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total phänomenal · Technik

Laser erobern die Welt | Unterricht

STAND
Autor/in
Cordula Mauch

Bezug zu den Bildungsplänen

- Laser werden zwar häufig schon im Optikunterricht der Klassen 7/8 als Lichtquelle benannt und in Demonstrationsversuchen verwendet, eine Behandlung findet aber nicht statt.

- In der 10. Jahrgangsstufe besteht in rheinlandpfälzischen Realschulen und Gymnasien die Wahlmöglichkeit zwischen Kernphysik und Elektronik. Im Rahmen der Elektronik wird die Halbleitertechnik behandelt, so dass man den Diodenlaser im Unterricht integrieren könnte.

- In der Oberstufe wird im rheinlandpfälzischen Lehrplan der Laser im Wahlbereich Atomphysik II sowohl im Grundkurs wie auch im Leistungskurs konkret angesprochen. In diesem Wahlbereich geht es um quantenmechanische Atommodelle und deren Leistungen zur Erklärung von physikalischen Phänomenen wie beispielsweise Luminiszenz und Laserlicht.

Bunte Laserstrahlen bei einer Veranstaltung. (Foto: Freeimages, Martin Simonis)
Lasereinsatz bei einer Lichtshow Freeimages, Martin Simonis Bild in Detailansicht öffnen
Laser werden bei der Vermessung eingesetzt SWR – Screenshot aus der Sendung Bild in Detailansicht öffnen
Laserstrahlen werden zum präzisen Schneiden genutzt SWR – Screenshot aus der Sendung Bild in Detailansicht öffnen
Laser ermöglichen Ärzten viele neue Behandlungsmöglichkeiten SWR – Screenshot aus der Sendung Bild in Detailansicht öffnen
Animationen in der Sendung erklären die Entstehung von Laserlicht SWR – Screenshot aus der Sendung Bild in Detailansicht öffnen

Einsatz in der 10. Klasse

Kurzer Hinweis zum Einsatz in der 10. Jahrgangsstufe:

- Da der Laser kein zentrales Thema in der Jahrgangstufe ist, sondern eher einen Ausblick in Anwendungsbereiche darstellt, kann der Film gut als zusammenfassender Überblick eingesetzt werden.

- Da im Film ein optisch gepumpter Laser vorgestellt, in der Elektronik aber ein Diodenlaser behandelt wird, müsste man beim Einsatz des Filmes auf den Unterschied zum Diodenlaser eingehen.

Unterrichtsplanung beim Einsatz in der Oberstufe

Das erste Arbeitsblatt enthält allgemeine Aufgabenstellungen zur intensiveren Auseinandersetzung mit den Anwendungsbereichen von Lasern.

Der Film zeigt die vielfältigen Einsatzbereiche von Lasern auf, sodass voraussichtlich die Interessenslage von vielen Schülerinnen und Schülern angesprochen wird. Aus diesem Grund kann der Film sehr gut in die Einstiegsphase integriert werden und zur Motivation bezüglich des Themas Laser beitragen.

Über den Motivationsaspekt hinaus kann man den Film insbesondere im Rahmen eines kontextorientierten Unterrichts zur Gliederung des Kontextes Laser verwenden. Es lassen sich anhand des Filmes Aspekte beziehungsweise Bereiche benennen, die es zum Erlangen des Verständnisses von Funktionsweise und Bedeutung im alltäglichen Leben zu untersuchen gilt. Die folgenden Punkte sollten zur umfassenden Untersuchung des Kontextes besprochen werden:

- Schaffung von Besetzungsinversionen

- Verstärkung der Photonenanzahl

- Eigenschaften von Lasern

- Anwendungsbereiche (Technik, Medizin, ...)

