Physik- Bericht Optische Geräte

Erstellt von Oliver Stamm <[email protected]>
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PhysikBericht
Optische
Geräte
29.09.00 / 22:12
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Das Auge
Um überhaupt von optischen Geräten sprechen zu können, muss das Auge verstanden werden. Es
besteht aus der Iris, der Linse und einer Netzhaut. Mit der Iris wird wie beim Photoapparat die
“Blende” eingestellt, damit man immer genug, aber auch nicht zuviel Licht ins Auge kommt. Die
Linse ist dazu da, das Bild genau scharf auf die Netzhaut zu projizieren. Eigentlich steht das
Bild auf der Netzhaut auf dem Kopf, aber der Mensch “dreht” es im Gehirn wieder um, so dass
wir das Gefühl haben, alles sei richtig.
Jedoch können da auch Probleme auftreten, wenn die Linse nicht richtig fokussiert. Wenn
jemand kurzsichtig ist, dann wird das Bild nicht auf die Netzhaut, sondern vor der Netzhaut
scharf gestellt, was dann mit einer Zerstreuungslinse wieder eingestellt werden kann.
Umgekehrt bei der Weitsichtigkeit. Dabei werden die gesehenen Bilder hinter die Netzhaut
projiziert. Auf die gleiche Weise, nur nun mit einer Sammellinse kann dieses Problem auch
behoben werden.
Die deutlichste Sehweite des Menschen ist a=250 mm (Normwert). Ein Objekt im Abstand a
erscheint unter dem Winkel a. Eine Lupe besteht aus einer Sammellinse mit Brennweite f<a. Man
bringt das Objekt in die vordere Brennebene. Schaut man mit entspanntem, d.h. auf unendlich
eingestelltem Auge in die Lupe hinein, so wird auf der Netzhaut ein scharfes Bild entworfen. Der
Betrachter sieht das Objekt vergrössert unter dem Winkel ß. Die Vergrösserung ist V=ß:a=a:f.
Der Augenabstand verändert nur das Gesichtsfeld, nicht die Vergrösserung. Typische
Vergrösserungen sind V=3x bis 10x.
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Das holländische oder galilei’sche Fernrohr
Das Fernrohr wurde in Holland erfunden. Sein Erfinder steht nicht genau fest. jedoch wird die
Erfindung dem holländischen Brillenmacher Hans Lippershey zugeschrieben. Als Jahr wird 1608
genannt. Im Jahr 1609 ist die erste Ausstellung eines Teleskops durch Galileo Galilei belegt.
Das Objektiv (Brennweite f 1) ist eine Sammel-, das Okular (f2<0) eine Zerstreuungslinse. Die
Vergrösserung ist V=f1:(-f2). Als Anwendung sei das Opernglas genannt
Versuch: Wir bauen uns ein Fernrohr mit verschiedenen Linsen. Es ist uns möglich,
verschiedenste Ausschnitte scharfzustellen. Wir haben nun schon eine beträchtliche
Vergrösserung erreicht: Beschriftungen von Geräten sind auf eine Distanz von 5m problemlos zu
lesen.
Feststellung: Es ist uns nicht möglich, beliebig grosse Ausschnitte auszuwählen, denn irgendwann
"kippt" das Bild um. Es steht dann auf dem Kopf und ist sehr klein. Wir haben den Brennpunkt so
verschoben, dass die verlangte Konstellation nicht mehr gewährleistet ist.
Das Astronomische oder keplersche Fernrohr
Johannes Kepler entdeckte das Prinzip des astronomischen Fernrohrs mit zwei konvexen Linsen.
Keplers Idee wurde beim Bau eines Teleskops durch den deutschen Jesuiten und Astronomen
Christoph Scheiner 1630 angewandt. Die Abweichung vom Idealbild brachte jedoch gewisse
Schwierigkeiten mit sich: Astronomische Fernrohre hatten eine beachtliche Länge bis zu 60
Meter.
