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Illustration: ein ruhiger See in der Dämmerung. Die rosa und orangen Bäume am Ufer spiegeln sich im Wasser.

Physik · Niedersachsen · Sek I

Licht: Reflexion und Brechung

Eine Unterrichtsreihe zur phänomenorientierten Optik für Klasse 5 und 6 nach dem niedersächsischen Kerncurriculum. Die Schülerinnen und Schüler erklären das Sehen mit dem Sender-Empfänger-Modell, wenden das Reflexionsgesetz an, konstruieren Spiegelbilder, beschreiben die Brechung beim Übergang zwischen Luft, Wasser und Glas und erklären Alltagsphänomene sowie die Farben des weißen Lichts.

Klassen
5–6
Schulformen
Gymnasium, Oberschule
Umfang
11 Unterrichtsstunden
Fach
Physik
Bundesland
Niedersachsen
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Lernziele

  • Die Schülerinnen und Schüler erklären Sehen und Gesehenwerden mit dem Sender-Empfänger-Modell und der geradlinigen Ausbreitung des Lichts.
  • Sie unterscheiden gerichtete Reflexion und Streuung und wenden das Reflexionsgesetz an, wobei sie Winkel zum Lot messen.
  • Sie beschreiben die Eigenschaften des Bildes am ebenen Spiegel und konstruieren Bildpunkte.
  • Sie beschreiben die Brechung beim Übergang von Luft in Wasser oder Glas und umgekehrt qualitativ und lesen Messwerte aus Tabelle und Diagramm ab.
  • Sie erklären scheinbare Hebung, den geknickten Stab und die Zerlegung von weißem Licht am Prisma.
  • Sie begründen Sicherheitsregeln beim Umgang mit Lasern, Sonnenlicht und Experimentierleuchten.

Bezug zum Kerncurriculum

Kerncurriculum für das Gymnasium Schuljahrgänge 5–10 Naturwissenschaften (Niedersachsen, 2015), Teil Physik

  • Inhaltsbereich: Phänomenorientierte Optik
  • Kompetenzerwartung: wenden die Sender-Empfänger-Vorstellung des Sehens in einfachen Situationen an.
  • Kompetenzerwartung: nutzen die Kenntnis über Lichtbündel und die geradlinige Ausbreitung des Lichtes zur Beschreibung von Sehen und Gesehenwerden.
  • Kompetenzerwartung: beschreiben Reflexion, Streuung und Brechung von Lichtbündeln an ebenen Grenzflächen.
  • Kompetenzerwartung: beschreiben die Eigenschaften der Bilder an ebenen Spiegeln, Lochblenden und Sammellinsen.
  • Kompetenzerwartung: beschreiben weißes Licht als Gemisch von farbigem Licht.
  • Kompetenzerwartung: formulieren und stützen Vermutungen auf der Basis experimenteller Befunde oder theoretischer Überlegungen.
  • Kompetenzerwartung: führen einfache Experimente nach angemessener schriftlicher Anleitung durch.

Ablauf

  1. Abschnitt 1

    Licht und Sehen

    Lichtquellen und beleuchtete Körper, Sender-Empfänger-Modell, geradlinige Ausbreitung, Lichtstrahl als Modell, Schatten.

  2. Abschnitt 2

    Reflexion und Reflexionsgesetz

    Gerichtete Reflexion und Streuung, Einfallslot, Reflexionsgesetz, Messung mit der optischen Scheibe.

  3. Abschnitt 3

    Das Bild im ebenen Spiegel

    Wie das Spiegelbild entsteht, Bildeigenschaften, Konstruktion eines Bildpunktes, Spiegelschrift und Ganzkörperspiegel.

    • Lektion

      Spiegelbild konstruieren: Eigenschaften des Bildes im ebenen Spiegel

      Stell dich vor einen Spiegel und hebe deine rechte Hand. Dein Spiegelbild hebt die Hand, die auf derselben Seite liegt. Trotzdem sagen viele: „Im…

    • Aufgabe

      Spiegelbild konstruieren

      Zeichne einen senkrechten Spiegel und links davon ein Dreieck mit den Ecken 2 cm, 3 cm und 5 cm vor dem Spiegel.

      1. Konstruiere das Spiegelbild des Dreiecks.
      2. Zeichne für eine Ecke den Lichtweg in ein Auge deiner Wahl.
      3. Schreibe zwei Eigenschaften des Bildes auf, die du an deiner Zeichnung erkennst.

  4. Abschnitt 4

    Brechung des Lichts

    Brechung beim schrägen Übergang zwischen Luft, Wasser und Glas, zum Lot hin und vom Lot weg, Messwerte, Umkehrbarkeit des Lichtwegs.

    • Lektion

      Brechung des Lichts: zum Lot hin und vom Lot weg

      Stell einen Bleistift schräg in ein Glas Wasser und schau von der Seite. An der Wasseroberfläche scheint der Stift einen Knick zu haben. Ziehst du…

    • Material

      Simulation: Lichtbrechung

      PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, Lizenz: CC BY 4.0

    • Aufgabe

      Brechung in der Simulation

      Öffne die Simulation „Lichtbrechung“ und wähle oben Luft, unten Wasser.

