Sehen und Wahrnehmen

Sehen und
Wahrnehmen
Das Auge und seine Hilfen
Lichtwege in Natur und Technik
Die Welt der Farben
Das Auge und seine Hilfen
Ein Optiker bei der Arbeit: Er
probiert so lange unterschiedliche
Brillengläser aus, bis das Mädchen
die Buch­staben scharf sieht. Ein
Optiker verkauft neben Brillen
auch Lupen und Fernrohre. All
diese Sehhilfen wollen wir als
optische Bauteile physikalisch
untersuchen.
Die Linse ist ein wichtiges
optisches Bauteil. Sie besteht
aus Glas oder durchsichtigem
Kunst­stoff. Notiere Geräte,
die eine oder mehrere Linsen
enthalten.
A 1
Vielleicht hat die Verdunk­
lung in eurem Physik­saal ein
kleines Loch. Haltet ein mil­
chiges Glas im Abstand von
etwa 30 cm im verdunkelten
Saal hinter das Loch. Beschreibt
eure Beobachtungen.
A 4
In der Physiksammlung be­­findet sich eine Vielzahl von Linsen.
A 2
a) Beschreibt die Unterschiede in ihrer Bauart.
b) Untersucht ihre Wirkung auf das Licht einer Taschenlampe.
Wie ändern sich die Lichtflecke an der Wand?
Die Bilder unten zeigen den Querschnitt des Auges eines Nautilus
und den vereinfachten Querschnitt eines menschlichen Auges.
Vergleicht den Aufbau der beiden Augen.
A 3
10
Sehen und Wahrnehmen Das längste voll bewegliche
Linsenfernrohr der Welt – auch
„Himmelskanone“ genannt –
steht in Berlin. Recherchiere
im Internet alle wichtigen
Informationen dazu und fertige
einen Steckbrief an.
A 5
Das Auge und seine Hilfen
Linsen erzeugen Bilder
1. Eine Lochblende erzeugt Bilder
Licht gelangt von einem Gegenstand in unser Auge. Das Auge
als Lichtempfänger meldet dies an unser Gehirn – wir sehen
den Gegenstand. Das haben wir bereits gelernt.
Um Einzelheiten des Gegenstands zu erkennen, genügt es je­
doch nicht, dem Gehirn zu melden, ob der Gegenstand hell
oder dunkel ist. Vielmehr benötigt das Gehirn Informationen
von jedem einzelnen Punkt des Gegenstands. Aus den Posi­
tionen und der Farbe der Gegenstandspunkte erkennt das
Gehirn dann Muster: So bilden in ‹ V 1 links fünf farbige
Lämp­chen den Buchstaben „L“ als sehr einfaches Muster. Im
Auge entsteht ein Bild dieses Musters.
‹ V 1 zeigt ein Experiment zu dieser Bildentstehung: Das aus
den farbigen Lämpchen gebildete „L“ (der Gegenstand) steht
vor einer Lochblende. Auf einer milchigen Glasplatte (auch
Schirm genannt) erkennen wir ein Bild dieses „L“. Im Ver­
gleich zum Gegenstand ist sein Bild höhen- und seitenver­
kehrt. Wir können die Größe des Bildes dadurch verändern,
dass wir die Abstände zwischen Schirm und Loch­blende oder
zwischen Gegenstand und Lochblende ­variieren.
Nehmen wir die Lochblende weg, so verschwindet das ­höhenund seitenverkehrte Bild. Also erzeugt erst die Lochblende
das Bild. Man nennt den Aufbau aus Lochblende und Schirm
Lochkamera. Die Bildentstehung in der Lochkamera erläu­
tert ‹ B 1 mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts.
Fünf farbige Lämpchen sind auf einer
schwarzen Pappe montiert. Zusammen bil­
den sie den Buchstaben „L“. Im abgedun­
kelten Raum stellen wir eine Lochblende
etwa im Abstand 10 cm davor. Dahinter er­
kennen wir auf diesem Schirm ein höhenund seitenverkehrtes Bild.
V 1
Hinter der Lochblende erkennen wir
ein Lichtbündel. Begrenzt wird es durch die
Randstrahlen. Auf dem Schirm entsteht ein
Lichtfleck.
B 1
Betrachten wir zunächst die Verhältnisse für einen einzigen
leuchtenden Punkt, auch Punktlichtquelle genannt. Die Loch­
blende erzeugt ein Lichtbündel. Seine Randlinien sind wie
beim Schatten geradlinig begrenzt. Wir verwenden für diese
Linien den Begriff (Rand-)Strahl, den du bereits aus der
Mathe­matik kennst. Das von diesen Randstrahlen begrenzte
Lichtbündel trifft auf den Schirm auf und erzeugt dort einen
Lichtfleck. Der Lichtfleck hat die Farbe der Lichtquelle.
Drei Punktlichtquellen erzeugen drei Lichtbündel hinter der
Lochblende und damit drei Lichtflecke auf dem Schirm, die
sich zu einem Bild anordnen ‹ B 2 . Verschieben wir in Ge­
dan­ken den Schirm ‹ B 3 oder den Gegenstand, so ­ können
wir uns die Änderung der Bildgröße sofort vorstellen. Je
­kleiner der Abstand zwischen Lochblende und Schirm, desto
kleiner ist das Bild. Je kleiner der Abstand zwischen Gegen­
stand und Lochblende, desto größer ist das Bild.
