Het spectrum van een halogeenlamp, een tl-buis en een natriumlamp
Dit is de Wikiwijs website van de lessenserie 'Duurzaamheid onderzoeken met een spectroscoop'. In deze Wikiwijs ga je onderzoeken welke verlichting in jouw omgeving duurzaam is. Dit ga je doen met een spectroscoop die je van school kunt lenen óf zelf gaat bouwen.
Deze lessenserie is gemaakt voor het vak Natuurkunde buiten de klas van de opleiding Leraar Natuurkunde aan de Hogeschool van Amsterdam (afdeling FOO).
De lessenserie is opgebouwd uit drie onderdelen: een voorbereidingsles (op school), het onderzoek buiten (thuis) en een afrondingsles (op school). De lessenserie is gemaakt voor de tweede klas havo/vwo, maar met enkele aanpassingen kan het ook voor andere doelgroepen worden gebruikt.
Tijdens de voorbereidingsles krijgen de leerlingen uitleg over het lichtspectrum en hoe de mens voorwerpen en kleuren om zich heen zien en bij de afrondingsles kijken we naar de resultaten en de energieomzetting van een lamp. Bij de energieomzetting kijken we naar het begrip rendement, zonder de procentuele berekening.
Onder het kopje 'Voor de docent' vind je een docentenhandleidingen en achtergrondinformatie over Minneart.
Doelen van de lessenserie
Aan het einde van de lessenserie 'Duurzaamheid onderzoeken met een spectroscoop':
Kun je de zeven kleuren van de regenboog in volgorde opnoemen
Kun je uitleggen wat een spectrum is
Kun je uitleggen wat spectraalkleuren zijn
Kun je enkele lichtbronnen herkennen aan hun kleurenspectrum
Kun je uitleggen welke energieomzetting plaatsvindt in een lamp
Kun je uitleggen wat rendement betekent
Voorkennis
Voordat we met dit onderzoek beginnen gaan we kijken wat je al weet over licht en kleuren. Om je daarbij te helpen gaan we wat kennis ophalen. Het kan zijn dan dit onderwerp nog nieuw voor jou is of dat je er al een heleboel vanaf weet. Bekijk de onderstaande video en beantwoord daarna enkele vragen.
Wat is licht?
Deel 1: het lichtspectrum
Wat is licht?
Licht is een elektromagnetische golf. Het beweegt zich voort zonder tussenstof en met een snelheid van ongeveer 300 miljoen m/s. Omdat licht geen tussenstof nodig heeft, kan het dus door de ruimte reizen van de zon naar ons op aarde. Ter vergelijking: geluidsgolven hebben een snelheid van 343 m/s en bewegen zich door materiaal heen, zoals lucht of water. Licht reist dus veel sneller en daarom zie je bij onweer eerst de flits en hoor je daarna pas de donder.
Zo'n lichtstraal bestaat uit wit licht. Toch?
Dat is niet helemaal waar. Het licht wat wij zien lijkt wit maar het bestaat uit een spectrum van kleuren. Deze kleuren kun je wel zichtbaar maken met een prisma.
Een prisma is een driehoek van bijvoorbeeld plexiglas en wanneer je daar een geconcentreerde lichtbundel op laat vallen zal deze bundel 'breken'. Hierdoor wordt het spectrum zichtbaar en zie je dus de kleuren van de regenboog. Met het breken van licht wordt bedoeld dat het licht van richting verandert. Door de verandering van richting in een prisma wordt de lichtbundel uit elkaar gehaald waardoor we de kleuren kunnen zien.
Dus wit licht heeft alle kleuren van het spectrum in zich. Toch lijken sommige lichtbronnen wit licht af te geven, maar is dit niet in feite niet zo.
Kleurenspectrum
Licht is een elektromagnetische golf, net als radio- of röntgenstraling. In de afbeelding hieronder zie je het spectrum van elektromagnetische golven, met in het midden het kleurenspectrum. Een spectrum is een reeks opeenvolgende kleuren, geluiden of andere verschijnselen. Je ziet dus in de afbeelding het spectrum van elektromagnetische golven in oplopende frequentie (frequentie betekent: het aantal trillingen per seconde).
Zo trillen radiogolven relatief langzaam en röntgenstraling relatief snel. Let op, beiden golven reizen allebei met de lichtsnelheid!