      1. Miss mit dem Winkelmesser die Brechungswinkel für 20°, 40° und 60°.
      2. Vergleiche mit der Tabelle aus der Lektion.
      3. Stelle unten Glas ein und beschreibe, was sich ändert.

  5. Abschnitt 5

    Brechung im Alltag und Farben

    Scheinbare Hebung, geknickter Stab, Münzversuch, Prisma und Spektrum, Regenbogen, Sicherheit beim Baden.

    • Lektion

      Lichtbrechung im Alltag: scheinbare Tiefe, Prisma und Regenbogen

      Ein Bach sieht vom Ufer aus flach aus. Wer hineinsteigt, merkt: Er ist tiefer als gedacht. Und wenn nach einem Regenschauer die Sonne hinter dir…

    • Sicherheit beim Baden

      Gewässer sind tiefer, als sie aussehen, und können an anderen Stellen zu flach zum Springen sein. Nie in unbekanntes Wasser springen.

  6. Abschnitt 6

    Üben und typische Fehler

    Überblick, Vorgehen beim Zeichnen von Lichtwegen, sieben typische Fehler, gelöste Beispiele und gemischte Übungen.

    • Lektion

      Reflexion und Brechung üben: typische Fehler und Übungsmix

      Reflexion und Brechung begegnen dir täglich: im Badezimmerspiegel, im Rückspiegel eines Autos, im Wasserglas und am Seeufer. In dieser Lektion…

    • Aufgabe

      Fehlerdetektiv

      Zeichne drei Lichtwege mit je einem absichtlich eingebauten Fehler (zum Beispiel Winkel zur Fläche gemessen, falsche Brechungsrichtung, Pfeil aus dem Auge). Tausche mit einer Partnerin oder einem Partner, findet und verbessert die Fehler gegenseitig.

Hinweise für Lehrkräfte

Einordnung in das Kerncurriculum

Das Kerncurriculum Naturwissenschaften für das Gymnasium (2015) ordnet die „Phänomenorientierte Optik“ dem Doppeljahrgang 5/6 zu. Verlangt sind unter anderem die Sender-Empfänger-Vorstellung, die geradlinige Ausbreitung, Reflexion, Streuung und Brechung von Lichtbündeln an ebenen Grenzflächen, Bilder an ebenen Spiegeln und weißes Licht als Gemisch von farbigem Licht. Das Kerncurriculum der Oberschule (2013) verlangt dieselben Inhalte im Themenbereich Optik bis Ende Jahrgang 6 und betont, dass Reflexion und Brechung qualitativ beschrieben werden. Die Reihe arbeitet deshalb ohne Brechungsgesetz und ohne Brechzahl. Die Tabelle in Lektion 4 dient nur dem Ablesen und Vergleichen.

Schatten, Finsternisse und Mondphasen, Lochkamera sowie Sammel- und Zerstreuungslinsen (Auge, Fotoapparat) gehören zum selben Themenbereich, sind hier aber nur gestreift. Planen Sie dafür weitere 6 bis 8 Stunden ein.

Zeitplan (etwa 11 Stunden)

AbschnittStundenSchwerpunkt
1 Licht und Sehen2Lichtquellen, Sender-Empfänger, Lichtstrahl als Modell, Schatten
2 Reflexion2Streuung, Reflexionsgesetz mit optischer Scheibe
3 Spiegelbild2Bildeigenschaften, Konstruktion, Ganzkörperspiegel
4 Brechung2Zum Lot hin, vom Lot weg, Messwerte, Umkehrbarkeit
5 Brechung im Alltag, Farben2Scheinbare Hebung, Münzversuch, Prisma, Regenbogen
6 Sicherung1Fehlerliste, Übungsmix

Sicherheit

  • Laser: Nach der RiSU (Stand 2023) dürfen in Schulen nur Laser der Klassen 1, 1M, 2 und 2M eingesetzt werden (ältere Geräte der Klasse 3A nach alter Norm ebenfalls). Laser der Klassen 1M, 2 und 2M nur unter Aufsicht der Lehrkraft, verschlossen aufbewahren, die Lernenden vorher über die Gefährdung der Augen unterrichten, Versuchsbereich kennzeichnen und so aufbauen, dass niemand in den direkten oder reflektierten Strahl blickt. Bei 1M und 2M keine sammelnden Optiken (Linsen, Lupen) in den Strahl bringen. Für Schülerversuche ist eine Experimentierleuchte mit Spaltblende die bessere Wahl.
  • Experimentierleuchten werden heiß. Nach dem Versuch abkühlen lassen, nicht an Kabeln ziehen.
  • Wasser und Elektrik: Becken mit Wasser nicht neben Netzgeräten oder Steckdosenleisten aufstellen.
  • Sonnenlicht: Nicht in die Sonne blicken, auch nicht mit Linsen, Spiegeln oder Prismen. Brenngläser sind Brandgefahr.
  • Baden: Die scheinbare Hebung ist Anlass, über das Springen in unbekannte Gewässer zu sprechen.