Die Lochblende erzeugt bei drei Lämp­
chen drei Lichtflecke, die ein Bild zeigen.
B 2
Merksatz
Lochblenden erzeugen höhen- und seitenverkehrte Bilder.
Das Bild wird größer, wenn
– wir den Schirm weiter von der Lochblende wegschieben,
– wir den Gegenstand näher zur Lochblende schieben. n
Je kleiner der Abstand Blende-Schirm,
desto kleiner das Bild.
B 3
Linsen erzeugen Bilder Sehen und Wahrnehmen
11
2. Der Nachteil der Lochkamera
In ‹ V 1a verwenden wir als Gegenstand eine Kerze. Auch
hier entsteht in unserer Lochkamera ein Bild – diesmal das
der Kerze. Wir erklären uns die Bildentstehung mithilfe vie­
ler gedachter Punktlichtquellen in der Kerze. Jeder Licht­
punkt wird von der Lochkamera auf einen kleinen Lichtfleck
in Form des Loches abgebildet. Diese Lichtflecke ordnen sich
zum höhen- und seitenverkehrten Bild an.
a) Wir stellen eine Kerze vor eine
Lochblende. Im verdunkelten Physiksaal
sehen wir auf dem Schirm das Bild der
Flamme. Das Bild ist ziemlich dunkel.
b) Wir benutzen eine größere Blendenöff­
nung. Das Bild der Kerze wird jetzt heller,
aber auch unschärfer.
V 1
Jeder der beteiligten Lichtflecke erhält in jeder Sekunde eine
bestimmte Energiemenge von „seinem“ Gegenstandspunkt.
Vergrößern wir in ‹ V 1b die Blendenöffnung, so werden die
einzelnen Lichtflecke größer. Das Bild wird heller, da von je­
dem Gegenstandspunkt mehr Energie in die Lochkamera
kommt. Allerdings überlappen sich alle Lichtflecke auf dem
Schirm jetzt stärker als vorher, wie uns ‹ B 1 zeigt. Dadurch
wird das Bild unschärfer, wie ‹ V 1b bestätigt.
Merksatz
Eine Lochkamera ordnet jedem Gegenstandspunkt einen
Licht­­fleck zu. Kleine Öffnungen in der Blende erzeugen schar­
fe, aber dunkle Bilder. Große Öffnungen erzeugen helle, aber
unscharfe Bilder.
n
3. Linsenbilder sind scharf
Größere Blendenöffnungen erzeugen
größere Lichtflecke.
B 1
Linse
Das Lochkamerabild ist also entweder dunkel oder unscharf.
Zum Fotografieren verwenden wir heute daher keine Loch­
kamera.
zeigt einen aufgeschnittenen Fotoapparat. Im Unter­
schied zur Lochkamera ist die Lochblende nicht leer, sondern
durch einen Glaskörper gefüllt. Wegen seiner Form (innen
dick und außen dünn) wird er nach einer Hülsenfrucht ­Linse
genannt.
‹ B 2
Film
B 2
Ein aufgeschnittener Fotoapparat
Wir bauen in ‹ V 2 einen Modellfotoapparat und verwenden
wieder als Gegenstand eine Kerze. Statt der Lochblende der
Lochkamera verwenden wir diesmal eine Linse. Das Bild der
Kerze wird auf einem Schirm sichtbar.
Das Versuchsergebnis ist erstaunlich. Das so erzeugte Bild ist
selbst bei Tageslicht deutlich zu erkennen. Wie bei der Loch­
kamera ist das Bild höhen- und seitenverkehrt. Aber es ist
diesmal gleichzeitig hell und scharf. Wie ist das möglich?
Wir bauen einen Modellfotoapparat:
Kerze (Gegenstand) – Linse – Schirm
(Film).
V 2
12
Sehen und Wahrnehmen Linsen erzeugen Bilder
Im Unterschied zur Lochkamera, in der nur ein kleines Loch
Licht hindurch lässt, ist die Linsenöffnung viel größer. Von
jedem Gegenstandspunkt gelangt also mehr Lichtenergie
auf den Schirm. Das kennen wir schon von der Lochkamera.
Wie kann es sein, dass das Bild trotzdem scharf bleibt?
Das Auge und seine Hilfen
In der Lochkamera wurde das Bild durch die Überlappung
von Lichtflecken unscharf. Bei Linsenbildern ist dies offenbar
nicht der Fall. Woran das liegt, müssen wir klären.
Wie bei der Lochkamera untersuchen wir wieder zunächst
das Bild einer einzigen punktförmigen Lichtquelle ‹ V 3 . Das
Lichtbündel, das von P ausgehend durch die Linse geht, wird
in einem Punkt P’ gesammelt. Hier schneiden sich die Rand­
strahlen. Stellt man also den Schirm hinter der Linse genau
an die Stelle P’, so entsteht auf dem Schirm kein Lichtfleck,
sondern ein heller Punkt. Ein zweites Lichtbündel eines
zweiten Punktes würde einen anderen hellen Punkt auf dem
Schirm erzeugen.