- Historische Aspekte

Gliederung des Kontexts mithilfe des Films

Der Film wird erst einmal ohne Arbeitsauftrag gezeigt. Im Anschluss erkundigt sich die Lehrkraft, welches zentrale Thema der Film hatte und lässt die Schülerinnen und Schüler benennen, aus welchen Gründen dieses Thema Laser für sie interessant ist. Voraussichtlich werden von unterschiedlichen Schülerinnen und Schülern die verschiedenen Anwendungsgebiete genannt. Nun wird die Klasse in Gruppen aufgeteilt, sie sollen mithilfe einer Internetrecherche und einem zweiten Ansehen des Films einen Kurzvortrag zusammenstellen, in dem sie persönlich und sachlich darlegen, aus welchen Gründen sie das Thema interessant finden.

Im Gegensatz zur bereits im Unterricht vorgenommenen ersten Abfrage sollen hier die persönlichen Vorlieben, zum Beispiel biologische Anwendungen von Lasern, durch Fakten über die verwendeten Leistungen, Genauigkeiten und vielfältige Anwendungsbereiche innerhalb der Medizin ergänzt werden.

Durch diese Methode hat man nicht nur dem Interesse der Schülerinnen und Schüler Rechnung getragen, sondern kann darüber hinaus diesen als Ausgangspunkt für die Erkundung der Eigenschaften von Laserlicht nutzen.

Besprechung der Funktionsweisen von Lasern (insbesondere der Schaffung von Besetzungsinversionen):

Ob man nun verschiedene Möglichkeiten Besetzungsinversionen zu schaffen in Kleingruppen getrennt oder jeweils im Plenum bearbeiten lassen möchte, der Film unterstützt zusammen mit den Arbeitsmaterialien die Erarbeitung der Grundprinzipien eines Lasers.

Arbeitsblätter

AB1

Die Fragen von Aufgabe 1 und 2 können direkt aus dem Film beantwortet werden. Die weiterführenden Fragen in Aufgabe 3 können beispielsweise mit Hilfe einer Internetrecherche bearbeitet werden.

AB 2

Im zweiten Arbeitsblatt werden die grundlegenden atomaren und baulichen Bedingungen für die Herstellung von Laserlicht bearbeitet. Für die Bearbeitung des Arbeitsblattes ist kein weiteres Vorwissen notwendig und der Film ist ausreichend, um die 1. und 2. Aufgabe zu beantworten. (Der Film steht zum nochmaligen Ansehen oder Download auf www.planetschule.de)

In der 3. Aufgabe ist eine Internetrecherche erwünscht, die auf Eigenschaften wie beispielsweise die Kohärenzwellenlänge führt und damit als Einstieg für eine Betrachtung des Laserlichts unter Wellenaspekten dienen kann.

AB 3/4:

Das 3. Arbeitsblatt befasst sich mit der Herstellung von Besetzungsinversionen nur aufgrund des optischen Pumpens, da diese bei dem im Film vorgestellten Rubinlaser vorliegt. Die 3. Aufgabe kann gut als Zusatzaufgabe für gute Schülerinnen und Schüler oder als vorbereitende Hausaufgabe gegeben werden, da durch die Aufgabenstellung auf die Bedeutung der Anordnung der Spiegel hingewiesen wird.

Das 4. Arbeitsblatt gibt einen Überblick über weitere Möglichkeiten, eine Besetzungsinversion zu erzielen. Es werden sowohl die entsprechenden physikalischen Zusammenhänge behandelt als auch die entsprechenden Laser kurz beschrieben.

AB 5:

Das Arbeitsblatt 5 kann sowohl zur Selbstkontrolle als auch zur Überprüfung verwendet werden. Im letzteren Fall würde der Aufgabenteil 2c) und die eventuelle Wahlmöglichkeit wegfallen.

Alle Themen zum Schwerpunkt total phänomenal · Technik

Blick ins Weltall

Im All ist jede Menge los; wir bekommen das nur nicht mit, weil wir es gewöhnlich nicht sehen können. Oft sind interessante Himmelskörper Lichtjahre entfernt – zu weit weg für das menschliche Auge. Beim trickreichen Blick ins Weltall mit großen Teleskopen und Satelliten erleben wir ein spannendes Schauspiel: Da explodieren Sterne, neue werden geboren, schwarze Löcher verschlingen alles, was ihrem gierigen Schlund zu nahe kommt. Und aus all dem können wir etwas über unsere eigene Herkunft lernen.