Didaktische Hinweise

  • Viele Kinder haben die Vorstellung von „Sehstrahlen“, die aus dem Auge kommen. Bestehen Sie in allen Zeichnungen auf Pfeilen vom Gegenstand zum Auge.
  • Der Lichtstrahl ist ein Modell. Thematisieren Sie den Unterschied zum sichtbaren Lichtbündel (Kompetenzbereich „Mit Modellen arbeiten“).
  • Winkel werden konsequent zum Lot gemessen. Der häufigste Fehler ist der Winkel zur Spiegelfläche.
  • Die Formulierung „optisch dichter“ ist eine Merkhilfe ohne Erklärung. Eine Begründung über die Lichtgeschwindigkeit in Stoffen folgt später.
  • Das Liniendiagramm in Lektion 4 zeigt, dass der Brechungswinkel nicht proportional zum Einfallswinkel ist. Das ist ein Anlass, Diagramme zu lesen, ohne eine Formel einzuführen.
  • Totalreflexion steht nicht im Kerncurriculum 5/6. Sie erscheint nur als Knobelaufgabe.

Typische Fehlvorstellungen

  • Sehstrahlen gehen vom Auge aus.
  • Der Mond leuchtet selbst.
  • Winkel werden zur Spiegelfläche gemessen.
  • Das Spiegelbild liegt auf der Glasoberfläche, und links und rechts sind vertauscht.
  • Licht wird auch bei senkrechtem Einfall gebrochen.
  • Das Prisma färbt das Licht.

Differenzierung

  • Grundlagenaufgaben: Regeln anwenden, Winkel ablesen. Weiter-Aufgaben: Konstruktionen mit dem Geodreieck, Winkel zur Fläche umrechnen, Erklärungen mit Skizze.
  • Knobelaufgaben: Spiegel neigen, Winkelspiegel, Totalreflexion, Taucherperspektive.
  • Sprachförderung: Wortspeicher Lot, Einfallswinkel, Reflexionswinkel, Brechungswinkel, zum Lot hin, vom Lot weg.

Prozessbezogene Kompetenzen

  • Erkenntnisgewinnung: Messreihen an der optischen Scheibe, Vermutungen prüfen (Münzversuch).
  • Mit Modellen arbeiten: Lichtstrahl als Modell, Sender-Empfänger-Modell.
  • Kommunikation: Lichtwege zeichnen, Messwerte in Tabellen und Diagrammen darstellen.
  • Bewertung: Sicherheitsregeln bei Laser und Sonne, Baden in unbekannten Gewässern.

Häufige Fragen

In welcher Klasse wird Optik in Niedersachsen unterrichtet?

Die phänomenorientierte Optik gehört an Gymnasium und Oberschule zum Doppeljahrgang 5/6. Die Schulen legen im schuleigenen Arbeitsplan fest, ob sie in Klasse 5 oder 6 liegt.

Wird das Brechungsgesetz mit Sinus behandelt?

Nein. Das Kerncurriculum verlangt in 5/6 eine qualitative Beschreibung der Brechung. Die Reihe arbeitet mit „zum Lot hin“ und „vom Lot weg“ und einer Tabelle gemessener Winkel.

Welche Geräte braucht man?

Optische Scheibe mit Spiegel und Halbzylinder aus Glas oder Kunststoff, Experimentierleuchte mit Spaltblende, ebene Spiegel, ein Glasprisma, Gläser mit Wasser und Münzen. Ein Laser ist nicht nötig.

Passt die Reihe für die Oberschule?

Ja. Das Oberschul-Kerncurriculum verlangt Reflexion, Streuung und Brechung qualitativ bis Ende Jahrgang 6, genau auf diesem Niveau.

Quellen

Bildnachweise

  • Titelbild: KI-generiert
  • Ein ebener Spiegel als waagerechte Linie, darauf senkrecht das gestrichelte Lot. Von links oben trifft ein Lichtstrahl auf den Spiegel, nach rechts oben läuft der reflektierte Strahl. Beide Winkel zum Lot sind mit 40 Grad markiert.: Eigene Darstellung
  • Senkrechter Spiegel, links eine Kerze, rechts ihr Bild im gleichen Abstand a. Zwei Strahlen laufen von der Flamme über den Spiegel zu zwei Augen. Ihre gestrichelten Verlängerungen treffen sich in der Flamme des Bildes.: Eigene Darstellung
  • Oben Luft, unten Wasser, senkrecht das gestrichelte Lot. Ein Strahl fällt mit 50 Grad zum Lot ein und läuft im Wasser mit 35 Grad zum Lot weiter, also zum Lot hin. Ein schwacher Strahl wird reflektiert.: Eigene Darstellung
  • Ein Becken mit Wasser, am Grund ein Stein. Ein Lichtstrahl geht vom Stein schräg nach oben, wird an der Oberfläche vom Lot weg gebrochen und gelangt ins Auge. Die gestrichelte Verlängerung zeigt, dass der Stein höher zu liegen scheint.: Eigene Darstellung

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