Lichtbreking in het basisonderwijs: de zonnefles lamp Teach article

Vertaald door Piet Das. Meer dan 10 jaar geleden ontdekte een erg slimme en inventieve inwoner van een favela, dat hij licht kon produceren zonder elektriciteit. Nu verspreidt de zonne- lamp zich over de hele wereld.

Afbeelding met dank aan Africa
Studio/shutterstock

In 2002 kwam de Braziliaanse monteur Alfredo Moser met een manier om overdag zijn huis te verlichten zonder elektriciteit. In plaats daarvan werd bij de door Moser bedachte oplossing slechts gebruik gemaakt van een plastic fles vol water. De innovatie, die uitgaat van het fenomeen van lichtbreking, is nu verspreid over de hele wereld en zal naar verwachting dit jaar meer dan 1 miljoen huizen verlichten.

Veel leraren zijn bang om in het basisonderwijs natuurkundige onderwerpen te introduceren, maar terwijl de leerlingen misschien niet in staat zullen zijn om het lichtbreking te noemen, zullen velen hebben gezien hoe een rietje lijkt te buigen op de overgang van lucht naar water. Dit artikel beoogt een theoretische achtergrond voor lichtbreking te zijn en laat zien hoe de zonnelamp kan worden gebruikt om dit verschijnsel in de klas te demonstreren.

Lichtbreking

Figuur 1: Het buigen van een
lichtstraal  als het valt op een
medium met een grote
brekingsindex

Afbeelding met dank aan
Stephanie Ohlberger

Als je terugdenkt aan het rietje in een glas water, leek het rietje te worden gebogen of gebroken. Dit gebeurt omdat water optisch dichter is dan lucht en licht zich langzamer voortbeweegt door water dan door lucht. Door de verandering in snelheid buigt het licht bij het passeren van de ene substantie naar de andere, een verschijnsel dat lichtbreking genoemd wordt. Bij lichtbreking zijn twee dingen belangrijk, namelijk de hoek waarop het licht valt op het grensvlak tussen twee stoffen, de zogenaamde invalshoek en er is een specifieke eigenschap van elk van de twee betrokken stoffen bij betrokken: de brekingsindex. In het algemeen hebben dichtere stoffen een grotere brekingsindex omdat dichtere stoffen licht sterker afremmen.

Figuur 2:  Het buigen van een
lichtstraal  als het valt op een
medium met een kleinere
brekingsindex

Afbeelding met dank aan
Stephanie Ohlberger

Denk eens aan een auto die snel rijdt op een weg maar afremt ​​door een modderig veld op te rijden. Breking treedt niet op wanneer lichtstralen in een rechte hoek vallen op het oppervlak tussen twee doorzichtige media, net zoals het rechtdoor rijden op een modderig veld  je zal vertragen, maar je zult dan nog steeds in dezelfde richting blijven rijden. Als je het veld echter oprijdt in een hoek , dan zullen de wielen die de modder het eerst raken worden afgeremd en zal de auto afdraaien. Op soortgelijke wijze veranderen lichtstralen van richting als ze schuin op het oppervlak vallen. De richting daarvan hangt af van de brekingsindices van de twee betrokken ( figuren 1 en 2 ) media.

Het verschijnsel lichtbreking kun je in de klas eenvoudig laten zien met een paar inleidende experimenten.

 

 Snell’s law of refraction

In de natuurkunde wordt de wet van Snellius gebruikt om lichtbreking en de eigenschappen ervan te beschrijven. In de Wet van Snellius is vastgelegd dat de snelheid van het invallende licht gedeeld door de sinus van de hoek van inval gelijk is aan de snelheid van het gebroken licht gedeeld door de sinus van de hoek van het gebroken licht, (v1/(sinθ1)) = (v2/sinθ2 ). Dit betekent dat wanneer licht gaat van een stof met een lagere optische dichtheid naar een stof met een hogere optische dichtheid, het vertraagd wordt en dat de lichtstraal gebogen wordt in de richting van de normaal op de grens tussen de twee media. Dit gebeurt als een lichtstraal vanuit  lucht in water komt. In het tegenovergestelde geval, wanneer een lichtstraal van een medium met een lagere brekingsindex, bijvoorbeeld van water naar lucht, gaat, het van de normaal zal afbuigen.

De wet van Snellius kan ook worden beschreven in termen van de brekingsindex of hoe optisch dicht het medium is. Een brekingsindex van een medium, n , wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de lichtsnelheid in een vacuüm , c , en de lichtsnelheid in het medium v, n=c/v. Dat betekent ook dat de wet van Snellius kan worden geschreven als sinθ1 n1= sinθ2 n2.

Omdat de lichtsnelheid in vacuüm altijd 3 x 108 ms – 1 is , is het eenvoudig om de brekingsindex te berekenen voor een medium zolang je de lichtsnelheid in dat medium kent. In de praktijk hebben dichtere stoffen een hogere brekingsindex omdat dichtere stoffen het licht meer vertragen.

