Licht kann Dinge bewegen: Lichtsegler und optische Pinzette

Light Can Move Things: Light Sails and Optical Tweezers

  • Physik, Astronomie
  • Gymnasium, Gesamtschule, Sekundarstufe II
  • 5 Unterrichtsstunden
  • Video, Arbeitsblatt, Didaktik/Methodik, Ablaufplan
  • 5 Arbeitsmaterialien

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Licht erarbeiten die Schülerinnen und Schüler grundlegende Ideen, wie man die Kraftwirkung von Licht auf Materie sinnvoll für bestimmte Anwendungen nutzbar machen kann. Am Beispiel eines Lichtseglers für die Raumfahrt wird die Wirkung des Lichtdrucks auf sehr große Objekte thematisiert. Dass sich aber auch extrem kleine Körper (wie Bakterien oder Moleküle) mithilfe von Licht bewegen und festhalten lassen, wird am Beispiel der optischen Pinzette erarbeitet. Die Unterrichtsmaterialien können auf Deutsch und auf Englisch (für den englisch-bilingualen Unterricht) heruntergeladen werden.

BESCHREIBUNG DER UNTERRICHTSEINHEIT

Der Experimentalphysiker Arthur Ashkin entdeckte zu Beginn der 1970er Jahre, dass sich sehr klei-ne Teilchen mithilfe von Licht einfangen und verschieben lassen. Seitdem hat die Entwicklung der sogenannten optischen Pinzette einen wahren Siegeszug in den unterschiedlichsten Forschungsbereichen angetreten. Die Funktionsweise und die Anwendungsmöglichkeiten dieser Lichtgreifer werden in dieser Unterrichtseinheit in zwei Arbeitsblättern behandelt. Um in die Thematik einzusteigen und sich mit dem Phänomen des Lichtdrucks vertraut zu machen, beschäftigen sich die Lernenden jedoch zunächst mit einem Anwendungsbeispiel, das physikalisch etwas einfacher zu verstehen ist. Dabei geht es um die Ausnutzung des Lichtdrucks zur Beschleunigung von Raumsonden.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial-/Aktionsform

Einstieg

Eine kleine Wiederholungsphase, in der das Teilchenmodell des Lichts und die wichtigsten Zusammenhänge und Formeln besprochen werden, eröffnet das Themengebiet.

Plenum

15 Minuten

Erarbeitungsphase I

Die Lernenden bearbeiten das Arbeitsblatt 1 „Segeln mithilfe von Licht“.

Einzelarbeit / Partnerarbeit

45 Minuten

Sicherungsphase I

Die Recherche-Ergebnisse, die Ergebnisse der Berechnungen zum Lichtdruck auf das Lichtsegel sowie dessen Beschleunigung und Geschwindigkeit werden vorgestellt, diskutiert und abgeglichen.

Plenum

15 Minuten

Erarbeitungsphase II

Als Einstieg schauen sich die Lernenden das Video „Licht und Optik V: Licht als modernes Werkzeug (2019)“ an sowie das Plakat „Werkzeuge aus Licht“. Auf dieser Grundlage bearbeiten sie Arbeitsblatt 2 „Wie funktioniert eine optische Pinzette?“.

Einzelarbeit, Plenum

40 Minuten

Sicherungsphase II

Die zeichnerische Ermittlung der Einzelimpulse sowie die Wirkung des Gesamtimpulses auf ein kugelförmiges, transparentes Teilchen werden an der Dokumentenkamera von verschiedenen Arbeitsgruppen vorgestellt und anschließend im Plenum eingehend diskutiert.

Schülervortrag, Plenum

20 Minuten

Erarbeitungsphase III

Die Lernenden bearbeiten das Arbeitsblatt 3 „Anwendungsbeispiele optischer Pinzetten“ und recherchieren im Internet zu weiteren typischen Anwendungsmöglichkeiten von optischen Pinzetten.

Einzelarbeit / Partnerarbeit

45 Minuten

Sicherungsphase III

Die Ergebnisse der Recherchen werden von verschiedenen Arbeitsgruppen im Plenum vorgestellt und besprochen.

