DE102006015436A1

DE102006015436A1 - Erfindung betreffend Lehr- und Lernmittel für optische Phänomene

Info

Publication number: DE102006015436A1
Application number: DE200610015436
Authority: DE
Inventors: Peter Schaller; Hermann Günther; Walter Motz
Original assignee: Philipps Universitaet Marburg
Current assignee: Schaller Peter Dr De
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-04
Also published as: WO2007115536A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine neuartige Anordnung zur kostengünstigeren und schnelleren Veranschaulichung von einer Vielzahl von optischen Phänomenen durch ein Minimum von Elementen der Anordnung. Die Anordnung ist als Lehr- und gleichzeitig als Lernmittel einsetzbar und erlaubt die gleichzeitige Veranschaulichung für eine Vielzahl von Lernenden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lehr- und Lernmittel für optische Phänomene.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind keine Lehr- oder Lernmittel bekannt, welche – mit einem nahezu gleich bleibenden Aufbau von Einzelelementen – eine Vielzahl von Veranschaulichungen von mehreren optischen Phänomenen ermöglichen.
Zu solchen Phänomenen werden im Folgenden, die unter dem Begriff Brechung, Reflexion, Totalreflexion, Snellius-Linsen, Fresnel-Linsen etc. bekannten Phänomene verstanden.
Zum Aufbau entsprechender Lehrmittel – welche dann durch einen Lehrenden zur Veranschaulichung für eine Vielzahl Schüler oder Studierende genutzt werden können – sind meist nur einzeln käuflich erhältliche Elemente bekannt, welche dann mit viel Zeitaufwand für die Planung und den endgültigen Aufbau zu einem Expe riment oder einer Veranschaulichung eines Phänomens zusammengestellt werden. Um ein anderes Phänomen zu demonstrieren, ist dann meist wiederum die komplette Zerlegung des Aufbaus, eine neue Planung und der Aufbau zur Veranschaulichung des neuen Phänomens notwendig.
In der Regel wurden dafür bislang so genannte „optische Bänke" als eines der dafür einzusetzenden Elemente verwendet.
Aufgrund des Preises dieser bekannten Elemente von herkömmlichen Lehrmitteln, war es bislang nur unter erheblichem finanziellem Aufwand möglich einer Vielzahl von Lernenden (Schülern, Studierenden etc.) für das Lernen in Kleingruppen entsprechende Lernmittel zur Verfügung zu stellen.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher Elemente von Lehr- und/oder Lernmitteln, sowie daraus zusammenstellbare Anordnungen von Lehr- und/oder Lernmittel vorzusehen, welche bei einem Minimum an Elementen ein Maximum an verschiedenen Phänomenen veranschaulichen. Vorzugsweise sollten die Elemente dabei kostengünstig herstellbar und die Anordnungen schnell und intuitiv – d.h. ohne lange Planung – zusammenstellbar sein.
Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Bereitstellung einer Grundplatte mit daran oder/und darin vorgesehenen Führungsmitteln für mindestens ein – mittels eines Trägers gegen eine Achse der Grundplatte verschenkbares oder/um eine Achse der Grundplatte rotierbares, oder/und aus der Ebene der Grundplatte verschiebbares – Leuchtmittel, wobei die Grundplatte mindestens ein – in einem definierten Abstand zu den Führungsmitteln – angebrachtes fixiertes oder/und in der Ebene der Grundplatte verschiebbares oder/und rotierbares Fixierungsmittel für ein optisch aktives Element aufweist.
Die so vorgesehene Anordnung der Elemente Grundplatte mit Führungsmitteln und mindestens einem Fixierungsmittel, Leuchtmittel mit verschwenk- oder/und verschiebbaren Träger und optisch aktives Element ermöglicht die sehr einfache und rasch veränderliche Veranschaulichung einer Vielzahl von optischen Phänomenen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen zeigen – ohne abschließend zu sein – die nachfolgend mit oder ohne Bezug zu den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele.
Es zeigen schematisch:
1: eine dreidimensionale Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Explosionsdarstellung ohne das optisch aktive Element,
1a: eine dreidimensionale Detail-Darstellung eines ersten optisch aktiven Elementes zur Verwendung mit der Anordnung gem. 1,
2a, b: eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Anordnung für die Veranschaulichung der Licht-Brechung bei Kombination der Materialien Luft und eines zweiten Materials,
3: eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Anordnung für die Veranschaulichung der Licht-Berechung bei Kombination der Materialien Luft und eines zweiten und dritten Materials,
3a: eine dreidimensionale Darstellung eines zweiten optisch aktiven Elementes mit Halterungsmittel,
4: eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Anordnung für die Veranschaulichung der Licht-Berechung an einem Prisma,
4a: eine dreidimensionale Darstellung für das Prisma aus 4 samt Halterungsmittel
5: eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in dreidimensionaler Darstellung
