ABBILDUNG DURCH LINSEN – EINFACH OPT. GERAETE

F AKULTÄT FÜR PHYSIK
Arbeitsgruppe Didaktik der Physik
ABBILDUNG DURCH LINSEN – EINFACH OPT. GERAETE
PFLICHTVERSUCHE FÜR ALLE: ABBILDUNG DURCH EINE SAMMELLINSE (IN 2ER/3ER-GRUPPEN)
1
Halten Sie eine Sammellinse so vor eine helle Wand, dass Sie auf der Wand ein Bild der
gegenüberliegenden Fensterseite sehen. Sie beobachten ein sog. reelles Bild (Bild, das auf einem
Schirm aufgefangen werden Kann).
Begründen Sie, warum die Entfernung Linse Schirm (bei scharfem Bild) etwa die Brennweite der
Linse angibt!
2
Demonstrieren Sie mit einer brennenden Kerze als Gegenstand die Entstehung reeller Bilder bei
der Abbildung durch eine Sammellinse! Verwenden Sie dazu eine Linse mit der Brennweite 15cm
und einen weißen Schirm, auf dem Sie das Bild auffangen!
Variieren Sie nun die Entfernung der Kerze zur Linse (Gegenstandsweite g) und untersuchen
Sie, qualitativ, wo hinter der Linse (Bildweite b) Sie jeweils ein scharfes Bild beobachten können!
Beobachten Sie dabei auch wie groß das Bild (Bildgröße B) im Vergleich zum Gegenstand
(Gegenstandsgröße G) ist!
Untersuchen Sie nun den Zusammenhang zwischen g, b, G und B systematisch und tragen Sie die
Ergebnisse in die nachfolgende Tabelle ein!
Gegenstandsweite g
Bildweite b
(z.B. f<b<2f)
Bildgröße B im Vergl. zur
Gegenstandsgröße G (z.B. B<G)
g = 2f
∞ > g > 2f
2f > g > f
g<f
Formulieren Sie die Ergebnisse auch in Worten (sprachliche Ergebnisformulierung)!




3
Welches ist die kleinste Bildweite, die sich beobachten läßt und bei welcher
Gegenstandsweite tritt diese auf?
Bei welcher Gegenstandsweite sind Bild und Gegenstand gleich groß?
Bei welchen Gegenstandsweiten erhält man ein vergrößertes, wann ein verkleinertes Bild?
Für welche Gegenstandsweiten erhält man kein reelles (auf einem Schirm auffangbares) Bild
mehr?
Luftbild:
Wenn man einen Gegenstand durch eine Sammellinse abbildet, muß man das Bild nicht
unbedingt auf einem Schirm sichtbar machen. Schaut man nämlich in Richtung des Gegenstandes
auf die Linse, sieht man das Bild sogar viel klarer. Sie werden überrascht sein!
Halten Sie eine Linse (f=5cm) mit ausgestrecktem Arm und betrachten Sie durch sie einen kleinen
Gegenstand (z.B. einen Radiergummi oder noch besser eine Kerzenflamme) der etwa 20cm von
der Linse entfernt liegt. Schauen Sie mit beiden Augen in den Bereich der Linse, in dem Sie das
Bild erwarten! Wie erscheint der Gegenstand?
Wenn Sie es nicht auf Anhieb schaffen, Ihre beiden Augen auf den Bildort zu fokussieren, dann
suchen Sie das Bild zuerst mit Hilfe eines Blattes Papier als Schirm und nehmen sie dann das Blatt
wieder weg, um das „reine“ Bild zu beobachten. Am Anfang bedarf es dazu der geduldigen
Übung.
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GRUPPE 1: WANDTAFELOPTIK I
Machen Sie sich mit der Wandtafeloptik bekannt und führen Sie folgende Versuche vor:
1.1 Demonstrieren Sie, dass alle, nicht nur die parallel zu optischen Achse verlaufenden
Parallelbündel, von einer Sammellinse in einer Ebene – der sog. Brennebene – hinter der Linse
scharf abgebildet werden!
1.2 Demonstration der Reflexion und der Brechung von Lichtbündeln;
Demonstration dass Brechung und Reflexion (fast) immer gleichzeitig auf treten; Totalreflexion
1.3 Demonstrieren Sie: Je größer der Einfallswinkel, desto stärker die Ablenkung des Lichtstrahls. Der
Brechungswinkel verändert sich nicht linear mit dem Einfallswinkel.
1.4 Untersuchen Sie die Brechung quantitativ mit dem Ziel, das Brechungsgesetz zu bestätigen.
GRUPPE 2: WANDTAFELOPTIK II
2.1 Demonstrieren Sie an der optischen Wandtafel den Verlauf ausgezeichneter Strahlen beim
Durchgang durch eine Sammellinse und zeigen Sie, dass nur achsennahe Parallelstrahlen in der
Brennebene gebündelt werden (sphärische Aberration).