Plenum

30 Minuten

Didaktisch-methodischer Kommentar

Das Thema Licht im Unterricht

Die Unterrichtseinheit verbindet Inhalte der Physik aus dem Unterricht der Mittel- und Oberstufe (beispielsweise die Lichtbrechung im Strahlenmodell, den Impulserhaltungssatz, das Teilchenmo-dell für Licht) mit interessanten Anwendungsbeispielen. Dadurch werden Inhalte des Physikunterrichts in einen stark motivierenden und anwendungsorientierten Kontext gestellt.


Vorkenntnisse
Im Unterricht der Oberstufe sollten die Wirkung von Stößen und der Impulserhaltungssatz thematisiert worden sein. Auch das Teilchenmodell von Licht, speziell die Vorstellung, dass Photonen mit einem Impuls behaftet sind und somit eine Stoßwirkung auf Objekte ausüben können, sollte bekannt sein. Aus dem Unterricht der Mittelstufe werden Kenntnisse zur Lichtbrechung vorausgesetzt.


Didaktische und methodische Analyse

Die Kraftwirkung von Licht auf Materie lässt sich sowohl im Wellenmodell als auch im Teilchenmodell für Licht verstehen. Allerdings ist die Vorstellung, dass Lichtteilchen (Photonen) einen Impuls mit sich führen und diesen auf einen Stoßpartner übertragen können, didaktisch wesentlich einfacher nachzuvollziehen als die elektromagnetische Wechselwirkung einer Lichtwelle auf die atomare Struktur von Materie. Der Comptoneffekt ist ein typisches, wenn auch schon recht anspruchsvolles Beispiel, wie sich das Teilchenmodell bei der Beschreibung solcher Wechselwirkungen bewährt. Allerdings wohnt der Ansicht, ein Photon verhalte sich wie eine kleine Kugel, auch die Gefahr einer Fehlvorstellung inne: Der Impuls des Photons beruht ja nicht auf einer bewegten Ruhemasse, sondern vielmehr ist dieser direkt mit der Energie des Lichtteilchens verknüpft. Solche Aspekte sollten im Physikunterricht der Oberstufe hinreichend thematisiert worden sein, bevor man sich zu den in dieser Unterrichtseinheit vorgestellten Anwendungsbeispielen zuwendet.
Ein Schwerpunkt der Unterrichtseinheit „Licht kann Dinge bewegen“ liegt auf der Funktionsweise und den Anwendungsmöglichkeiten von optischen Pinzetten, womit ein direkter Bezug zur Vergabe des Physik Nobelpreises 2018 an Arthur Ashkin hergestellt wird. Allerdings ist das Phänomen, dass Licht bei seiner Brechung an einer Grenzschicht einen Impuls übertragen kann, für die Lernenden nicht so einfach nachzuvollziehen. Daher wird ein Arbeitsblatt vorangestellt, in dem die Stoßwirkung von Photonen aufgrund von Reflexion an einem Medium thematisiert wird.
Die Vorstellung, die Photonen prallen an einer reflektierenden Folie ab wie Vollgummibälle an einer Wand, ist eingängig und führt unter Zuhilfenahme des Impulserhaltungssatzes schnell zu quantifizierbaren Aussagen. Außerdem eröffnet sich mit diesem Zugang ein sehr interessantes und äußerst motivierendes Anwendungsbeispiel, nämlich die Beschleunigung von Raumsonden mithilfe riesiger Lichtsegel, die den Strahlungsdruck der Sonne oder starker Laserkanonen aufnehmen können.
Bei der physikalischen Erklärung des Lichtsegels begegnet den Lernenden die Tatsache, dass sich im Idealfall nicht der Betrag des Photonenimpulses ändert, sondern lediglich seine Richtung (Richtungsumkehr). Diese Erkenntnis ist hilfreich, um die Vorgänge beim Durchgang von Lichtstrahlen durch ein optisch dichteres Medium zu verstehen, also bei der Brechung von Licht. Denn auch dabei ändert sich die Richtung des Impulses, wobei in dem vereinfachenden Modell davon ausgegangen wird, dass der Betrag des Impulses konstant bleibt.
Bei dem Beispiel des Lichtsegels ist es nicht unbedingt erforderlich, den Impuls als vektorielle Größe zu verstehen. Bei der Richtungsänderung des Impulses aufgrund der Brechung allerdings schon. Erfahrungsgemäß bereitet die Behandlung von Richtungen der Impulse den Lernenden einige Probleme. Daher wird im zweiten Arbeitsblatt ein Beispiel zeichnerisch vollständig gelöst, nämlich die Situation, dass ein kugelförmiges, transparentes Teilchen sich unterhalb des Fokus des Strahlenbündels des Laserlichts befindet. So sollte es den Lernenden gut möglich sein, zwei ähnliche Situationen selbständig zu bearbeiten – ein Teilchen, das sich oberhalb des Fokus befindet und eines, das sich seitlich davon aufhält. Die verwendeten Modelle sind stark vereinfachend – darüber sollten Sie sich als Lehrerin oder Lehrer stets im Klaren sein. So bleiben Effekte der Reflexion des Laserlichts an den Teilchen völlig unberücksichtigt. Ferner werden jeweils nur zwei Lichtstrahlen des einfallenden Laserlichts betrachtet. Das Teilchen wird aber von einem ganzen Strahlenbündel getroffen, welches zudem einen deutlichen Intensitätsgradienten in Richtung Strahlzentrum aufweist.
Aus didaktischer Sicht ist die Verwendung vereinfachter und reduzierender Modelle durchaus zulässig. Dennoch ist es ratsam, auf die Komplexität der physikalischen Vorgänge bei der optischen Pinzette im Unterricht an geeigneter Stelle hinzuweisen. Vielleicht ergibt sich dann auch die Möglichkeit, besonders interessierten Schülerinnen und Schülern das Thema für eine vertiefende Facharbeit oder ein Referat anzubieten.

