Projekt_Ich sehe was was so nicht ist

Datenblatt (dient als Titelblatt für die Projektarbeit)
Seite 1/2
JUFOTech
Jugend forscht in der Technik
WKO.at/tirol/jufotech
DATENBLATT
Wir nehmen am Wettbewerb „Jugend forscht in der Technik – Auf den Spuren des kleinen Albert“ teil!
Titel der Projektarbeit:
Ich sehe was, was so nicht ist...
Fachgebiet:
Physik
Projektbetreuer:
Schulklasse:
Mag. Schranz Marion,Kevin Auzinger
AP Physik
Name:
Schule:
Gabelsbergerstraße 1
NMS Gabelsberger
Straße:
6020 Innsbruck
12 Schüler ( davon 1 Integrationskind)
PLZ/Ort:
Schulstufe:
[email protected]
7./8.
E-Mail:
PLZ/Ort:
06503522736
6020 Innsbruck
Telefon:
Kleingruppe:
Weitere
Projektleiter (Vor-/Nachname)
(Vor-/Nachname)
Straße
(Vor-/Nachname)
PLZ/Ort
(Vor-/Nachname)
E-Mail
(Vor-/Nachname)
Telefon
(Vor-/Nachname)
Schule, Schulstufe
(Vor-/Nachname)
Gruppenmitglieder:
Desiree Stofner und Marlene Hopfgartner | T 05 90 90 5 – DW 1231 und DW 1264 | M [email protected] u. [email protected]
Datenblatt (dient als Titelblatt für die Projektarbeit)
Seite 2/2
WKO.at/tirol/jufotech
Kurzfassung unserer Arbeit:
" Ich sehe was, was so nicht ist...."
Im Wahlpflichtfach Physik haben sich 12 Schüler unserer Schule ( davon 1 Integrationskind) mit dem
Thema " Sehen" beschäftigt. Sehr schnell war dabei das Interesse an "optischen Täuschungen" und
anderen "ungewöhnlichen Phänomenen" geweckt.
Wir wollten der Sache auf den Grund gehen und haben uns mit folgenden Fragen beschäftigt:
1. Wo und wann werden wir getäuscht?
2. Warum lassen wir uns täuschen?
3. Können wir selber solche Täuschungen anfertigen?
Wir haben uns im Internet, in Büchern, in einer Ausstellung, bei einer Augenärztin und einem Optiker
informiert. Wir haben Illusionen nachgebaut und nach Erklärungen gesucht.
Mit dem Handy haben wir versucht unser Gehirn und unsere Augen auszutricksen ( eine Kamera
kann schließlich nicht denken!!)
Es war faszinierend zu sehen, dass viele Dinge um uns herum nicht so sind, wie wir sie sehen
Lasst euch überraschen......
Eine Aktion der Kooperationspartner:
Wirtschaftskammer Tirol, Förderverein Technik Tirol
Desiree Stofner und Marlene Hopfgartner | T 05 90 90 5 – DW 1231 und DW 1264 | M [email protected] u. [email protected]
„Ich sehe was, was so nicht ist..“
Inhaltsverzeichnis
Nr.
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Inhalt
Wie alles begann…
Zeichnen einer optischen Täuschung
Zu Besuch beim Optiker
Aus zwei mach drei!
Die Augenärztin
Illusionen
Seite
1
2,3
4
5,6
7,8
9
7)
8)
Ausstellung „Optische Illussionen“
Zusammenfassung
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10
1) Wie alles begann…
Mit knapp einer Milliarde Kilometer pro Stunde rast das kleine Teilchen namens Photon von
der Sonne in Richtung Erde. Ein Großteil des Lichtes geht an das umliegende Universum
verloren, doch ein kleiner Teil schafft es tatsächlich nach einem bis zu 170.000 Jahre langen
Kampf im Sonneninneren endlich die Erdoberfläche zu erreichen. Sobald es die Korona der
Sonne verlassen hat, kennt das kleine tapfere Teilchen kein Halten mehr,
Geschwindigkeitsbegrenzungen sind im ein Fremdwort, es hofft einfach dass sich nichts in
seinen Weg in Richtung Erde wirf. Es rast vorbei an Merkur und Venus - nur noch knapp 40
Millionen Kilometer bis zur Erde. Nach knapp acht Minuten hat es fast sein Ziel erreicht,
vorbei am Mond - nur noch weniger als eine Sekunde und es sticht in die Erdatmosphäre ein;
durch die Exosphäre, Thermosphäre, Mesosphäre und die Stratosphäre bis es die
Wolkendecke an der Troposphäre durchbricht. „Gleich ist es soweit“ denkt sich das kleine
Teilchen, „dann habe ich meine Aufgabe erfüllt“. Es rast am Nullmeridian entlang bis es
schließlich bei 30° nördliche Breite von der Erdoberfläche reflektiert und in das Auge eines
Touristen in der Sahara geschleudert wird und bei diesem den Sinneseindruck einer
optischen Täuschung auslöst. Und dieser fragt sich, „wie entsteht denn eigentlich so eine
Fata Morgana?“.