Damit verstehen wir die Entstehung von Linsenbildern ‹ B 3 :
Von jedem Punkt des Gegenstandes gelangt ein Lichtbündel
durch die Linse. (In ‹ B 3 sind nur die beiden von den Enden
der Kerzenflamme gezeichnet). Auf dem Schirm erzeugt je­
des dieser Lichtbündel jeweils einen hellen Punkt. Alle diese
Punkte setzen sich zum Bild zusammen. Punkte können sich
nicht überlappen – das Bild ist scharf. Die Linsenöffnung ist
relativ groß – also gelangt von jedem Gegenstandspunkt viel
Lichtenergie in den jeweiligen Bildpunkt. Das Linsenbild ist
also gleichzeitig hell und scharf.
P
P´
Ein Lämpchen (P) erzeugt Licht. Hin­
ter der Linse hat das Lichtbündel einen be­
sonderen Verlauf: Die Randstrahlen schnei­
den sich in einem Punkt P’, das Lichtbündel
verengt sich also, um dann wieder ausein­
ander zu laufen.
V 3
Merksatz
Linsen erzeugen helle und scharfe Bilder. Jedem Gegenstands­
punkt wird durch die Linse ein Bildpunkt zugeordnet.
n
4. Abstand von Linse zum Schirm muss passen
B 3
Entstehung eines Linsenbildes
Wir haben beim Linsenbild den Schirm an genau die Stelle
geschoben, an der die Linse die Lichtbündel jeweils in einem
Punkt sammelt. Schieben wir in ‹ V 4 den Schirm etwas wei­
ter von der Linse weg, oder etwas näher an die Linse heran,
so wird das Bild unscharf: Ist der Schirmabstand zu groß, so
trifft das wieder auseinander laufende Lichtbündel als Fleck
auf den Schirm. Steht der Schirm zu nah an der Linse, so trifft
das noch nicht vollständig gebündelte Licht als Lichtfleck auf
den Schirm.
Die meisten modernen Fotoapparate übernehmen diese
Scharfstellung automatisch, bevor das Bild aufgenommen
wird. Dazu wird mit einem eingebauten Motor der Linsen­
abstand vom Film bzw. Speicherchip verändert. Bei älteren
Modellen muss man die Scharfstellung mit der Hand er­le­digen.
Im Auge entstehen auch Bilder. Lochkamerabilder sind ent­
weder dunkel oder unscharf. Linsenbilder dagegen sind scharf
und hell. Allerdings muss der Abstand zwischen Linse und
Auffangschirm genau passen. Wie die Natur diese Probleme
gelöst hat, werden wir später sehen.
Wir verschieben den Schirm aus der
richtigen Position. Bei a) zu großem bzw.
b) bei zu kleinem Abstand zwischen Linse
und Schirm entstehen Lichtflecke.
V 4
Linsen erzeugen Bilder Sehen und Wahrnehmen
13
5. Bildpunkt gesucht
Wie wir bereits für eine punktförmige Lichtquelle festgestellt
haben, kann eine Linse das von ihr ausgehende Lichtbündel in einem Punkt sammeln. Linsen dieser Art nennt man
Sammellinsen. Wo liegt eigentlich dieser Sammelpunkt?
In ‹ V 1 vergrößern wir den Abstand unserer punktförmige Lichtquelle P und einer Sammellinse und sehen, dass P’
wandert:
–Je weiter wir die Lichtquelle von der Linse entfernen, desto
näher rückt P’ auf der anderen Seite an die Linse.
–Dieses Näherrücken hat eine Grenze: Selbst bei großer Ent­
fernung der Lichtquelle von der Linse rückt P’ nicht näher
als 5 cm an die Linse heran.
Wir vergrößern den Abstand zwischen
einer punktförmigen Lichtquelle und einer
Sammellinse.
V 1
In Gedanken rücken wir die Lichtquelle immer weiter weg.
Die Randstrahlen vor der Linse verlaufen dann nahezu paral­
lel. In diesem Fall liegt P’ genau 5 cm hinter der Linse.
Die Sonne ist eine extrem weit entfernte Lichtquelle. Wir las­
sen in ‹ V 2 das Sonnenlicht durch die Linse auf ein Blatt
Papier fallen. Im Abstand 5 cm hinter der Linse erscheint auf
dem Papier das Linsenbild der Sonne. Nach einigen Sekun­
den beginnt das Papier zu verbrennen. Aus diesem Grund
nennt man eine Sammellinse auch Brennglas, die Entfernung
des Sammelpunkts von der Linse heißt Brennweite.
Die kürzeste Entfernung des Sammelpunkts P’ von der Linse
nennt man Brennweite f der Linse. Unsere benutzte Linse
hat also die Brennweite f = 5 cm.
Mit einer Sammellinse bündeln wir das
Sonnenlicht. Ein Blatt Papier im Abstand
der Brennweite wird im Sammelpunkt P’ so
heiß, dass es sich entzündet.