Unterrichtsmaterial

Unterrichtsmaterial zum Download

Dieses Arbeitsblatt thematisiert die Möglichkeit, mithilfe des Lichtdrucks starker Laserstrahlung eine Raumsonde mit einem Lichtsegel anzutreiben.

Mithilfe dieses Arbeitsblattes wird die Funktionsweise einer optischen Pinzette anschaulich physikalisch erklärt.

Dieses Arbeitsblatt regt dazu an, nach typischen Anwendungen von optischen Pinzetten in Forschung und Technik zu recherchieren und in diesem Zusammenhang Weiterentwicklungen wie beispielsweise die holographische optische Pinzette kennenzulernen.

Dieses Arbeitsblatt thematisiert die Möglichkeit, mithilfe des Lichtdrucks starker Laserstrahlung eine Raumsonde mit einem Lichtsegel anzutreiben.

Mithilfe dieses Arbeitsblattes wird die Funktionsweise einer optischen Pinzette anschaulich physikalisch erklärt.

Dieses Arbeitsblatt regt dazu an, nach typischen Anwendungen von optischen Pinzetten in Forschung und Technik zu recherchieren und in diesem Zusammenhang Weiterentwicklungen wie beispielsweise die holographische optische Pinzette kennenzulernen.

Externe Links

Deutsche Nobelposter seit 2016 Auf dieser Seite finden Sie die Nobelposter, so auch das Poster „Werkzeuge aus Licht“ für die Bear-beitung von Arbeitsblatt 2.

Auf dieser Seite finden Sie übersichtliche Informationen zum Prinzip des Licht- und Sonnenseglers in der Raumfahrt.

Information on how optical tweezers work.

Hier finden Sie Anwendungen optischer Pinzetten in der Biomedizin.

Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler

  • wenden ihre Kenntnisse aus der Quantenphysik bezüglich des Photonenmodells für Licht in neu-en Anwendungskontexten an.
  • wenden Formeln zum Impuls und zur Energie von Photonen anwendungsorientiert an.
  • wenden den Impulserhaltungssatz formelmäßig und zeichnerisch an.


Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler

  • recherchieren im Internet und sammeln, sortieren und bewerten Informationen.
  • binden Informationen eines Erklärvideos in ihre Lösungen ein.


Sozialkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler

  • bearbeiten Aufgaben in Partnerarbeit.
  • tauschen Informationen und Recherche-Ergebnisse untereinander aus.
  • diskutieren und hinterfragen Lösungen untereinander und im Plenum.