Das Doppelschattenexperiment
Am Anfang der Stunde kann ein kleiner Test zu den Inhalten der letzten Stunden stehen. Der Raum wird abermals verdunkelt und die kreisförmige Pappe bei Beleuchtung mit der Lampe langsam von runden Spiegelöffnung weggeschoben (es sollte darauf geachtet werden, dass der Spiegel gut geputzt ist!). Dabei erscheint ein dunkles Loch, das erst auf den zweiten Blick von den Schülern als Spiegel identifiziert wird. Kurz darauf fällt auch ein heller Schein an der Raumdecke auf, der die Form der Öffnung aufweist. Nun wird langsam eine Hand über den Spiegel gehalten. Überraschenderweise ergibt sich an der Decke ein Schattenbild mit zwei Händen! Hält man beide Hände über den Spiegel, werden es sogar vier! Diesem Phänomen wird mit dem Prinzip Ameise auf den Grund gegangen: Einige Schüler stellen sich auf einen Stuhl, sehen in den Spiegel unter sich und erkennen zwei Hände: einerseits die wirkliche Hand über dem Spiegel, andererseits eine Hand im Spiegel. Beide verdecken eine ebenfalls im Spiegel befindliche Lampe: Schatten in der Spiegelwelt
Die Schüler erhalten wieder die Möglichkeit zum Experimentieren. Teelichter und Spiegelkacheln werden ausgegeben und die Klasse in zwei Gruppen aufgeteilt. Die erste Gruppe wird mit der Aufgabe betraut, mit Hilfe eines Arbeitsblatt herauszufinden, wie man die Spiegelkachel aufstellen muss, damit das Spiegelbild der einen Kerze mit der anderen wirklichen Kerze zur Deckung kommt. Beide Arbeitsblätter werden anhand von OH-Folien besprochen. Ein neuer wichtiger Begriff wird eingeführt: die Spiegelwelt. Aus beiden Aufgaben ergeben sich das 1. Spiegelgesetz: Dinge in der Spiegelwelt stehen ihren wirklichen Partnern genau gegenüber und beide haben den selben Abstand zum Spiegel.
Konsequenzen lassen sich aus einem Demoexperiment ziehen. Ein großer Spiegel wird vertikal aufgebaut (siehe Abbildungen). Eine angezündete Kerze und sowie ein Schattengeber davor gestellt, der Raum verdunkelt und die Schüler aufgefordert, die Anzahl der Schatten zu bestimmen. Nach längerer Diskussion wird sich auf die Anzahl acht verständigt werden. Doch: Warum entsteht ein Schatten des wirklichen Zylinders auf dieser Seite des Spiegels? Warum gibt es einen dunklen rechteckigen Schatten, der deutlich dunkler ist, als alle anderen? Und überhaupt: Warum fällt der durch die gespiegelte Kerze erzeugte Schatten des gespiegelten Zylinders auf unsere Seite des Spiegels? SpiegelgesetzeMan kann das 1. Spiegelgesetz mit einem Lineal tatsächlich "beweisen": Zur Herleitung des 2. Spiegelgesetze wird ein Gedankenexperiment durchgeführt: Anna und Bert stehen auf den beiden verschiedenen Seiten der gleichen Mauer, Conny an der Stirnseite der Mauer mit freier Sicht auf die beiden anderen und einem Spiegel in der Hand. Wie groß muss der Spiegel sein und wie muss ihn Conny halten, damit sich Anna und Bert sehen können (Zeichnung in Draufsicht)?
Drei Schüler spielen diese Situation nach. Intuitiv wird die Klasse mit ihren Vorschlägen bereits richtig liegen, doch eine Erklärung unter Zuhilfenahme des 1. Spiegelgesetzes soll voraussagen, wie genau die Sichtlinien bzw. Lichtwege auszusehen haben. Eine Zeichnung an der Tafel verdeutlicht den genauen Zusammenhang zum 1. Spiegelgesetz. Anwendungen der SpiegelgesetzeZwei Anwendungen der Spiegelgesetze werden Gegenstand dieser Einheit sein (wobei viele weitere denkbar sind). Die Klasse wird gefragt, wie groß ein Garderobenspiegel mindestens sein muss, damit man sich vollständig darin sehen kann. Ein Griff zum 1. Spiegelgesetz, und die Schüler finden heraus, dass der Spiegel genau halb so groß sein muss, wie man selber, ganz egal, in welchem Abstand man zum Spiegel steht: Für das zweite Beispiel wird ein 90°-Winkelspiegel aufgebaut. Er hat die Besonderheit, dass man sich einerseits immer in der Schnittlinie beider Spiegel sieht und andererseits die Seiten auf eine nicht erwartete Weise vertauscht werden (siehe Foto, auf dem der Pfeil in der Spiegelwelt nicht in die erwartete Richtung zeigt). Die folgende Zeichnung wird gemeinsam entwickelt und als Erklärung akzeptiert. Erweitert man diesen Aufbau um einen Spiegel, der unter den Winkelspiegel gestellt wird, erhält man den Nachbau eines "Katzenauges". Dieser Spiegelaufbau hat die Besonderheit, dass man sich immer im Schnittpunkt der drei Spiegelflächen sieht (im Falle eines Fotos ist immer die Kamera im Mittelpunkt). Licht, das in einen solchen Spiegel hineinscheint, wird in die Richtung, aus der es kommt, zurückgeworfen: Mit Winkelspiegeln (zwei Spiegelkacheln, die mit einem Klebeband miteinander verbunden sind) kann man nette Spielereien anstellen. So lassen sich bei geeigneten Winkelstellungen feine Vielecke durch einfaches Unterlegen einer geraden Linie herstellen: Der Schritt zur parallel zueinander stehenden Spiegel ist nur klein, und man erhählt einen Blick in die "Unendlichkeit": Das Doppelschattenexperiment wartet noch auf seine vollständige Lösung, die mit einem Arbeitsblatt nachgeholt wird. |