5a: eine dreidimensionale Darstellung eines weiteren Ausführungsform des mindestens einen Fixierungsmittels für ein optisch aktives Element in Explosionsdarstellung,
6: eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, bei welcher die Beeinflussung eines Strahles durch Projektion an eine Wand oder einen Schirm veranschaulicht wird.
7: eine Aufbewahrungs- oder/und Transport-Vorrichtung für die Elemente der erfindungsgemäßen Anordnung mit zweigeteilter Bodenplatte und Elementen zur Aufnahme der Elemente der erfindungsgemäßen Anordnung
8: eine weitere Aufbewahrungs- oder/und Transport-Vorrichtung für die Elemente der erfindungsgemäßen Anordnung in Form eines in einander füg- oder/stapelbaren Kassetten-Sets.
1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung mit den Elementen Grundplatte (3.1) mit Führungsmitteln (3.0) und mindestens einem Fixierungsmittel (3.7), sowie mindestens einem Leuchtmittel (3.6) in der Ausführungsform mit einem nur in der Ebene der Grundplatte, gegen eine Achse der Grundplatte verschwenkbaren Träger ohne optisch aktives Element in einer Explosionsdarstellung.
Die Grundplatte ist dabei als transparente Scheibe ausgeführt.
Der Träger (3.4–3.5 und 3.8–3.10) weist dabei zu seiner Arretierung ein Fixierungsmittel in Form einer Zylinderschraube (3.8) mit einem Gegenhalter (3.2) auf. Die Fixierungsmittel (3.7) für das nicht in 1 dargestellte optische Element ist als eine Vielzahl von Zylinderstiften und 2 Haltemitteln (4.1.2, siehe 1a), d.h. fixiert und nicht in der Ebene verschiebbares oder/und rotierbares Fixierungsmittel ausgeführt. Alternativ kann auch ein einziges Fixierungsmittel mit definiertem Abstand zur Schwenkachse des Leuchtmittels vorgesehen sein.
In einer – nicht dargestellten – Ausführungsform ist das Fixierungsmittel in den Führungsmitteln (3.0) rastend ausgeführt.
Anstelle des in 1 dargestellten Laser-Pointers kann jedes beliebige Leuchtmittel, z.B. auch mit mehr als einem Lichtaustritt vorgesehen sein.
1a zeigt das in 1 nicht dargestellte optisch aktive Element (4), welches als planparallele Platte (4.1.1) aus Plexiglas ausgeführt ist. Das Element ist in dem Sinne optisch aktiv, dass es eine andere Brechzahl als Luft aufweist.
2a zeigt die erfindungsgemäßen Anordnung in einer Draufsicht mit den Elementen aus 1 und 1a. zur Veranschaulichung der Brechungsgesetze nach Snellius beim Übergang eines Lichtstrahls von Luft in Plexiglas.
2b zeigt die erfindungsgemäßen Anordnung in einer Draufsicht mit den Elementen aus 1 und einem weiteren optisch aktiven Element in Form eines – in diesem Fall – mit Wasser gefüllten Wännchens mit Skalierung an der vom Leuchtmittel abgewandten Seite des Wännchens.
3 zeigt die erfindungsgemäßen Anordnung in einer weiteren Ausführungsform mit einer Kombination aus 2 optisch aktiven Elementen, nämlich der Plexiglasplatte gem. 1a und dem Wännchen gem. 2b.
3a zeigt das in 2b und 3 verwendet Wännchen (4.3.1) in einer Explosionsdarstellung mit Halterungsmitteln (4.3.2). Das Wännchen kann für andere Versuche auch mit anderen Medien gefüllt sein und muss lediglich an der dem Leuchtmittel zugewandten Seite transparent sein.
4 zeigt ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung bei der Veranschaulichung der Totalreflexion und der Brechung und weiteren Reflexion der aus dem Leuchtmittel austretenden Lichtstrahlung an einem weiteren optischen Element in Form eines Prismas.
4a zeigt das in 4 verwendete Prisma (4.2.1) mit Halterungsmitteln (4.2.2-.3).
5 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Anordnung, bei welcher das Fixierungsmittel für das optisch aktive Element in der Ebene der Grundplatte verschiebbar ausgeführt ist. Das Fixierungsmittel ist in diesem Ausführungsbeispiel zur Aufnahme einer Linse ausgeführt, um die Änderung des Brennpunktes F einer Linse bei seitlicher Verschiebung auf dem zugeordneten Winkelblech (4.1.3, wie in 5a größer dargestellt) zu veranschaulichen.
5a zeigt dazu das in der ebene der Grundplatte verschiebbar ausgeführte Fixierungsmittel.
In einer – nicht dargestellten Ausführungsform – ist das Fixierungsmittel etwa zur Fixierung einer Linse nicht nur verschiebbar in der Ebene der Grundplatte, sondern auch gegen deren Ebene verschwenkbar oder um eine Senkrechte zur Grundplatte rotierbar ausgeführt.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher die Einwirkung eines – nicht in 6 dargestellten – optisch aktiven Elementes auf einen Lichtstrahl durch Projektion auf eine Wand oder einen Schirm veranschaulicht wird. Dies hat den Vorteil, dass eine große Anzahl von Lernenden ein entsprechendes optisches Experiment zugleich veranschaulicht bekommt.
Vorzugsweise wird dazu der Anordnung eine Projektionsoptik zur Projektion einer Skala (etwa zur Bestimmung der Ablenkung durch Brechung) an eine große Fläche in Form einer Petzval Optik mit den folgenden Eigenschaften zugeordnet:
Projektionsoptik zur Projektion der Skala an große Flächen ist als Petzval Optik ausgebildet.