V 2
In ‹ V 3 verkleinern wir den Abstand zwischen Lichtquelle
und Linse. Wir stellen fest:
–Je näher die Lichtquelle an die Linse heranrückt, desto
weiter entfernt sich P’ von der Linse.
–Ist die Lichtquelle näher an der Linse als ihre Brennweite f,
so kann die Linse das Licht nicht mehr in einem Bildpunkt
sammeln.
–Hat die Lichtquelle genau die Entfernung f, so verlaufen
die Randstrahlen hinter der Linse exakt parallel. Auch
dann kann die Linse das Licht nicht in einem Punkt sam­
meln. Es entsteht ein paralleles Lichtbündel.
Wir stellen in allen Fällen fest: Die Gerade PP’ verläuft jeweils
durch den Linsenmittelpunkt M. Der Strahl PM, Mittelpunktstrahl genannt, markiert die Richtung, in der P’ liegt.
Merksatz
Wir rücken die Lichtquelle näher an
die Linse heran.
V 3
14
Sehen und Wahrnehmen Linsen erzeugen Bilder
Eine Sammellinse kann das Licht einer punktförmigen Licht­
quelle in einem Bildpunkt sammeln, wenn die Lichtquelle
weiter als die Brennweite der Linse von der Linse entfernt ist.
Der Sammelpunkt liegt auf dem Mittelpunktsstrahl.
n
Das Auge und seine Hilfen
6. Die Wölbung bestimmt die Brennweite
Wie bei der Lochkamera liegt der Bildpunkt auch bei der Lin­
senabbildung auf dem Mittelpunktsstrahl. Bei der Lochkame­
ra spielt die Entfernung des Schirmes zur Lochblende keine
Rolle. Die Linse dagegen gibt hier eine Einschränkung vor.
In ‹ V 4 verwenden wir unterschiedliche Linsen und ein
achsenparalleles Lichtbündel. Das Lichtbündel wird stets auf
der optischen Achse in einem Punkt F gesammelt. F heißt
auch Brennpunkt der Linse. Die beiden ersten Linsen haben
eine gleich starke Wölbung aber unterschiedlichen Durch­
messer. Die untere Linse ist stärker gewölbt.
Der Versuch zeigt: Die Brennweite einer Linse hängt nicht
vom Durchmesser der Linse ab, wohl aber von der Stärke
ihrer Wölbung. Je stärker eine Linse gewölbt ist, desto kleiner
ist ihre Brennweite. Eine solche Linse kann das Licht also in
kürzerer Entfernung hinter der Linse bündeln.
Wir schicken ein achsenparalleles
Licht­bündel durch unterschiedliche Lin­
sen. Jeweils im Abstand der Brennweite f
wird es hinter der Linse gebündelt.
V 4
Merksatz
Stark gewölbte Linsen haben eine kürzere Brennweite als
schwach gewölbte.
n
Praktikum
Bildgröße bei der Linsenabbildung
Im folgenden Praktikumsversuch soll der Zusammen­
hang zwischen der Bildgröße und dem Abstand des
Gegenstands von der Linse untersucht werden. Der Ver­
suchsaufbau ist im folgenden Bild dargestellt:
Als Gegenstand wird ein von der Lampe beleuchteter
Buchstabe „F“ benutzt. Der Schirm ist immer so weit
zu verschieben, bis das Bild scharf ist. (Notiert die
­Fälle, falls ihr kein scharfes Bild erzielen könnt).
Begriffe: Den Abstand Linse – Schirm nennt man die
Bildweite, den Abstand Gegenstand – Linse Gegen­
stands­weite.
Arbeitsaufträge
1 Baut den Versuch wie abgebildet auf.
2 Bestätigt mit Linsen unterschiedlicher Brenn­
weite folgende Aussage: Wenn die Gegenstandsweite
doppelt so groß ist wie die Brennweite, dann ist die
Bildweite ebenfalls doppelt so groß wie die Brennweite.
Außerdem sind Bild und Gegenstand dann gleich groß.
3 Verwendet nun eine Linse mit f = 5 cm.
•Stellt nacheinander sechs Gegenstandsweiten
zwi­schen 3 cm und 30 cm ein.
•Messt jeweils die Bildgröße in Abhängigkeit von
der Gegenstandsweite. Tragt die Messwerte in eine
Tabelle ein.
•Erstellt ein Diagramm, das den Zusammenhang
zwischen Gegenstandsweite und Bildgröße
darstellt. (Gegenstandsweite auf der Rechtsachse,
Bildgröße auf der Hochachse).
•Formuliert eine Aussage der Form „je – desto“.
•Es entsteht nicht bei jeder Gegenstandweite ein
scharfes Bild. Nennt eine Zusatzbedingung.
4 Wiederholt die Versuchsreihe von 3 mit einer
Linse anderer Brennweite. Wählt auch hier sechs sinn­
volle Gegenstandsweiten.
Linsen erzeugen Bilder Sehen und Wahrnehmen
15
Methode – Mathematik anwenden
Linsenbilder lassen sich konstruieren
Wir wissen bereits, dass der Ort des Sammelpunkts P’
auf dem Mittelpunktsstrahl PM liegt. Seine Position
hängt also von der Lage von P ab. Außerdem spielt auch
die Größe der Brennweite der Linse eine entscheidende
Rolle. Wir werden im Folgenden lernen, wie man P’
konstruieren kann.