Das Objektiv erzeugt ein reelles Zwischenbild (ZB), welches mit einer Lupe (Okular) betrachtet
wird. Das Bild steht für den Betrachter auf dem Kopf, was aber bei astronomischen
Himmelsbetrachtungen nicht stört. Dafür können in der Zwischenbildebene Fadenkreuze o.ä.
angebracht werden. Es ist V=f 1:f2
Versuch: Zuerst wählen wir sl=150mm und s2=50mm. Nach langem verschieben geben wir den
Versuch auf. Die Differenz scheint uns etwas klein und wir suchen uns nun das Linsenpaar
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s1=500mm und s2=100mm. Der Versuch klappt hervorragend, nur sind wir zuerst etwas
beunruhigt, dass das Bild auf dem Kopf steht. Für dieses Fernrohr ist der Laborraum zu klein.
Wir stellen das Fernrohr auf Holzklötze und entdecken die Welt ausserhalb des Fensters.
Es ist uns problemlos möglich, kleinste Ritzen in der Mauer zu entdecken. Das Schwierigste
daran ist, das Auge des Betrachters ruhig zu halten, um auf den vergrösserten Ausschnitt zu
konzentrieren
Das terrestrische Fernrohr
Ein terrestrisches Fernrohr ist ein Keplerfernrohr mit zusätzlicher Umkehrlinse V=f1:f3. Als
Anwendung seien Zielfernrohre oder Feldstecher genannt. In Feldstechern wird das Bild durch
Spiegelungen in Prismen aufgerichtet.
Versuch: Wir bauen dieses Fernrohr mit den Linsen sl=50O, s2=100 und s3=50. Erst als wir den
Abstand 2*f, einstellen, entsteht ein Fernrohr. Wir versuchen, den Kopf eines Vogels vor dem
Fenster einzufangen, scheitern jedoch, da wir bei einer derartig grossen Vergrösserung enorme
Mühe bekommen, das Objekt zu fixieren.
In einem weiteren Versuch bauen wir ein terrestrisches Fernrohr mit den Linsen s~=500, s2=150
und s3=100. Auch dieses Teleskop bietet
uns eine hervorragende Vergrösserung. Wir versuchen damit die Form der sich bildenden
Wassertropfen am Wasserhahn zu untersuchen. Es gibt eine eindrückliche, weil nicht alltägliche,
Perspektive.
Nochmals stellen wir fest, dass das grösste Problem ist, ruhig zu stehen bzw. zu sitzen und stets
den selben Abstand zum Teleskop zu halten. So erhalten wir grössere Ausschnitte, wenn wir
nicht zu nahe mit dem Auge herangehen, bekommen aber Mühe, den Kopf still zu halten. Zu
Beginn war es für uns schwierig, durch alle drei Linsen gleichzeitig hindurch zu schauen.
Das Mikroskop
Mikroskope wurden wie die Fernrohre um 1600 in Holland entwickelt. Das Objekt wird sehr nahe
vor die Brennebene des kurzbrennweitigen Objektivs gestellt Das reelle Zwischenbild (ZB) rückt
in die Ferne, wird stark vergrössert und durch eine Lupe (Okular) betrachtet.
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Versuch: Wir bauen verschiedenste Modelle und erreichen mit der Kombination s1= 100 und
s2=500 die stärkste Vergrösserung. Auf einem fest angebrachten Blatt können wir von einer 11Punkt- Schrift gerade l/2 eines kleinen "O" ‘s erkennen.
Wir denken daran, nochmals Wassertropfen zu beobachten, scheitern aber daran, dass wir das
Mikroskop nicht genug nahe an das Objekt heranführen können.
Bemerkungen
'Wir hatten riesigen Spass, die Welt aus einer unüblichen Perspektive zu erleben Es war höchst
eindrücklich zu sehen, wie mit einfachsten Mitteln derartig grosse Vergrösserungen erschaffen
werden können. Für Menschen, die im allgemeinen sich nicht mit der Optik beschäftigen, sind
diese Vergrösserungen schon ein Erlebnis.
Besonders eindrücklich war das Mikroskop. Es führte uns in eine völlig neue Dimension, denn es
war klar besser als jegliche Lupen, die wir bisher kannten und war aber auch nicht so stark wie
die Mikroskope aus dem Biologieunterricht. Das Vergrössern einer Schrift war insofern
interessant, als wir Texte aus einer völlig neuen Perspektive betrachten konnten. Im
Biologieunterricht hingegen ist alles so klein, dass wir von blossem Auge es nicht erkennen
können und somit keinen direkten Vergleich haben.