f₁ Brennweite Frontlinse L₁
f₂ Brennweite von L₂
e ist der Abstand L₁ L₂

Petzval Optik . f₁ = –f₂
Entfernung g_H des Gegenstandes (Projektionsvorlage der Skala) von L1gH(L1) = g + sH gH(L1) = g – f1
Der Abstand g_H (Projektionsebene der Skala (Gegenstand G) – LinseL₁) ist konstant.
Lage der Hauptebene H' bezüglich Ebene L₂
Entfernung b_H'(L2) des Bildes von L2 s'H = f1 bH'(L2) = b – sH' bH'(L2) = b – f1
Die Entfernung b_H' ist variabel entsprechend der Bildweite b, die sich aus der Linsengleichung 1f = 1g + 1b ergibt.
7 zeigt schließlich eine Vorrichtung zur Lagerung und zum Transport der erfindungsgemäßen Vorrichtung und optisch aktiven Elemente mit mindestens ei nem herausnehmbaren Einsetzteil zur Aufnahme der Einzelelemente, wobei eine einfache oder mehrfach unterteilte Bodenplatte und – nicht dargestellt – einfach oder mehrfach geteilte und stapelbare Aufnahmeelemente vorgesehen sind.
8 zeigt die Vorrichtung gemäß 7 mit einer – neben der ersten Kassette (1) – zweiten Kassette in Form einer Innenkassette (2).
In einer weiteren – nicht dargestellten – Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Anordnung Haltemittel auf, welche zur vertikalen Halterung der Anordnung an einer vertikal aufgestellten Tafel oder an einem Flip-Chart erlaubt. Dadurch kann wiederum – wie in der Ausführungsform gemäß 6 – gleichzeitig einer Vielzahl von Lernenden ein oder mehrere optische Phänomene veranschaulicht werden.
In einer weiteren – nicht dargestellten Ausführungsform – weist die Grundplatte selber Skalierungen zur direkten Ablesung von Winkeln oder Strecken auf. Ganz besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei welcher die Skalierungen – etwa durch geeignete Ätzung oder durch einen geeigneten Schliff – derart ausgeführt sind, dass ein der Grundplatte zugeordnetes weiteres Leuchtmittel die Skalierungen leuchten. In einer Abwandlung dieser besser sichtbaren Ausführungsform, können die Skalierungen auch mit einem lumineszierenden Überzug versehen sein. Bei geeigneter Wahl des Überzugs kann dann – nach Einwirkung einer Lichtquelle vor Beginn einer Veranschaulichung – während der Veranschaulichung auf die Einwirkung einer Lichtquelle oder Wärmequelle verzichtet werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Anordnung im Wesentlichen durchsichtig, z.B. in Form von Plexiglasteilen ausgeführt, so dass ein Unter der Grundplatte angebrachtes Blatt sichtbar bleibt.
Besonders bevorzugt, weist ein solches Blatt eine an die Form und an die Abmessungen, z.B. der gekrümmten Führungsmittel (3.0) gemäß 2a angepasste Skalierung auf. In diesem Fall ist die Anordnung nicht nur als Lehrmittel, sondern auch als Lernmittel – zusammen mit dem derart ausgeführten Blatt, wie z.B. in 3 oder insbesondere wie in 4 dargestellt – besonders geeignet.
Lernende können dann unabhängig von einem Lehrenden eigene Versuche durchführen und die Ergebnisse direkt auf das entsprechend ausgeführte Blatt aufzeichnen. Dazu ist die Grundplatte bevorzugt kleiner als ein DIN-A4-Blatt ausgeführt.
Die Vorrichtungen nach 6 und 7 sind – nicht dargestellt – auch zur Aufnahme der entsprechend skalierten Blätter ausgeführt.