Het grootste verschil tussen de kleur rood en paars is dus de frequentie.
Het spectrum van elektromagnetische straling
Spectraalkleuren
Als we licht gaan ontleden of 'breken' met een prisma, dan zien we de zeven kleuren van de regenboog. Dit worden de spectraalkleuren genoemd.
Er zijn nog meer kleuren natuurlijk, maar die kunnen alleen worden gemaakt door enkele spectraalkleuren met elkaar te mengen.
Met een spectroscoop kun je de spectraalkleuren zien van verlichting. De spectraalkleuren verschillen dan ook per lichtbron. Bij zonlicht zie je alle spectraalkleuren, maar bij een tl-buis zie je er maar enkele. Bij een natriumlamp zie je er zelfs maar een paar: oranje en geel.
Energiezuinige lichtbronnen kun je herkennen aan de spectraalkleuren. Een gloeilamp is niet energiezuinig, maar een LED-lamp wel. Door verschillende lichtbronnen in jouw omgeving te bekijken, kun je dus achterhalen of de lichtbron zuinig omgaat met energie.
Bouw je eigen spectroscoop
Je kunt het onderzoek uitvoeren met twee soorten spectroscopen. Je kunt er een van school lenen óf je bouwt je eigen spectroscoop!
Hoe je zelf een spectroscoop bouwt vind je in het document hieronder.
Met de spectroscoop ga je 's avonds onderzoeken hoe duurzaam de verlichting is in jouw omgeving. Het onderzoek is het makkelijkst uit te voeren in de wintertijd, omdat het dan 's avonds eerder donker is.
Let op: het is niet de bedoeling dat je bij mensen thuis naar binnen gaat binnen gaat kijken. Probeer zoveel mogelijk lichtbronnen te vinden in de openbare omgeving van jouw stad of dorp. De ene straatlantaarn is de andere niet, dus kijk of je daar een verschil in kunt vinden.
Door met een spectroscoop naar een bepaalde lamp te kijken, kun je het kleurenspectrum zien dat de lamp uitzendt. Bij een gloeilamp zie je alle kleuren van de regenboog en een mooi verloop daartussen, net als dat je naar de zon kijkt. Bij een LED-lamp zie je soms slechts enkele spectraalkleuren en is het gehele kleurenspectrum een stuk korter. Het kan ook zo zijn dat je slechts een paar spectraalkleuren ziet en dat het tussen de kleuren zwart is.
Welke informatie haal je uit het kleurenspectrum?
Het kleurenspectrum dat jij ziet met de spectroscoop ga je vergelijken met de afbeeldingen die op je werkblad staan. Aan de hand van de kleur kun je achterhalen welke soort lamp wordt gebruikt. In deel 3 gaan we zien welke lampen duurzaam zijn en welke niet.
Probeer tenminste vijf verschillende lichtbronnen te vinden in jouw omgeving.
Je hebt nu in jouw omgeving enkele lichtbronnen bekeken en een verschil gezien in de kleuren die zij uitzenden. Nu gaan we kijken welke lampen zuinig omgaan met energie en welke niet.
Energieomzetting
Alle elektrische apparaten zijn energieomzetters. Een elektrische tandenborstel zet elektrische energie om in beweging, een televisie zet elektrische energie om in licht, geluid en warmte. Een lamp zet energie om in licht en warmte.
Rendement
Het doel van een lamp is om licht te geven en geen warmte. Ouderwetse gloeilampen zetten een groot deel van de elektrische energie om in warmte en niet in licht. Dat maakt dat een gloeilamp niet efficient omgaat met zijn energie. De hoeveelheid energie van een lamp die nuttig wordt omgezet in licht kun je gemakkelijk aangeven met een percentage. Dat percentage heet rendement. Je ziet hiervan drie voorbeelden hieronder aangegeven.
Bij de gloeilamp wordt slechts 5% van de elektrische energie omgezet in licht. Dan zeg je 'het rendement van de gloeilamp is 5%'.
Bij de spaarlamp zie je dat er ten eerste minder elektrische energie de lamp ingaat én dat rendement hoger is van lamp, namelijk zo'n 25%. Om deze twee redenen gaat de spaarlamp zuiniger om met energie. De gloeilamp en de spaarlamp geven allebei evenveel licht af.