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Laser erobern die Welt

Das neue Licht des 20. Jahrhunderts erstrahlt nicht nur bei Lasershows. Es schneidet und schweißt auch Metalle in der Automobil- und Schiffsindustrie und verhilft Patienten zu besserer Sehkraft. 1960 gelang es dem US- Amerikaner Theodore Maiman, den ersten funktionierenden Laser zu bauen. Zunächst war es nicht mehr als ein Laborexperiment, das Albert Einsteins Überlegungen zur künstlichen Vermehrung von Lichtteilchen bestätigte. Maiman bemerkte scherzhaft: „eine Lösung, die ein Problem sucht“. Doch das Werkzeug Licht erwies sich rasch als wegweisende Technologie. Der Laser hat das gesamte Vermessungswesen revolutioniert. So liefern Scanner dreidimensionale Modelle ganzer Landschaften, und mit Geräten in Handygröße lassen sich Entfernungen kinderleicht bestimmen. Der Laser steckt u.a. in Supermarktkassen, CD- und DVD-Playern sowie Druckern. Die ungewöhnliche Vielfalt der Anwendungen macht die Jahrhunderterfindung in Technik, Wissenschaft und im Alltag unverzichtbar.

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Satelliten weisen den Weg

Wer sich schon einmal mit dem Auto in fremder Umgebung verfahren hat, weiß die Vorteile eines satellitengestützten Navigationssystems zu schätzen. Richtungsanzeigen auf einem Display und die Stimme einer elektronischen „Kopilotin“ sagen, wo’s lang geht. Nur den wenigsten ist bewusst, dass dahinter eine äußerst aufwändige Technik steckt. 24 Satelliten des amerikanischen Global Positioning Systems (GPS) kreisen um die Erde und senden Funksignale, mit deren Hilfe sich die Position von Autos, Flugzeugen oder Schiffen bestimmen lässt. Wie das geht, zeigen anschauliche Computeranimationen. Der Beitrag stellt auch die europäischen Bemühungen vor, ein von den USA unabhängiges Satellitennavigationssystem unter dem Namen Galileo aufzubauen. Denn eines ist klar: Den himmlischen Lotsen im All gehört die Zukunft.

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Strahlen schaffen Durchblick

Am 22. Dezember 1895 wurde eine fotografische Aufnahme gemacht, die wie kaum eine andere einen Meilenstein in der Geschichte der Physik setzte. Es war die erste Röntgenaufnahme der Welt, die Hand von Wilhelm Conrad Röntgens Ehefrau Anna. Unmittelbar danach begann die Entwicklung von Apparaten zur „Durchleuchtung“.
Neben einem geschichtlichen Abriss und der Erklärung, wie Röntgenstrahlung entsteht, zeigt die Sendung, wie ein Computertomograph funktioniert, wie die Sicherheitsdurchleuchtung Sprengstoffe aufspüren kann und welches Geheimnis der über 3000 Jahre alte Porträtkopf der Königin Teje in sich birgt.

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Vom Erz zum Stahl

Es muss wohl ein Zufall gewesen sein, als Menschen vor gut 5000 Jahren erkannten, dass sich grünliche Kupferklumpen durch Hämmern in beliebige Form bringen lassen. Als sie es schließlich schafften, Metalle aus erzhaltigen Gesteinen herauszuschmelzen, konnte das harte, aber gut schmiedbare Eisen seinen Siegeszug antreten.
Metalle sind das wohl universellste Material zur Herstellung von Werkzeug, Waffen und Schmuck. Sie haben die Entwicklung der Menschheit so tief greifend geprägt wie kaum ein anderer Werkstoff. Und die Entwicklung geht weiter: Heutzutage stehen nicht Kupfer, Eisen und Stahl im Fokus der Forschung, sondern vorwiegend die leichten Metalle.

