In dieser Unterrichtsreihe zur Teilcheneigenschaft von Licht erkennen Ihre Schüler*innen zunächst beim Hallwachs-Versuch, dass die Lichtenergie unabhängig von der Amplitude ist - im Widerspruch zum Wellenmodell - und stattdessen von der Lichtfarbe (Wellenlänge/Frequenz) abhängt.
Bei der Untersuchung des Fotoeffekts im Experiment und einer Simulation finden Ihre Lernenden die Einstein-Gleichung und interpretieren die Beobachtungen im Rahmen der Photonentheorie auf natürliche Weise, was dem Wellenbild versagt geblieben ist.
Um die Energieabhängigkeit beim Fotoeffekt quantitativ untersuchen zu können, lernen Ihre Schüler*innen vorab den Aufbau mit Fotokathode, Ringanode und Kondensator kennen. Mithilfe ihrer Kenntnisse aus dem zuvor durchgeführten Hallwachs-Versuch und einem informierenden Text zu Grundbegriffen der Elektrizitätslehre (Stromkreis, Stromstärke, Spannung), sowie den nötigen Grundlagen zum Verständnis eines Kondensators, erklären Ihre Lernenden die Idee zur Bestimmung der frequenzabhängigen Energie des Lichts mithilfe der Gegenfeldmethode selbstständig.
Klassenstufen: Q1 (11./12. Jhg.), Q2 (12./13. Jhg.)
Mit der Kompaktanordnung zur h-Bestimmung von Leybold untersuchen Ihre Schüler*innen die Abhängigkeit der aus einer Kalium-Fotozelle herausgelösten kinetischen Energie von Elektronen in Abhängigkeit der Lichtfrequenz von Farben einer Quecksilber-Dampflampe. [ Es kann aber auch eine andere Anordnung oder eine Simulation verwendet werden. ]Die aufgenommenen Datenpunkte ergeben eine Gerade im Frequenz-Energie Diagramm, deren beschreibende Funktionsvorschrift als Einstein-Gleichung bekannt ist. Ihre Lernenden schlussfolgern, dass die Energie des Lichts offenbar von ihrer Frequenz abhängt und lernen die Grenzfrequenz als Schwelle zur Auslösung des Fotoeffekts kennen.
Klassenstufen: Q1 (11./12. Jhg.), Q2 (12./13. Jhg.)
Albert Einstein gelang es die Beobachtungen beim Hallwachs-Versuch und dem Fotoeffekt in der Photonentheorie erfolgreich zu erklären.Ihre Schüler*innen lesen einen informierenden Text, beantworten Leitfragen dazu und führen einfache Rechnungen zur Photonenenergie und der Grenzfrequenz beim Fotoeffekt durch.
Klassenstufen: Q1 (11./12. Jhg.), Q2 (12./13. Jhg.)
Ihren Schüler*innen ist zu diesem Zeitpunkt das Einstein-Gesetz bereits bekannt. Mithilfe einer Simulation untersuchen Sie, welchen Einfluss das Kathodenmaterial auf den Fotoeffekt hat, indem sie Licht verschiedener Wellenlängen auf eine Fotozelle schicken und die Gegenspannung so einstellen, dass der Fotostrom gerade eben so unterbunden wird.Im f->Ekin Diagramm interpretieren Ihre Lernenden die Parallelität der Geraden als Konstanz des Planck'schen Wirkungsquantums und erkennen die Austrittsarbeit bzw. Grenzfrequenz in Form des y-Achsenabschnitts und der Nullstelle der Graphen als materialabhängige Größen.Mit einigen Übungsaufgaben festigen Ihre Schüler*innen den Umgang mit den neuen Begriffen und wenden die Einstein-Gleichung auf verschiedene Weisen an. Durch die vorbereiteten Hilfekarten kämpfen sich die Kinder weitestgehend selbstständig durch die Aufgaben.
Klassenstufen: Q1 (11./12. Jhg.), Q2 (12./13. Jhg.)
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