Practicum spiegels

Download deze docentenhandleiding als pdf

Onderwerp: optica

Algemene beschrijving

Omschrijving

Bij dit practicum ontdekken leerlingen zelf de spiegelwet.

Leerdoelen

• Leerlingen kunnen het weerkaatsen van een lichtstraal weergeven in een stralendiagram.
• Leerlingen kunnen het verschil uitleggen tussen diffuse en spiegelende reflectie.
• Leerlingen kunnen de hoek van inval en de hoek van terugkaatsing aanwijzen in een stralendiagram en in een werkelijke situatie.
• Leerlingen kunnen met een geodriehoek de hoek van inval en hoek van terugkaatsing meten.
• Leerlingen weten dat, bij spiegelende reflectie, de hoek van inval en hoek van terugkaatsing gelijk zijn aan elkaar en dat dit bekend staat als de spiegelwet.

Voorkennis

• Leerlingen kunnen zich lichtstralen voorstellen als een stroom deeltjes die kunnen weerkaatsen tegen voorwerpen.
• Leerlingen kunnen lichtstralen weergeven in een stralendiagram.

Benodigdheden

Voor de demo vooraf

• Een laser
• Een demonstratiespiegel
• Een whiteboard

Voor het practicum

• Lichtkastje met enkele lichtspleet
• Spanningskastje + twee snoeren
• Geodriehoek

Klassikale introductie van het practicum

• Deel de groep op in groepjes van 3. Geef iedere groep een whiteboard en stiften met verschillende kleuren.
• Laat de leerlingen zien hoe een laserstraal weerkaatst tegen een whiteboard en tegen een spiegel. Vraag de leerlingen het verschil te benoemen. Vraag leerlingen wie de stip kan zien op het whiteboard (iedereen!) en wat dat betekent voor de lichtstralen die bij het bord vandaan gaan (die moeten in alle richtingen gaan).
• Vraag leerlingen hoe een muur de laserstraal zal weerkaatsen. Lijkt het meer op hoe het whiteboard lichtstralen weerkaatst of op de spiegel (lijkt meer op het whiteboard). Vraag leerlingen om verschillen te benoemen en verklaren tussen hoe de muur en het whiteboard weerkaatst (op de muur is de stip iets minder helder. Dit komt door de kleur: een deel van het licht wordt door de muur geabsorbeerd).
• Vraag de leerlingen om beide situaties weer te geven in een stralendiagram. Laat de borden aan de randen van het lokaal zetten, zodat iedereen alle whiteboards kan zien.
• Bespreek de stralendiagrammen. Werk toe naar de conclusie dat een spiegel een lichtstraal in één richting weerkaatst (spiegelende reflectie) en dat andere voorwerpen lichtstralen in alle richtingen (diffuse reflectie).
• Vaak zien leerlingen wel een vage stip op de spiegel. Vraag de leerlingen hoe dat kan. Werk toe naar een conclusie dat een ‘ideale’ spiegel dat niet doet. Spreek af dat we in opgaven voortaan uit gaan dat een spiegel ‘ideaal’ is.
• Brainstorm met de leerlingen: hoe kunnen we met een getal vastleggen in welke richting een lichtstraal loopt? (De hoek meten). Ten opzichte waarvan moet de hoek worden gemeten. (Hier kan je twee kanten mee op: als je hierna nog kromme spiegels gaat doen kan je accepteren dat de leerlingen de hoek ten opzichte van het oppervlak van de spiegel willen meten. Zodra je kromme spiegels gaat doen wordt vanzelf duidelijk dat dat niet handig is. Als je alleen vlakke spiegels behandelt, bespreek het dan als een conventie om de hoek ten opzicht van de normaallijn te meten). Introduceer de begrippen normaallijn, hoek van inval en hoek van terugkaatsing.
• Het is de moeite waard om op dit punt even te peilen hoeveel ervaring leerlingen hebben met het opmeten van hoeken bij wiskunde. Mogelijk moet er nog even geoefend worden. Doe voor hoe ze hun geodriehoek moeten houden om de juiste hoek te meten. Dit kan snel met een willekeurig figuur met een lichtstraal, bijvoorbeeld uit het natuurkundeboek.
• De leerlingen krijgen de opdracht om het verband tussen de hoek van inval en de hoek van terugkaatsing te onderzoeken. Geef niet te veel instructie over hoe ze dit moeten doen. Geef wel aan dat ze hun metingen in een datatabel moeten zetten (zet een lege tabel op het bord als voorbeeld). Je kan ervoor kiezen om ze een grafiek te laten maken van deze metingen. Leerlingen zullen namelijk nog wel eens afwijkende metingen hebben, waarbij de hoeken niet helemaal gelijk zijn aan elkaar. Dit geeft een mooie gelegenheid om te bespreken hoe de lijn van de grafiek getekend moet worden: van punt naar punt of een rechte lijn tussen de punten door.
• Demonstreer de werking van het lichtkastje en hoe je daar een zo smal mogelijke straal mee kan maken.
• Vraag leerlingen een whiteboard op te maken met daarop:
  • Namen
  • Titel (de onderzoeksvraag)
  • Beschrijving van hoe er is gemeten (methode)
  • Meettabel
  • Grafiek  (optioneel)