Wir betrachten wieder das Lichtbündel, das von einer
punktförmigen Lichtquelle P ausgeht. Die Linse sam­
melt es in seinem Bildpunkt P’. Wir schieben Hinder­
nisse vor die Linse und engen so das Lichtbündel ein.
Dabei beobachten wir, dass sich die Lage des Bild­
punktes P’ nicht verändert:
1.Zeichne den Brennpunkt F der Linse ein.
2.Zeichne von der Spitze des Gegenstandes einen
Strahl parallel bis zur Mittelebene der Linse. Zeich­
ne diesen Strahl von der Mittelebene der Linse aus
durch den Brennpunkt F weiter.
3.Zeichne den Mittelpunktstrahl von der Spitze des
Gegenstandes aus durch die Linse hindurch. Der
Schnittpunkt der beiden Strahlen hinter der Linse
ergibt den Bildpunkt der Pfeilspitze.
In der Abbildung haben wir die Hindernisse so gewählt,
dass der obere Randstrahl vor der Linse parallel zur
optischen Achse verläuft. Die Linse verändert seine
Richtung. Hinter der Linse verläuft er durch den Brenn­
punkt F der Linse. (Diesen haben wir zuvor auf der
optischen Achse markiert.)
Die Linse macht aus dem zur optischen Achse paral­
lelen Randstrahl einen Strahl durch den Brennpunkt.
Außerdem verläuft er genau wie der Mittelpunktsstrahl
durch P’. P’ ist also der Schnittpunkt dieser beiden
Strahlen. Folgende Überlegungen begründen dann ein
Verfahren zur Konstruktion von P’:
1.Wir wissen, dass P’ auf dem Mittelpunktsstrahl
liegt.
2.Wir denken uns das Lichtbündel so eingeengt, dass
es vor der Linse einen zur optischen Achse paral­
lelen Randstrahl hat. Wir wissen, dass dieser hinter
der Linse durch den Brennpunkt verläuft. Der
Schnittpunkt dieses Strahls mit dem Mittelpunkts­
strahl ist dann P’.
Damit haben wir auch ein Konstruktionsverfahren für
das Bild eines Gegenstandes (z. B. eines Pfeils):
16
Sehen und Wahrnehmen Linsen erzeugen Bilder
Wiederholt man die Konstruktion für jeden einzelnen
Punkt des Gegenstandes, so erhält man sein Bild. (Bei
dem gezeigten Beispiel reicht es, den Bildpunkt der
Spitze des Pfeils zu konstruieren.)
Weil die Lage des Bildpunktes nicht vom Durchmesser
der Linse abhängt, reicht es, statt der Linse ihre Mittel­
ebene zu zeichnen:
Das Auge und seine Hilfen
V 1
Wir rücken den Gegenstand näher an die Linse heran. Durch Konstruktion finden wir das Bild ‹ Methode .
7. Eigenschaften der Linsenbilder
Durch Experimente oder durch Konstruktion ‹ V 1 finden
wir die folgenden Eigenschaften von Linsenbildern:
–Linsenbilder sind höhen- und seitenverkehrt.
–Die Linse kann nur dann Bilder erzeugen, wenn der Ge­
genstand weiter als die Brennweite von der Linse entfernt
ist.
–Befindet sich der Gegenstand in doppelter Brennweite 2 · f
vor der Linse, so entsteht das scharfe Bild in gleicher Ent­
fernung hinter der Linse. Auch sind dann Gegenstand und
Bild gleich groß.
–Je weiter sich der Gegenstand von der Linse entfernt, desto
kleiner werden die Linsenbilder und desto näher rückt das
Bild an die Linse heran.
Kompetenz – Experimente führen zu Erkenntnissen
Ausgehend von Experimenten mit punktförmigen Lichtquellen
konnten wir die Bildentstehung, sowie Eigenschaften und Un­
terschiede der Lochkamerabilder und Linsenbilder verstehen.
Durch Veränderung der Abstände vom Gegenstand zur Loch­
blende bzw. Linse gelangten wir zu Aussagen über die Bild­
größe.
Weitere Erkenntnisse fanden wir durch Veränderung der Loch­
blende oder durch die Verwendung unterschiedlicher Linsen.
B 1
Zeichnung zu ‹ A 6 Mach‘s selbst
Lochkamerabilder sind dunkel und
immer etwas unscharf. Linsenbilder dage­
gen sind hell und scharf. Erkläre noch ein­
mal mit eigenen Worten, warum das so ist.
A 2 In einer neuen Mappe findest du eine
Linse (Lupe) aus Kunststoff. Du willst ihre
Brennweite bestimmen. Beschreibe, wie du
vorgehst.
A3 „Es ist für Pflanzen besser,
sie abends zu gießen als mit­
tags bei vollem Sonnenschein.“
So steht es in einer Gartenzeit­
schrift. Suche physikalische
Gründe für ­diese Anweisung.
A4 Digitalkameras sind sehr dünn gebaut,
damit sie überall Platz finden. Möchte man
ein Foto machen, so fährt zu Beginn ein
Motor die Linse aus. Begründe dies.