1: Stapelkassette außen
1.1: Bodenplatte
1.1.1: Bodenplatte bei Verwendung von 2 Materialdicken
1.1.2: Bodenplatten-Einsatz bei Verwendung von 2 Materialdicken
1.2: Rahmenteil lang
1.3: Rahmenteil kurz
1.4: Zylinderschraube
2: Innenkassette
2.1: Bodenplatte
2.2: Rahmenteil lang
2.3: Rahmenteil kurz
2.4: Zylinderschraube
3.0: Führungsmittel
3.1: Grundplatte
3.2: Gegenhalter für Leuchtmittel-(z.B. Pointer) Befestigung
3.3: Führungsmittel (z.B. – rollen)
3.4: Leuchtmittel-Halter unten
3.5: Leuchtmittel-Halter oben
3.6: Leuchtmittel (z.B. Pointer)
3.7: Fixierungsmittel, z.B. in Form von Zylinderstiften
3.8-3.10: Zylinderschrauben, ggf. mit Innensechskant
4.0: Optisch aktives Element
4.1.1: Planparallele Platte
4.1.2: Haltemittel für planparallele Platte
4.1.3: Winkelstück zur Verbindung mit Führungsmitteln (4.4.1) mit Grundplatte (3.1)
4.1.4-.5: Fixierungsmittel für Verschiebelement (4.4.2)
4.2.1: Prisma
4.2.2-.3: Halterungsmittel für Prisma
4.3.1: Wännchen mit Skalierung
4.3.2: Halterungsmittel für Wännchen
4.4.1: Führungsmittel für Verschiebeelement (4.4.2)
4.4.2: Verschiebeelement (4.4.2)

Claims

Anordnung zur Veranschaulichung von optischen Phänomenen umfassend eine Grundplatte (3.1) mit daran oder/und darin vorgesehenen Führungsmitteln (3.0) für mindestens ein – mittels eines Trägers (3.3–3.5; 3.8–3.10) gegen eine Achse der Grundplatte verschenkbares oder/um eine Achse der Grundplatte rotierbares, oder/und aus der Ebene der Grundplatte verschiebbares – Leuchtmittel (3.6), wobei die Grundplatte mindestens ein – in einem definierten Abstand zu den Führungsmitteln – angebrachtes fixiertes oder/und in der Ebene der Grundplatte verschiebbares oder/und rotierbares Fixierungsmittel (3.7, 4.1.2) für ein optisch aktives Element (4.1.1, 4.3.1, 4.2.1) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung transparent und/oder zur vertikal hängenden Befestigung an einer vertikal aufgestellten Tafel ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ferner Mittel zur Projektion der gebrochenen oder reflektierten Strahlen aufweist, wobei diese Mittel in Form einer Petzval Optik ausgeführt sind.
Verwendung der Anordnung gemäß Anspruch 1 bis 3 als Lern- und/oder Lehrmittel.
Transport- und/oder Lagerungsvorrichtung für eine Anordnung gemäß Anspruch 1 bis 3, gegenzeichnet, durch mehrere voneinander getrennt entnehmbare oder/und auf oder ineinander stapelbare Elemente zur Aufnahme der Elemente der Anordnung.
Beschreibbares Blatt zur Notierung von Versuchsergebnissen, dadurch gekennzeichnet, dass das Blatt entsprechend der Ausführung der Elemente der Anordnung gemäß Anspruch 1 bis 3 Skalierungen zur direkten Ablesung von Strahlablenkungen oder Reflexionen aufweist.