Diesen und mehreren Fragen sind wir im Rahmen der Projektarbeit „Ich sehe was, was so
nicht ist..“ auf den Grund gegangen.
Wer nun meint, dass von optischen Täuschungen nur Wissenschaftler, oder dehydrierte
Touristen in der Wüste betroffen sind, der täuscht sich gewaltig. Optische Täuschungen sind
ein wesentlicher Bestandteil unserer modernen Welt. Ob es die Tiefenwirkung beim
Fernsehen, das Zeichnen von 3D Objekten auf einem Blatt Papier oder der Kippeffekt des
Silberstreifens auf dem Geldschein ist, ständig werden wir von unseren Augen getäuscht.
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2) Zeichnen einer optischen Täuschung
Von der Fülle an optischen Täuschungen im Internet waren wir schlichtweg überwältigt. Das
Internet geht mit derartigen Bildern fast schon über. Es hat wahnsinnig Spaß gemacht, sich
von seinem eigenen Gehirn täuschen zu lassen. Gerade letztes Jahr ging das Foto eines
Kleides im Internet die Runde, das einige Menschen als schwarz mit blauen Streifen und
andere als Gold mit weißen Streifen warnahmen. Um diesen Internethype abzukürzen: Es
stellte sich heraus, dass dieses Bild sowohl schwarz-blau als auch gold-weiß war. Beide
Varianten sind richtig. Lediglich die Beschaffenheit der Augen der unterschiedlichen
Betrachter war ausschlaggebend dafür, wie die Farben des Kleides interpretiert wurden.
Manche Menschen sind eben Nacht- andere hingegen Tagseher. Nach einer großen Auswahl
an Bildmaterialien konnten wir uns Schlussendlich auf die folgenden fünf Täuschungen
einigen, welche wir untersuchen wollten.
Nr.
1
Optische Täuschung
Erklärung
2
HeringTäuschung
Die
Seiten
des Quadrats
schneiden
die
Kreislinien.
Dadurch schätzt unser Gehirn die
Winkel falsch ein. Dadurch
erscheinen die geraden Linien
verbogen.
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PonzoTäuschung
Diese Täuschung ist eine Frage
der Perspektive. Was weiter
entfernt liegt muss kleiner sein.
Es erscheint aber größer, also
muss der hintere Balken länger
sein.
4
JastrowTäuschung
5
Rubinische Vase
Die grüne Figur liegt mit ihrer
kürzeren Seite an der längeren
Seite der roten Figur an. Unser
Gehirn lässt sich durch den
Größenvergleich der
angrenzenden Linien täuschen.
Penrose Treppe
Alle Stufen liegen auf derselben
Höhe. Aber weil unser Gehirn die
Zeichnung
dreidimensional
wahrnimmt, führt diese Treppe
sowohl hinunter als auch hinauf, je
nachdem von welcher Seite man
hinsieht.
Diese optische Täuschung ist ein
„Kippbild“. Unser Gehirn wechselt
zwischen Figur und Hintergrund und
bevorzugt z.B. die helle Fläche und
schiebt sie in den Vordergrund.
Dadurch werden die Gesichter
unwichtig.
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Bild
Am Schwierigsten gestaltete sich die Penrose Treppe (unmögliche Treppe), die auf den
britischen Mathematiker Lionel Penrose und dessen Sohn zurückgeht. Weitere derartige
bekannte unmögliche Figuren sind das Penrose-Dreieck, der unmögliche Würfel sowie die
Teufelsgabel.
Das Zeichnen der Penrose Treppe gestaltete sich als am Schwierigsten. Das Problem war,
dass die verschiedenen Vierecke, welche die Treppen bildeten, nicht einfach nur Rauten
waren, es waren alles allgemeine Vierecke mit je vier unterschiedlichen Winkeln. Da kann
man sich gut vorstellen, wie wir beim „Konstruieren“ ins Schwitzen kamen.
Dennoch ist es uns gelungen, worauf wir sehr stolz sind. Generell sind wir mit der gesamten
Auswahl unserer optischen Täuschungen sowie unseren selbst gemalten Bildern sehr
zufrieden.
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3) Zu Besuch beim Optiker
Unser Wissenshunger war nun geweckt, und
wir wollten unbedingt mehr über unser Auge
lernen. Dazu besuchten wir einen Optiker in
Innsbruck,
der
uns
ausführlich
den
Optikerberuf und die Messgeräte erklärte. Wir
durften sogar selbst die Ränder von
Brillengläsern
schleifen.