A5 ‹ Methode Du möchtest mit einer Lin­
se der Brennweite 6 cm scharfe Bilder er­
zeugen. a) Das Bild soll so groß sein wie
der Gegenstand. Welchen Abstand zur Lin­
se haben Gegenstand und Schirm?
b) Du schiebst den Gegenstand näher an
die Linse heran. Erkläre, in welche Rich­
tung du den Schirm verschieben musst und
wie sich dabei die Bildgröße ändert.
A 6 ‹ Methode Übertrage zunächst die
Zeichnung aus ‹ B 1 in dein Heft.
a) Konstruiere jeweils die Bilder der Gegen­
stände. b) Miss jedes Mal die Gegenstands­
größe G, Bildgröße B und die Abstände
­Gegenstand – Linse (g) und Bild – Linse (b).
Berechne jeweils die Quotienten B/G und
b/g. Beschreibe einen erkennbaren Zusam­
menhang.
A 1
Linsen erzeugen Bilder Sehen und Wahrnehmen
17
Das Auge
Methode – Lernen an Stationen
Untersuchungen zum Auge
1. Sehtest
Wer eine Führerscheinprüfung ablegen möchte, muss
vorher einen Sehtest durchführen. Diesen wollen wir
jetzt in der Gruppe nachstellen. Kopiere den links abge­
bildeten Ring und schneide den äußeren Kreis aus. Ein
Mitschüler hält den ausgeschnittenen Kreis in 5 m Ent­
fernung vor dein Auge. Einer der acht Striche soll dabei
nach oben zeigen. Du musst nun erkennen, in welche
Richtung die Öffnung des Rings zeigt: Im Uhrzeigersinn
entweder nach oben, rechts oben, rechts, rechts unten,
unten, links unten, links oder links oben.
Wiederholt den Versuch für jedes Auge jeweils für drei
mögliche Positionen. Hast du es jedes Mal geschafft, die
Richtung der Öffnung zu erkennen, so reicht deine Seh­
schärfe auch ohne Brille für den Test aus.
2. Blickfeld
Zeichne ein Kreuz in Augenhöhe an die Tafel. Stelle dich
in 30 cm vor dieses Kreuz und fixiere es mit einem Auge.
Ein anderer Schüler bewegt währenddessen einen Blei­
stift von oben außerhalb des Blickfeldes langsam auf das
Kreuz zu. Wenn du den Bleistift zum ersten Mal siehst,
sagst du: „Stopp“. Der Abstand d von diesem Punkt zum
Kreuz wird gemessen. Aus der folgenden Tabelle kannst
du den Winkel α für das Blickfeld nach oben ablesen:
Das Auge kann nur dann einen Gegenstand erkennen,
wenn Licht von diesem durch die Pupille ins Auge
trifft. Licht breitet sich geradlinig aus. Es gibt also einen
begrenzten Bereich, aus dem Licht ins Auge treffen
kann. Wir wollen diesen Bereich durch einen kleinen
Versuch bestimmen.
d in cm
21
22,5 23,5 25
27
30
32
34,5
α in °
35°
37°
42°
45°
47°
49°
38°
40°
Tatsächlich ist das Blickfeld des Menschen viel größer.
Über Muskeln kann er die Augen drehen. Außerdem
lässt sich der Kopf bewegen.
3. Blinder Fleck
Im Auge werden Linsenbilder erzeugt, die auf der Netz­
haut entstehen. Dort leiten Nervenzellen die Bildinfor­
mation ans Gehirn weiter. An einer Stelle der Netzhaut
befinden sich jedoch keine Nervenzellen. Bildpunkte,
die sich an diesem Fleck befinden, werden vom Gehirn
nicht wahrgenommen.
Folgender Versuch bestätigt die Existenz dieses „Blinden
Flecks“:
Halte das linke Auge zu und betrachte mit dem rechten
Auge den Kreis. Du erkennst gleichzeitig auch das Kreuz.
Nähere nun langsam das Buch dem rechten Auge und
fixiere dabei nur den Kreis. In einem ganz bestimmten
Abstand ist das Kreuz nicht zu sehen. Protokolliere die­
sen Wert. Schätze die Position des blinden Flecks im
Auge durch eine geeignete Zeichnung ab.
Wiederhole den Versuch entsprechend mit dem anderen
Auge.
18
Sehen und Wahrnehmen Das Auge
Das Auge und seine Hilfen
4. Nahpunkt und deutliche Sehweite
Das Auge kann Gegenstände, die zu nah am Auge sind,
nicht scharf abbilden.
5. Wirkung einer Brille
Im Auge entsteht auf der Netzhaut ein Linsenbild. Baut
ein „Modellauge“ mit Linse (f = 50 mm) und Schirm
nach. Eine Kerze oder eine Glühlampe dient als Gegen­
stand.
Im folgenden Versuch sollt ihr jeweils für beide Augen
den Punkt ermitteln, an dem das Bild unscharf wird
(Nahpunkt).
Nähert euer Auge so lange dem Buch, bis ihr die Worte
„Das Auge“ der Überschrift gerade noch scharf erkennen
könnt. Notiert den Abstand Auge – Buch als Nahpunkt
für das untersuchte Auge.