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Wegweisende Echos

Delfine besitzen von Natur aus einen exzellenten Orientierungssinn. Mit ihrer Echoortung unterscheiden sie zwischen Freund und Feind, machen Jagd auf Beute. Ganz anders der Mensch: Ohne technische Unterstützung wären wir in vielen Situationen total orientierungslos. Echolot und Radar gleichen diesen Nachteil aus. Beide arbeiten nach einem so einfachen wie genialen Prinzip: Sie versenden Signale und werten deren Echos aus. So machen es auch die Delfine. Ob im Flugverkehr, auf hoher See oder im All – Echos weisen uns den Weg, und „total phänomenal“ zeigt wie.

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A Glimpse into Space

Im All ist jede Menge los; wir bekommen das nur nicht mit, weil wir es gewöhnlich nicht sehen können. Oft sind interessante Himmelskörper Lichtjahre entfernt – zu weit weg für das menschliche Auge. Beim trickreichen Blick ins Weltall mit großen Teleskopen und Satelliten erleben wir ein spannendes Schauspiel: Da explodieren Sterne, neue werden geboren, schwarze Löcher verschlingen alles, was ihrem gierigen Schlund zu nahe kommt. Und aus all dem können wir etwas über unsere eigene Herkunft lernen.

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From Ore to Steel

Es muss wohl ein Zufall gewesen sein, als Menschen vor gut 5000 Jahren erkannten, dass sich grünliche Kupferklumpen durch Hämmern in beliebige Form bringen lassen. Als sie es schließlich schafften, Metalle aus erzhaltigen Gesteinen herauszuschmelzen, konnte das härtere, aber gut schmiedbare Eisen seinen Siegeszug antreten.
Metalle sind das wohl universellste Material zur Herstellung von Werkzeug, Waffen und Schmuck. Sie haben die Entwicklung der Menschheit so tief greifend geprägt wie kaum ein anderer Werkstoff.
Und die Entwicklung geht weiter. Heutzutage stehen nicht Kupfer, Eisen und Stahl, sondern vorwiegend die leichten Metalle im Focus der Forschung.

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Satellites Show the Way

Wer sich schon einmal mit dem Auto in fremder Umgebung verfranst hat, weiß die Vorteile eines Satelliten gestützten Navigationssystems zu schätzen. Richtungsanzeigen auf einem Display und die Stimme einer elektronischen „Kopilotin“ sagen, wo’s lang geht. Nur den wenigsten ist bewusst, dass dahinter eine äußerst aufwändige Technik steckt. 24 Satelliten des amerikanischen Global Positioning Systems (GPS) kreisen um die Erde und senden Funksignale, mit deren Hilfe sich die Position von Autos, Flugzeugen oder Schiffen bestimmen lässt. Wie das geht, zeigen anschauliche Computeranimationen. Der Beitrag stellt auch die europäischen Bemühungen vor, ein von den USA unabhängiges Satellitennavigationssystem unter dem Namen Galileo aufzubauen. Denn Eines ist klar: Den himmlischen Lotsen im All gehört die Zukunft.

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X-Rays Investigated

Am 22 Dezember 1895 wurde eine fotografische Aufnahme gemacht, die wie kaum eine andere einen Meilenstein in der Geschichte der Physik setzte. Es war die erste Röntgenaufnahme der Welt, die Hand von Wilhelm Conrad Röntgens Ehefrau Anna. Unmittelbar danach setzte eine stürmische Entwicklung von Apparaten zur Durchleuchtung ein. Neben einem geschichtlichen Abriss und der Entstehung von Röntgenstrahlung zeigt die Sendung, wie ein Computertomograph funktioniert, wie die Sicherheitsdurchleuchtung Sprengstoffe aufspüren kann und welches Geheimnis der über 3000 Jahre alte Porträtkopf der Königin Teje in sich birgt.

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Autor/in
Cordula Mauch