 

De schoenendoos

Net zoals wij hebben gedaan kan het onderwerp  lichtbreking worden geïntroduceerd door te bespreken hoe een rietje of een potlood in een glas, gezien vanaf de zijkant, gebroken lijkt te zijn.  Dit is een goede basis voor uitdiepende vragen over dit onderwerp. De theoretische wetten van lichtbreking kunnen dan worden aangetoond door het opzetten van een eenvoudig experiment met een schoenendoos. De proef moet worden uitgevoerd in groepjes van twee of drie omdat het een beetje lastig is. Afhankelijk van de leeftijd van de leerlingen en van hoeveel tijd er in de les is, kan de leerkracht ook de voorbereiding van de schoenendozen al op voorhand doen om de tijd die nodig is voor het knutselen in de klas in te korten .

Zoals uiteengezet in het gedetailleerde documentw1  dat je kunt downloaden van de weblinks, heeft u een zaklamp , een schoenendoos , een zakmes en een glas water nodig. Knip twee verticale sleuven in het korte eind van de schoenendoos. De ruimte tussen de spleten mag niet breder zijn dan het glas. Wanneer de zaklamp door de twee spleten schijnt moet u twee rechte lijnen licht zien . Plaats nu het glas water in de doos, zodat de twee lichtstralen op het glas vallen. Wanneer het glas water echter achter de spleten wordt gezet zullen zij elkaar kruisen . Dit is het gevolg van licht dat wordt afgeremd door water, aangezien dat een hogere optische dichtheid heeft dan lucht. Volgens de wet van lichtbreking , wordt het licht naar binnen gebogen en daardoor kruisen de twee lichtstralen elkaar uiteindelijk.

 

De zonnelamp

Als je lichtbreking hebt uitgelegd kunt je laten zien hoe de zonnelamp erin slaagt kamers en huizen te verlichten met ongeveer evenveel licht als een 50-60 watt gloeilamp. Met slechts een plastic fles vol water kunnen mensen hun kamers en hutten verlichten. Het oorspronkelijke concept van Moser is verder ontwikkeld door liefdadigheidsinstellingen om duurzame en betaalbare verlichting zonder gebruik van electriciteitw2 naar gemeenschappen in Afrika , de Filippijnen , India , en andere Zuidoost- Aziatische landen te brengen. In de klas , zou het  slechts ongeveer 10 minuten moeten kosten om je eigen versie te creëren.

Materialen

  • Karton
  • Schaar
  • Uitgeknipte rondjes
  • Grote plastic flessen (1 of 2l)
  • Water
  • Grote kartonnen doos
  • Zaklantaarn

Werkwijze

  1. Knip een gat in de bovenkant van de doos: het moet zo groot zijn dat de fles er doorheen past. Knip dan een raamachtige opening in de zijkant zodat je de ronde kant kunt zien.
    Afbeelding met dank aan Stephanie Ohlberger

  2. Knip een 15 x 15 cm vierkant uit het karton.
    Afbeelding met dank aan Stephanie Ohlberger

  3. Teken twee concentrische cirkels in het midden van het vierkant met de uitgeknipte rondjes.
    Afbeelding met dank aan Stephanie Ohlberger

  4. Knip de binnenste cirkel uit.
    Afbeelding met dank aan Stephanie Ohlberger

  5. Maak een knipje van de binnenste naar de buitenste cirkel met korte afstanden ertussen en buig deze stukken naar boven.
    Afbeelding met dank aan Stephanie Ohlberger

  6. Plaats het gat in het karton over de flessenhals en vul de fles met water.
    Afbeelding met dank aan Stephanie Ohlberger

  7. Plaats de zonnefleslamp  in de bovenkant van de voorbeeld hut en schijn met een zaklantaarn op de flessenhals.
    Afbeelding met dank aan Stephanie Ohlberger

  8. Bekijk de zonnenlamp door de opening in de zijkant.
    Afbeelding met dank aan Stephanie Ohlberger

Wat gebeurt er?

De zonnefleslamp is gebaseerd op het principe van de lichtbreking. Omdat het licht van de zaklamp van een medium met een lagere brekingsindex (lucht) naar een medium met een grotere brekingsindex gaat (water) buigen de lichtstralen af in het water en als het licht er dan uitkomt wordt het verspreid door de kamer. Om dit te laten gebeuren moet de flessenhals uitsteken boven het dak, terwijl de verspreiding van de afgebogen lichtstralen ontstaat door het hoofddeel van de fles die, als een echte gloeilamp, aan het plafond hangt (figuur 3). Het grote voordeel van deze lichtvoorziening is de duurzaamheid en veiligheid. Er zijn geen risico’s voor brandgevaar met dit soort “lamp”, ze zijn goedkoop te maken en in te zetten. In de praktijk wordt chloor aan het water toegevoegd om het water helder en vrij van algen en microben te houden en de bollen zijn stevig vastgemaakt in het dak om zo een  weerbestendige verzegelingw3 te krijgen. Er zijn tal van video’s op het internet die laten zien hoe dit is gedaan met behulp van geschikte woningbouwmaterialenw4.