Hoe duurzaam is de verlichting in mijn omgeving?
Bekijk nu de derde kolom van jouw tabel op je werkblad. Daar heb je beschreven welke soort lampen worden gebruikt in jouw omgeving.
Voor de docent
Didactische achtergrond
In deze Wikiwijs komen enkele ideeën terug van Marcel Minnaert. Marcel was een Belgische hoogleraar in Utrecht en een erg inspirend persoon, vooral op het gebied van onderwijs.
Minnaert
Marcel was ervan overtuigd dat goed onderwijs moeten worden gekoppeld aan de belevingswereld van leerlingen. Om deze reden is ervoor gekozen dat het uitvoerende onderdeel van de Wikiwijs zich buiten moeten afspelen. De leerlingen die deze lessenserie volgen gaan 's avonds in de duisternis buiten uit op onderzoek.
Ebbens
Voor deze lessenserie heb ik gebruikt gemaakt van de theorie over directe instructie. Hierin staat dat het belangrijk is om voorafgaan aan het ontwerpen van een les(senserie) heldere en betekenisvolle lesdoelen te formuleren (Ebbens en Ettekoven 2013). Deze lesdoelen vind je terug onder het kopje 'doelen van de lessenserie'.
Bij ieder onderwerp dat wordt behandeld bezitten leerlingen altijd over enige kennis van het onderwerp. Om deze reden heb ik er bewust voor gekozen om te beginnen met de voorkennis in deze lessenserie. Hiervoor heb ik gekozen voor een video van Clipphanger. Deze video's zijn afkomstig van schooltv en deze videoreeks heeft als doelgroep de leeftijd 13-18 jaar. Ideaal dus voor deze lessenserie.
Theorie over licht
In deze lessenserie is de basiskennis opgenomen over licht en rendement.
Rendement
Bij rendement heb ik er bewust voor gekozen om niet in te gaan op de procentuele berekeningen, omdat dit niet noodzakelijk is om te begrijpen of een lichtbron zuinig omgaat met zijn energie. Voor leerlingen van havo-3 kan deze theorie wel worden meegenomen.
Rendement is het percentage energie dat nuttig wordt gebruikt door het apparaat. Het percentage is een getal tussen de 0% en 100%. Het percentage kan nooit hoger zijn dan 100% of lager dan 0% in verband met de eerste wet van thermodynamica: energie kan niet verloren gaan of uit het niets ontstaan. In de praktijk zul je zien dat ook bijna nooit een rendement van 100% wordt behaald, omdat bij de meeste energieomzetting warmte vrij komt. Warmte is energievorm die niet kan worden opgeslagen en daardoor in de praktijk verloren gaat, omdat het wordt afgestaan aan de omgeving.
Lichtbreking
Al in de video van Clipphanger bij de voorkennis wordt lichtbreking genoemd. Lichtbreking is een verschijnsel dat optreedt wanneer een lichtbundel door een ander medium gaat. In onze omgeving is dit vaak de overgang van lucht naar glas of van lucht naar water. In het voorbeeld uit de video hebben ze het over een prisma: een doorzichtig stuk plexiglas.
Ieder materiaal dat licht doorlaat heeft een bepaalde brekingsindex. De brekingsindex is een waarde en stofeigenschap die aangeeft in welke mate de lichtbundel van koers verandert bij de overgang naar een ander medium. Voor vacuüm is deze waarde precies 1. Voor plexiglas is deze waarde 1,49. Hoe hoger deze waarde, hoe meer de lichtbundel van koers verandert.
Door het verschijnsel van lichtbreking kan men een lichtbundel ontleden, waardoor de zeven spectraalkleuren van zonlicht zichtbaar worden: rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo en violet.
Bronnen
De afbeeldingen gebruikt in de lessenserie:
Nova 1/2 havo/vwo leeropdrachtenboek Nask vierd editie MALMBERG
Het arrangement Duurzaamheid onderzoeken met een spectroscoop is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteur
George van Iersel
Laatst gewijzigd
2021-06-03 12:58:03
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0
Internationale licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of
bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten
terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI
koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI
koppeling aan te gaan.
Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.
Arrangement
IMSCC package
Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.
Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en
het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op
onze Developers Wiki.
Zelfbouw spectroscoop