Nun
war
Präzisionsarbeit angesagt. Ein falscher
Handgriff und das Glas wäre wertlos geworden !
Anschließend ging es weiter zur Tonometrie.
Mit dem sogenannten Tonometer wurde
unser Augeninnendruck gemessen. Das war
an sich schon lustig genug. Man musste sich
dazu vor das Messgerät setzen und durch ein
Fernglas dort hineinblicken. Plötzlich wurde
dem Betrachter Luft ins Auge geblasen.
Obwohl uns der Optiker erklärt hatte, wie die
Messung funktionieren und was passieren
wird, sind wir alle bei der ersten Messung erschrocken. Diese Messung ist sehr wichtig um
möglichen Augenkrankheiten zu entdecken. Zum Beispiel kann man dadurch feststellen, ob
man an grauem Star erkrankt ist.
Anschließend machten wir-ähnlich wie bei der Schulärztin- einen
Sehtest mit Buchstabentafeln. Manche hatten kein Problem die
Buchstaben zu lesen und einer unserer Mitschüler hatte sogar eine
Sehkraft von über 100%! Ein anderer hingegen braucht unbedingt
eine Brille, da er sehr verschwommen sieht. Unser Optiker hat uns
gezeigt, wie unser Mitschüler ohne Brille die Welt sieht. Dazu hat er
in eine Brille Linsen gesteckt, um das Bild unscharf zu machen. Wir
waren erschrocken, wie verschwommen uns die Umwelt plötzlich
erschien.
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4) Aus zwei mach drei
Wir waren gefesselt von diesem Projekt und beschäftigten uns sogar in unserer Freizeit
freiwillig mit optischen Täuschungen. Einer unserer Mitschüler fand dazu ein tolles Video auf
Youtube, das wir uns in der in der Schule ansahen.
Ein Youtuber bastelte aus alten CD-Hüllen einen 3D Projektor für Handybildschirme. Wir
konnten uns nicht vorstellen, dass das funktioniert. Daher haben wir es einfach nachgebaut.
Wir zerschnitten mit Teppichmessern wie im Video alte CD Hüllen in vier gleichschenklige
Trapeze mit den Maßen (a=1cm c=6cm h=3,5cm).
Das Zurechtschneiden gestaltete sich schwieriger als
gedacht; vermutlich hat der Youtuber dabei etwas
getrickst. Als wir nach einigem Ärger und vielen kaputten
CD-Hüllen die Trapeze endlich ausgeschnitten hatten,
klebten wir diese provisorisch mit Klebeband an den
Kanten zusammen. Nun sah es aus wie ein
Pyramidenstumpf.
Wir suchten mit dem Handy ein 3D Holographic Video auf
Youtube und stellten unseren Pyramidenstumpf verkehrt
in die Mitte des Handybildschirms. Es war faszinierend,
denn es funktionierte tatsächlich! Plötzlich bewunderten
wir in 3D fliegende Schmetterlinge, wachsende Blumen,
tanzende Menschen, schwimmende Quallen und noch
vieles mehr. Selbst nachdem die Unterrichtsstunde vorbei
war, konnten wir nicht aufhören, unser kleines
selbstgebasteltes Wunder zu betrachten.
Doch so viel Wunder steckte da nicht dahinter. Das
Wichtigste ist, dass das Bild an der CD-Hülle im 45° Winkel
reflektiert wird. Es ist nur eine Spiegelung und keine optische Täuschung. Leider hatte unser
Smartphone Hologrammprojektor auch nichts mit echter Holografie zu tun. Durch die
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Spiegelungen entlang des transparenten
freischwebenden -Darstellung erweckt.
Kunststoffs
wird
der
Eindruck
einer
Ein echtes Hologramm ist nämlich eine dreidimensionale Aufnahme eines Gegenstands. Im
Gegensatz zur Fotografie, die abgebildete Objekte nur zweidimensional darstellen kann,
verändert sich bei einem Hologramm das wahrgenommene Bild, wenn man den Blickwinkel
ändert, genauso wie beim realen Gegenstand.
Um ein Hologramm aufzunehmen, benötigt man einen Laser, der zu einem Teil ein Objekt
beleuchtet und zu einem anderen auf einen Film fällt. Das Hologramm entsteht dadurch,
dass sich im Film die vom Objekt reflektierten Lichtwellen mit denen, die direkt vom Laser
ausgesandt wurden, überlagern. Bestrahlt man das Interferenzmuster, das dabei entsteht,
nach der chemischen Entwicklung des Films mit Licht, das die gleiche Wellenlänge wie bei
der Aufnahme hat, so ergibt sich ein dreidimensionales Bild des Gegenstands.