Das Auge muss sich im Nahpunkt für die Scharfstellung
anstrengen. Entfernt den Kopf wieder solange vom Buch
bis ihr den Text ohne Anstrengung lesen könnt. Notiert
für jedes Auge die so ermittelte „deutliche Sehweite“.
Stellt den Gegenstand etwa 15 cm vor die Linse und ver­
schiebt den Schirm bis ihr ein scharfes Linsenbild er­
haltet. Stellt nun zwischen Linse und Gegenstand eine
„Brille“, d. h. eine zusätzliche, zweite Linse. Verwendet
dazu jeweils eine Linse mit den Brennweiten
a) f = + 100 mm,
b) f = − 100 mm.
Notiert für a) und für b), wie ihr den Schirm verschieben
müsst, um nach Aufstellen der zweiten Linse ein scharfes
Bild zu erhalten.
6. Wirkung einer Blende
Vielleicht habt ihr schon einmal beobachtet, dass ältere
Menschen beim Lesen sich besonders anstrengen und
die Augen leicht zukneifen. Sie versuchen damit die
Pupillenöffnung zu verkleinern. Wir wollen dieses Ver­
halten im Experiment nachstellen.
Stoßt dazu mit einer Kugelschreibermine ein Loch in ein
(schwarzes) Papier. Nähert das Buch dem Auge so stark
bis die Schrift unscharf erschient. Betrachtet nun die
Schrift bei gleichem Abstand durch das Loch. Notiert
eure Beobachtung und versucht sie zu deuten. (Hinweis:
Überlegungen zur Lochkamera helfen dabei).
7. Nachbilder
Beim längeren Betrachten eines hellen
Gegenstandes ermüden unsere Sehzel­
len. Sie nehmen dann für einen kurzen
Moment Licht nicht mehr so intensiv
wahr. Umgekehrt sind diese Zellen
nach längerer Zeit schwacher Beleuch­
tung relativ empfindlich. Beide Effekte
führen zu Nachbildern:
Fixiere zunächst den linken Punkt in
der Grafik für etwa 30 Sekunden und
anschließend sofort den rechten Punkt.
Notiere nach kurzem Warten deinen
subjektiven Eindruck. Versuche die Er­
scheinung zu deuten.
Das Auge Sehen und Wahrnehmen
19
B 1
Schnitt durch das menschliche Auge
Anstoß
1. Unter der „Augenfarbe“ eines Menschen
versteht man die Farbe der Iris. Notiere die
Augenfarbe deiner Familienmitglieder und
deiner Freunde.
2. Von außen betrachtet sieht man vom Auge:
Augenbraue, Augenlid (mit Wimpern), Le­
derhaut, Iris und Pupille. Informiere dich
über den biologischen Sinn dieser Bestand­
teile.
3. Das Auge wird oft als das wichtigste Sinnes­
organ des Menschen bezeichnet. Nimm zu
dieser Aussage Stellung.
n
Betrachte die Pupille eines Mitschü­
lers. Sie ist zunächst nur wenig geöffnet.
Bitte nun deinen Mitschüler ein Auge mit
der hohlen Hand etwa eine Minute lang zu­
zuhalten. Nachdem er die Hand entfernt
hat, betrachtest du wieder seine Pupille - sie
ist jetzt weit geöffnet. Über einen Muskel
wurde die Pupillenöffnung gesteuert. Das
Gehirn versucht so, mehr Licht auf die
Netzhaut zu lassen, damit die Netzhaut­
bilder möglichst hell werden.
V 1
20
Sehen und Wahrnehmen Das Auge
B 2
Bildentstehung im Auge
1. Die Optik des menschlichen Auges
Du kennst den Aufbau des menschlichen Auges vielleicht
schon aus dem Biologieunterricht. ‹ B 1 zeigt die wichtigs­
ten Bestandteile in vereinfachter Form. Das Auge des Men­
schen ist nicht so aufgebaut wie die einfachere Lochkamera,
sondern verwendet Linsenbilder. Unser Auge ähnelt aus phy­
sikalischer Sicht eher einem Fotoapparat.
Das Licht durchdringt beim Eintritt ins Auge die Hornhaut,
die Augenflüssigkeit, die Linse und den Glaskörper. Diese
vier einzelnen, durchsichtigen Bestandteile wirken zusam­
men wie eine einzige Linse. Diese bündelt Licht eines weit
entfernten Gegenstandes im Abstand von etwa 23 mm hinter
der Hornhaut, wo sich die Netzhaut befindet. Auf ihr entsteht
das optische Bild des Gegenstandes ‹ B 2 .
Die Netzhaut besteht aus einer Vielzahl lichtempfindlicher
Elemente. Sie empfangen das Licht und leiten die Informa­
tion über viele Verästelungen zum Sehnerv, der sie zum Ge­
hirn weiterleitet.
Je nachdem, ob wir bei Sonnenschein oder in der Dämme­
rung unsere Umwelt betrachten, gelangt viel oder wenig Licht
ins Auge. Die Bilder sind also unterschiedlich hell. Diese ver­
schiedenen Helligkeiten kann das Auge mithilfe der Pupillen­
öffnung etwas ausgleichen ‹ V 1 .