Uitvoering

• De leerlingen moeten zoveel mogelijk zelf uitzoeken hoe ze de metingen uitvoeren.
• Hou hierbij wel in de gaten hoe ze hun geodriehoek aflezen.

Organisatie (optioneel)

Tijdsplanning:

• 50 – 70 minuten.

Klassenorganisatie

• Het maken en bespreken van de whiteboards kan eventueel de volgende les worden gedaan. Laat in dat geval de leerlingen de tabel en grafiek in hun schrift maken.

Inhoud kringgesprek

• Laat leerlingen benoemen wat hetzelfde is op alle borden en welke verschillen er zijn. Verschillen kunnen zijn:
  • Sommige hebben de hoeken steeds exact gelijk, anderen net niet.
  • (Als grafiek gevraagd is) sommigen zullen de grafiek van punt naar punt tekenen, anderen tekenen een rechte lijn.
  • Sommigen zullen hoek van inval op de x-as hebben staan, anderen de hoek van terugkaatsing.
• Vraag de leerlingen of het punt (0,0) mee doet: verwacht je dat als de hoek van inval 0° is dat de hoek van terugkaatsing ook 0° is?
• Vraag wie denkt dat de hoeken écht gelijk zijn en wie denkt dat het toeval is.
• Vraag hoe de grafiek er uit zou moeten zien als de hoeken echt gelijk zijn.
• Bespreek wat het doel is van het tekenen van de lijn van een grafiek. Stuur naar een conclusie dat de lijn laat zien hoe je denkt dat de metingen écht moeten zijn (in een situatie zonder meetfout). Dan past het dus beter om een rechte lijn te tekenen. Omdat de lijn dus niet is wat we hebben gemeten, maar aangeeft wat wij denken dat de meting zou moeten zijn, noemen we de lijn een model. Benadruk dit: het is belangrijk dat leerlingen beseffen dat natuurkunde doen neer komt op modellen maken.
• Laat de leerlingen onder woorden brengen wat voor verband er bestaat tussen hoek van inval en hoek van terugkaatsing. Benoem dat deze bekend staat als de spiegelwet. Introduceer een wiskundige manier om dit op te schrijven: ∠i = ∠t

Inhoud logboek / reflectief schrijven (optioneel)

• De spiegelwet in woorden, in symbolen (∠i = ∠t) en eventueel als geschetste grafiek.
• De betekenis van de begrippen normaal, hoek van inval en hoek van terugkaatsing.
• De afspraak dat i en t ten opzichte van de normaal worden getekend.
• Eventueel kunnen de leerlingen afspraken over het maken van grafieken noteren.

Voorbeeld resultaten