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Zur phänomenologischen Beschreibung der Beugung im Konzept optischer Wege
Entwicklung und Erprobung einer Unterrichtsreihe für die gymnasiale Oberstufe
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In der Arbeit wird ein Curriculum zur Beugung vorgestellt, welches sich in ein Kerncurricu-lum und Erweiterungsmodule gliedert. Das Kerncurriculum geht von einer systematischen Er-arbeitung von Erscheinungsreihen aus, zunächst in Form von Freihandversuchen. Dabei wer-den periodische Strukturen vor das Auge gehalten und durchblickt. Erst in einem zweiten Schritt treten entsprechende komplexere Versuchsaufbauten hinzu. Der Zusammenhang zwi-schen den durchblickten oder durchleuchteten periodischen Strukturen und den Konfiguratio-nen der Beugungsbilder wird im Konzept optischer Wege beschrieben. ...
In der Arbeit wird ein Curriculum zur Beugung vorgestellt, welches sich in ein Kerncurricu-lum und Erweiterungsmodule gliedert. Das Kerncurriculum geht von einer systematischen Er-arbeitung von Erscheinungsreihen aus, zunächst in Form von Freihandversuchen. Dabei wer-den periodische Strukturen vor das Auge gehalten und durchblickt. Erst in einem zweiten Schritt treten entsprechende komplexere Versuchsaufbauten hinzu. Der Zusammenhang zwi-schen den durchblickten oder durchleuchteten periodischen Strukturen und den Konfiguratio-nen der Beugungsbilder wird im Konzept optischer Wege beschrieben. Optische Wege wer-den dazu operational definiert und als geometrische Ordnungselemente eingeführt, die dem Zusammenhang zwischen den jeweils wirksamen räumlichen Bedingungen und den auftreten-den Erscheinungen immanent sind. Den methodischen Rahmen des Kerncurriculum bildet damit eine phänomenologische Vorge-hensweise - insbesondere, weil die optischen Wege nicht als ein Vorstellungskomplex gefasst werden, den man zur ursächlichen Erklärung eines Phänomens heranziehen kann. In einem der Erweiterungsmodule des Curriculums wird im Einzelnen ausgeführt, wie es durch dieses methodische Vorgehen schon bei der Thematisierung der Beugung möglich ist, die holisti-schen Eigenschaften der Quantentheorie anzulegen und vorzubereiten. Dadurch kann, wie durch die schulische Erprobung aufgezeigt wird, der Übergang von der Beugung zur Quan-tentheorie in einem einheitlichen methodischen Rahmen erfolgen und eine vertikale Vernet-zung der Unterrichtsinhalte unterstützen. Entsprechend dem von ERB und SCHÖN ausgearbeiteten Lichtwegkonzept bekommt auch beim Konzept optischer Wege das FERMAT-Prinzip eine zentrale Stellung. Es wird in der Ar-beit räumlich formuliert. Im zentralen Thema des Kerncurriculums, der Beugung am Gitter, reichen in Erweiterung des FERMAT-Prinzips dann zwei Bedingungen aus, die man an die op-tischen Wege stellen muss, um diese Beugungserscheinungen umfassend zu beschreiben. Auch komplexe Zusammenhänge, wie beispielsweise die Invarianz des Beugungsbildes unter Translationen des Gitters, sind so anschaulich zu erklären. Das Beugungsbild eines Gitters tritt in der Brennebene einer Linse auf. Da es invariant unter Translationen des Gitters ist, darf auch ein Abstand zwischen Gitter und Linse gewählt wer-den, welcher größer als deren Brennweite ist. Je nach Stellung eines Schirms hinter der Linse erhält man so entweder das Beugungsbild oder das Abbild des Gitters. Eine Darstellung beider Situationen im Konzept optischer Wege lässt den Zusammenhang zwischen Beugungs- und Abbild sehr deutlich hervortreten und macht Experimente zur optischen Filterung unmittelbar verständlich. Die in diesem Rahmen eingeführte kontextuale Abbildung rundet das Kerncurri-culum ab und arbeitet die Gesamtheit der wirksamen Bedingungen besonders heraus. Gleich-zeitig gelingt es, Eigenschaften der FOURIER-Transformation auf einer elementaren Ebene zu behandeln. In einem der Erweiterungsmodule werden die Beugungsbilder bei Rotationen eines Gitters untersucht. Dabei treten Beugungsbilder in Form von Kegelschnitten auf. Es wird gezeigt, wie die schon im Kerncurriculum in Erweiterung des FERMAT-Prinzips formulierten beiden Be-dingungen an die optischen Wege sich weiterhin als tragfähiger Beschreibungsansatz erwei-sen. Dabei können Elemente der Festkörperphysik anschaulich eingeführt werden hier sind es die LAUE-Kegel. In einem anderen Erweiterungsmodul schließen sich eine anschauliche Herleitung des reziproken Gitters und der EWALD-Kugel an.