Die Pupille ist eine kreisförmige Öffnung, gebildet von einer
farbigen Haut, der Iris. Mit einem Muskel kann die Pupille
verkleinert werden. Das Gehirn steuert mit ihr also die Licht­
menge, die pro Sekunde auf die Netzhaut fällt.
Bei Kameras ist dies ähnlich: Vor die Linse ist hier eine Loch­
blende eingebaut, dessen Durchmesser verändert werden
kann.
Merksatz
Im menschlichen Auge werden Linsenbilder auf der Netzhaut
erzeugt. Über die Iris steuert das Gehirn die Lichtmenge, die
pro Sekunde ins Auge fällt.
n
Das Auge und seine Hilfen
2. Das Scharfstellen beim Auge
zeigt: Das Auge kann nahe und ferne Gegenstände
nicht gleichzeitig scharf erkennen. Das wissen wir eigentlich
schon von der Linsenabbildung. In Versuchen hatten wir fest­
gestellt: Rückt ein Gegenstand näher an die Linse, müssen
wir den Schirm weiter wegschieben, um scharfe Bilder zu
erhalten. Das Auge kann dies nicht tun, weil die Netzhaut
fest im Augapfel sitzt und damit der Abstand zwischen Horn­
haut und Netzhaut unveränderbar ist.
‹ V 2
Das Auge muss das Scharfstellen also auf anderem Wege er­
reichen. Wir wissen bereits, dass der Abstand des Bildes von
der Linse auch von der Brennweite der Linse abhängt. In ‹ V 3 wechseln wir die Linsen aus. Steht der Gegenstand in
großer Entfernung, so erzeugt eine Linse mit großer Brenn­
weite ein scharfes Bild auf dem Schirm. Bei gleichem
Schirmabstand gelingt dies der Linse bei einem nahen Gegen­
stand nicht. Eine Linse mit kleinerer Brennweite kann dies
allerdings leisten.
Schließe ein Auge. Halte einen Dau­
men mit angewinkeltem Arm etwa 30 cm
vor dein anderes, geöffnetes Auge.
a) Betrachte deinen Daumen. Du siehst den
Hintergrund unscharf. b) Betrachte nun
den Hintergrund. Dabei stellst du fest, dass
nun der Daumen unscharf erscheint.
V 2
In unserem Auge wird beim Scharfstellen aber nicht wirklich
die Linse ausgetauscht. Wie hat die Natur dieses Problem
bewältigt?
Eine Linse mit veränderlicher Brennweite ist die geniale Lö­
sung. Dazu muss die Augenlinse aus einem elastischen Stoff
bestehen. Diese elastische Linse will sich stets von selbst wie
ein Gummiband zusammenziehen. Dem wirken die Aufhän­
gebänder entgegen, die sie flach ziehen, gesteuert von einem
Ziliarmuskel. Ist dieser Muskel entspannt, so ziehen die Auf­
hängebänder die Augenlinse flach ‹ B 3a . Sie ist wenig ge­
wölbt, hat also eine große Brennweite. Das Auge kann weit
entfernte Gegenstände scharf sehen.
Ist der Ziliarmuskel dagegen angespannt, so sind die Aufhän­
gebänder gelockert, die Linse wölbt sich, die Brennweite ist
klein ‹ B 3b . Das Auge kann nahe Gegenstände scharf sehen.
Dieser Anpassungsvorgang heißt Akkommodation. Er läuft,
vom Gehirn gesteuert, aber unbewusst ab.
Das Auge kann nicht in jede beliebige Nähe scharf stellen. Bei
einem Abstand zum Gegenstand von ca. 10 cm, dem so ge­
nannten Nahpunkt, ist die Grenze erreicht. So nahe Gegen­
stände zu betrachten ist sehr anstrengend, man ermüdet da­
bei rasch. Ohne merkliche Anstrengung kann man Gegen­
stände ab einer Entfernung von etwa 25 cm betrachten.
a) Eine Linse der Brennweite 15 cm
und ein Schirm ersetzen unser Auge. Eine
Kerze wird in großer Entfernung (etwa
4 m) vor das „Modellauge“ gestellt. Auf
dem Schirm entsteht ein scharfes Bild der
Flamme. „Unser Modellauge blickt ent­
spannt in die Ferne.“ b) Wir schieben nun
die Kerze bis auf 30 cm an die Linse heran,
das Bild wird unscharf. Ersetzen wir die
Linse durch eine andere mit der Brennweite
10 cm, so erhalten wir wieder ein scharfes
Bild, ohne den Schirm zu verschieben.
V 3
Merksatz
Die Augenlinse ist elastisch und kann ihre Brennweite mit­
hilfe von Muskeln verändern und damit das Bild auf der
Netzhaut scharf stellen. Das Auge kann Gegenstände ab einer
Entfernung von 25 cm ohne Anspannung scharf betrachten.
B 3 a) Der Ziliarmuskel ist entspannt.
b) Der Ziliarmuskel zieht sich zusammen.
Das Auge Sehen und Wahrnehmen
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