Jan Winkelmann

Geometrische Optik

Licht Schatten Reflexion Spiegel Kerze
Auch das Licht der gespiegelten Kerze erzeugt Schatten in der realen Welt., Foto: Jan Winkelmann

Jan Winkelmann

Ein Überblick über fachliche und didaktische Hintergründe

Die Optik bietet aufgrund vieler ansprechender Phänomene einen ästhetischen und damit für viele Menschen motivierenden Zugang zur Physik. Artistische Schattenspiele füllen ganze Theaterhallen, und große Schatten wie Mond- oder Sonnenfinsternis schaffen es regelmäßig in die Nachrichten. Aber auch im Kleinen lassen sich auf den ersten Blick verblüffende Spiele von Licht und Schatten am ebenen Spiegel beobachten. Eine gespiegelte Kerze kann als zusätzliche Lichtquelle sogar Schatten vor dem Spiegel erzeugen (s. Abb. 1 ).
Erfahrungsgemäß erfreut das Arbeiten mit Kerzen im abgedunkelten Raum Schülerinnen und Schüler und kann den genauen Blick schulen: Wie zum Beispiel lässt sich der helle Ring beim austretenden Licht aus einem mit Wasser gefüllten Rundkolben (s. Abb. 2 ) erklären? 1)
Eine weitere Motivation für die Beschäftigung mit der Optik bietet der scheinbare Widerspruch, dass das für das menschliche Auge unsichtbare Licht uns hilft, unsere Umwelt sichtbar zu machen.
Sehr schöne und nicht nur für Schülerinnen und Schüler zum Nachdenken anregende Fotografien präsentiert und erklärt Hans Joachim Schlichting regelmäßig auf seiner Homepage „Die Welt physikalisch gesehen unter der Rubrik „Monatsrätsel [3]. Häufig werden dabei Phänomene aus der Optik thematisiert.
Die Schulcurricula sehen in verschiedenen Jahrgangsstufen eine Beschäftigung mit der Optik vor. In der Sekundarstufe I bildet die geometrische Optik mit dem Modell des Lichtstrahls und der geradlinigen Ausbreitung von Licht den Schwerpunkt. Damit können Lichtwege nachvollzogen und eine Vielzahl optischer Phänomene erklärt werden. In der Oberstufe wird die Optik dann um Modellvorstellungen des Wellen- sowie Teilchencharakters von Licht erweitert.
Im Folgenden werden zunächst der fachliche Kern der geometrischen Optik sowie Schülervorstellungen und damit verbundene Lernschwierigkeiten dargestellt. Darüber hinaus werden zwei prominente Unterrichtskonzepte vorgestellt sowie Hinweise auf Experimentiermöglichkeiten gegeben. Und da in der geometrischen Optik mit vielen Modellen und damit einhergehenden Repräsentationen gearbeitet wird bzw. die geometrische Optik per se eine idealisierte Perspektive darstellt, bildet eine Reflexion über die Genese von Modellen den Abschluss dieses Beitrags.
Fachlicher Kern
Die geometrische Optik beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von Licht an Grenzflächen und mit der Ausbreitung von Licht durch optische Vorrichtungen. Dabei ist in realistischen optischen Systemen der Schärfegrad der Abbildung beugungsbegrenzt. In guter Näherung werden Phänomene wie Interferenz und Beugung, die der Wellennatur des Lichts zuzuschreiben sind, in der geometrischen Optik vernachlässigt. Zudem wird außer Acht gelassen, dass Licht gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie in Gravitationsfeldern messbar abgelenkt wird. Stattdessen wird ein idealisierter Geltungsbereich angenommen, in dem sich Licht geradlinig als Lichtstrahl ausbreitet. Die so gewonnene Einfachheit überwiegt dabei in vielen Situationen die in Kauf genommene Ungenauigkeit.
Reflexion, Brechung und fermatsches Prinzip
Mit den o.g. Rahmenbedingungen lassen sich Gesetze für die Reflexion und die Brechung von Licht formulieren (s. Abb. 3 ). Für beide Gesetze gilt: Einfallendes Licht, Lot und reflektiertes bzw. gebrochenes Licht liegen in einer Ebene.
Zusätzlich liefert das fermatsche Prinzip eine hilfreiche Möglichkeit, die Ausbreitung von Licht zu verstehen und vorherzusagen. Bereits in der Antike war bekannt, dass der Weg, den das Licht nimmt, um von irgendeinem Punkt O über eine reflektierende Fläche zu einem Punkt P zu gelangen, der kürzestmögliche ist. Anschaulich wird dies, wenn man von einem Objekt O ausgehend verschiedene mögliche Lichtwege betrachtet (s. Abb. 4 ): Im Beispiel in Abbildung 4 ist nur der orange Lichtweg physikalisch richtig, da zwischen dem Spiegelbild O...

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aus: Unterricht Physik Nr. 175 / 2020

Geometrische Optik

Friedrich+ Kennzeichnung Methode & Didaktik Schuljahr 5-13