Demonstrieren Sie auch, was man unter chromatischer Aberration versteht!
2.2 Führen Sie an der opt. Wandtafel einen Versuch vor, der die Entstehung eines virtuellen
Bildpunktes beim Spiegelbild demonstriert!
Wenn Sie noch Zeit haben, dann führen Sie einen Versuch vor um die Entstehung virtueller Bilder
durch Brechung pluasibel zu machen!
GRUPPE 3: DAS AUGE
Das Auge ist das Sehorgan des Menschen. In
ihm befinden sich auf der Netzhaut Stäbchenund Zäpfchenzellen, mit denen man Helligkeit
und Farben wahrnehmen kann. Die in ihnen
ausgelösten
Reize
werden
durch
die
Nervenzellen zum Gehirn transportiert und dort
entsteht das Bild. Das Netzhautbild, das man
anschauen kann ist vom Bild das im Gehirn
erzeugt wird zu unterscheiden. (Sehen physiologisch / Wahrnehmen - psychologisch) Die Linse verhilft zum Scharfsehen und die Pupille
regelt den Lichteinfall.
3.1 Bauen sie mit einer Sammellinse (= Linse), einer Irisblende (=Pupille) und einem Schirm
(=Netzhaut) das Auge schematisch nach und bilden sie die Glühwendel einer Lampe scharf auf
dem Schirm ab. Zeichen Sie schematisch den Strahlengang im Auge.
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3.2 Verändern sie den Abstand der Lampe von der Blende. Wie kann man nun ein scharfes Bild auf
dem Schirm erzeugen (ohne dass der Abstand zwischen Schirm und Linse verändert wird).
Wie stellt das Auge selbst scharf? Demonstrieren Sie dies mit Hilfe der in der Sammlung
vorhandenen wasserbefüllbaren Linse mit veränderlicher Brennweite!
3.3 Der Nahpunkt eines Auges die kürzeste Entfernung auf die das Auge scharf stellen kann.
Schätzen sie diese Entfernung bei Ihnen ab (Vorsicht vor spitzen Gegenständen; Auge wird sehr
stark angestrengt!)
Fehlsichtigkeiten
3.4 Welche Arten von Fehlsichtigkeiten werden auf den folgenden Bildern Dargestellt?
3.5 Demonstrieren Sie in einem Modellversuch die verschiedenen Fehlsichtigkeiten und wie man
diese beheben kann.
GRUPPE 4: DER PHOTOAPPARAT
Mit dem Fotoapparat kann man Bilder von Gegenständen auf Film bzw. bei Digitalkameras auf
Speicherkarten festhalten. Dies geschieht mit Hilfe einer Linse (Objektiv) und einer Blende. Während
des Auslösens wird der Film / CCD-Chip kurz belichtet ehe die Blende wieder geschlossen wird. Die
Öffnung der Blende regelt dabei auch den Lichteinfall.
4.1 Bauen Sie ein Modell eines Fotoapparats mit Hilfe eines Schirms, einer Irisblende und einer
Sammellinse.
Demonstrieren Sie, wie der Gegenstandbereich,
der scharf abgebildet wird
(Schärfentiefe/Tiefenschärfe) von der Blendenöffnung abhängt. Erklären Sie den Sachverhalt
anhand einer Skizze.
4.2 Vergleichen Sie Fotoapparat und Auge. Was ist in Aufbau und Funktion gleich was ist
verschieden.
4.3 Bauen Sie an der optischen Wandtafel einen Modellversuch zur Demonstration des Aufbaus und
der Funktion der Spiegelreflexkamera!
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GRUPPE5: DIE LUPE
Lupen sind einfache Sammellinsen die zur Vergrößerung von nahen (kleinen) Gegenständen dienen.
5.1 Lupe: Halten Sie eine Linse (Brennweite 5cm oder 10cm) näher als die Brennweite an einen
kleingedruckten Text, und lesen Sie den Text durch die Linse!
Wie müssen Sie die Linse halten, damit die Schrift möglichst stark
vergrößert erscheint?
Beobachten Sie auch andere kleine ‚Gegenstände’ durch eine Lupe!
Bestimmen Sie experimentell die Vergrößerung einer Lupe!
Blicken Sie dazu mit einem Auge auf ein Lineal, das Sie durch eine
Lupe betrachten und mit dem anderen Auge auf ein Lineal, das in
25cm Entfernung (deutliche Sehweite) auf dem Experimentiertisch
liegt. Wenn Sie die Skalen beider Lineale gleichzeitig sehen, können
Sie miteinander vergleichen.
Macht es für die Vergrößerung einen Unterschied, ob man mit
dem Auge nah an der Lupe dran ist oder weiter weg?
5.2 Erklären Sie die Entstehung des beim Blick durch eine Lupe wahrgenommenen virtuellen Bildes
mit Hilfe eines geeigneten Experimentes an der optischen Wandtafel!
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