal ↗
  

• Der Versuch wird nur mit einer leuchtenden Lampe durchgeführt.
  

• Stelle den Turm irgendwo zwischen die Birne und die weiße Wand.
  

• Zeige an mehreren rechnerischen Beispielen, wie hier der Strahlensatz gilt.
  

• Wenn du es verstanden hast, dann kannst aus der Breite des Schattens, der Breite des Turms und dem Abstand zwischen der Glühbirne und der weißen Wand berechnen, wie weit der Turm von den Glühbirnen entfernt ist.
  

• Siehe auch Strahlensatz ↗
  

Versuch 5: Gedankenexperiment