 

Figuur 3: Terugkaatsing van
de lichtstralen in de fles in de
verzamelhut

Afbeelding met dank aan
Stephanie Ohlberger

Vervolgvragen

Afhankelijk van de leeftijd van de leerlingen , kan het zonne- lampexperiment onderdeel zijn van een groter vakoverstijgend  project over de problemen van de ontwikkelingslanden in vergelijking met de eigen ervaringen van de student. Na het zien van de werkende lamp, moeten de studenten beseffen hoe groot de vooruitgang van de zonnefleslamp is voor mensen zonder een betrouwbare elektriciteitsbron. De leerlingen kunnen  verschillende lichtniveaus meten door onze elektrische apparatuur te vergelijken met deze vorm van licht- productie. De focus kan ook gericht worden op de sociale situatie van de betreffende mensen en kan worden gebruikt als uitgangspunt voor een schoolproject om geld in te zamelen om zonnefleslampen te helpen verspreiden in kansarme regio’s.

Conclusies

De zonnelamp is een innovatieve oplossing voor het probleem van verlichting in huis en is een eenvoudig voorbeeld van natuurkunde die leerlingen zal helpen motiveren zich bezig te houden met het onderwerp. Het biedt ook een uitstekende gelegenheid voor vakoverstijgend werk. Gedurende de experimenten oefenen de kinderen met teamwerk en verdelen van verantwoordelijkheden, waardoor hun sociale vaardigheden verbeteren. Afgezien van gericht zijn op de inhoud, kan de nadruk van de les ook liggen op de wetenschappelijke methode door testprotocollen te introduceren, die gunstig zal zijn voor de toekomstige werkzaamheden in andere natuurwetenschappelijke vakken. De aanpak, waarbij de zonnefleslamp onderdeel is van het onderwijs, is al uitgevoerd in veel scholen in het kader van licht- of andere energieprojecten, zodat je leerlingen de kans kregen met lichtbreking te experimenteren vanuit een praktisch oogpunt.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Download de gedetailleerde werkwijze  in Word of in Pdf om het schoenendoosexperiment uit te voeren.
  • w2 – De website van de Myshelter Foundation geeft een goed overzicht van het gebruik van zonnelampen in de hele wereld.
  • w3 – Bekijk een stap-voor-stap handleiding over hoe je een zonnenlamp maakt.
  • w4 – Bekijk een korte short video over hoe je een zonnenlamp maakt.

Resources

  • Voor meer informative over zonnelampen, zie:
  • Voor enige achtergrondinformatie over optiek en de natuurkunde van licht, zie:
    • Hecht, E. (2002). Optics (4th ed.). San Francisco: Addison-Wesley.
    • Waldman, G. (2002). Introduction to Light: The Physics of Light, Vision and Color. New York: Dover Publications.
  • Voor goede algemene bronnen met achtergrondinformatie over natuurkunde in het algemeen, zie:
    • Taylor, C. (2000). The Kingfisher Science Encyclopedia. London: Kingfisher.

Author(s)

Dr. Claas Wegner is een ervaren docent van de vakken biologie en  natuurkunde op een middelbare school en hij en universitair docent aan de Universiteit van Bielefeld op de afdeling voor biologiedidactiek

Stephanie Ohlberger is een masters student voor het vak biologie en engels in het VO. Ze is academisch assistent op afdeling voor biologiedidactiek aan de Universiteit van Bielefeld.


Review

Het artikel richt zich op het belangrijke onderwerp  lichtbreking . Kinderen kunnen zich ervan bewust zijn dat een rietje lijkt te buigen wanneer het in een glas water gezet wordt, maar het is moeilijk voor hen om te bedenken dat het het licht is dat eigenlijk buigt en niet het rietje . Het schoenendoosexperiment zou zeer nuttig kunnen zijn om voor hen de afbuiging van lichtstralen te visualiseren.

Het idee van een zonnelamp moet jonge kinderen intrigeren. Het kan worden gebruikt als basis voor een discussie over mogelijke dagelijkse toepassingen . In welke lokalen of ruimten thuis kunnen dergelijke lampen worden gebruikt? Leerlingen kunnen warm gemaakt worden om zowel de voor-en nadelen van het gebruik van een dergelijk systeem thuis te bespreken. Men kan het gebruik van de zonnelamp bespreken in de context van de ontwikkeling van duurzame gebouwen, het verminderen van onze afhankelijkheid van elektriciteit en de economische waarde ervan.

Docenten kunnen het concept erg eenvoudig aanpassen voor een schoolproject, waarbij leerlingen de haalbaarheid en de waarde van de invoering van een dergelijk systeem in huis of in de bredere gemeenschap onderzoeken. Hoewel het artikel vooral gericht is op leerkrachten in het basisonderwijs, zouden zowel de NAW- als natuurkundeleraren in het voortgezet onderwijs het nuttig kunnen vinden bij de introductie van het concept van de lichtbreking .


Paul Xuereb, Malta




License

CC-BY-NC-SA