(entnommen KIT Schülerlabor)
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5) Die Augenärztin
Wir wollten
Sehen nun
können wir
Auge? Und
gleich?
nun immer genauer wissen, wie
wirklich funktioniert. Warum
sehen? Wie funktioniert unser
sehen wir wirklich alles immer
Dazu haben wir eine Augenärztin eingeladen,
die sich tatsächlich dazu bereit erklärte, uns sogar in der Schule zu besuchen. Sie hat uns
sehr viel über das Auge erzählt. Die folgenden drei Fragen waren für uns die wichtigsten. Der
vierten Frage, wie denn nun eine optische Täuschung funktioniert und was denn eigentlich
eine Fata Morgana ist, sind wir im nächsten Kapitel ausführlich nachgegangen.
Warum können wir sehen?
Sehen können wir nur dann wenn Licht von einer Oberfläche reflektiert oder emittiert wird.
Das heißt: „gibt’s kein Licht, gibt’s nichts zu sehen“. Licht wird in der Wissenschaft als Photon
bezeichnet. Damit ein Photon entsteht, benötigt man Energie wie beim Feuer, der Sonne
oder dem Fernseher.
Wie funktioniert unser Auge?
Das Auge ist ein sehr kompliziertes und
sensibles Organ. Es besteht aus sehr vielen
unterschiedlichen
Bestandteilen.
Die
wichtigsten sind die Iris, die Hornhaut, die
Pupille, die Linse und die Netzhaut. Die Iris
wird
auch
umgangssprachlich
als
Regenbogenhaut bezeichnet und ist dafür
verantwortlich welche Augenfarbe wir haben.
Nebenbei ist die Regenbogenhaut bei jedem
Menschen so unterschiedlich wie der
Fingerabdruck. Die Hornhaut schützt unser
Auge – wie auch die Wimpern - vor
Fremdkörpern, die nicht ins Auge gehören. Die
Pupille ist das schwarze
Loch, durch welches Licht
von draußen ins Auge fallen
kann. Die Linse bricht das
Licht, dh. die Lichtstrahlen werden im Auge umgelenkt und treffen
anschließend gebündelt auf die Netzhaut. Die Netzhaut besteht aus
Stäbchen und Zäpfchen. Die Stäbchen sind wichtig, damit wir zwischen
hell und dunkel unterscheiden können. Die Stäbchen ermöglichen uns das
Farbsehen. Doch das Skurrile ist, dass alles was wir sehen, verkehrt auf
unserer Netzhaut abgebildet wird. Es steht einfach alles am Kopf. Doch
unser Gehirn rechnet das Bild um und dreht es nochmals um 180°, damit wir wieder richtig
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herum sehen. Unser Gehirn kann sogar leichte Fehlsichtigkeiten umrechnen, damit wir
meinen, richtig zu sehen, doch davon bekommen wir auf Dauer Kopfweh, da es sehr viel
Speicherplatz unseres Gehirns in Anspruch nimmt.
Doch die Natur ist einfallsreich, wenn es um das Sehen geht. So existieren neben unseren
Augen noch die Facettenaugen bei Fliegen, Bienen und Co, sowie Lochaugen beim Nautilus.
Sehen wir wirklich immer alles gleich?
Bei der Beantwortung dieser Frage hat sich die Ärztin sehr viel Zeit gelassen, da es für uns
sehr schwer verständlich war. Licht ist eine Welle. Einmal ist sie hoch und einmal ist sie tief.
Das Verhältnis von Hoch zu Tief und die Entfernung der Wellen zueinander wird als Frequenz
bezeichnet. Das war richtig schwer zu verstehen, doch wir haben uns ehrlich bemüht!
Anschließend hat uns die Ärztin gesagt, dass wir ständig von Wellen umgeben sind, wir aber
nur einen kleinen Teil davon sehen können. Manche Wellen können wir gar nicht sehen,
andere hingegen können wir spüren und wiederum andere sind für uns gar nicht
wahrnehmbar. Zum Beispiel nutzen wir diese Wellen beim Radiohören oder in der
Mikrowelle. Andere Wellen hingegen sind für uns sehr gefährlich wie radioaktive Strahlung.
Wärmestrahlung hingegen können wir spüren, aber wir können sie nicht sehen. Eigentlich
hatten wir immer gedacht, wir könnten alles sehen, doch die Augenärztin hat uns aufgezeigt,
dass wir eigentlich gar nicht so toll sehen können wie wir dachten. Der größte Teil unserer
Welt ist für uns unsichtbar!
Doch was uns am Meisten fasziniert hat, ist die Farbwahrnehmung. Wir konnten zwar alle
Farben voneinander unterscheiden, die uns die Ärztin auf Tafeln zeigte, jedoch weiß keiner
von uns, ob wir all die Farben wirklich gleich sehen können. Wir können nie herausfinden, ob
jemand anders die Farbe Grün so sieht, wie ich es selbst tue oder wie es wer anders tut. Wir
können zwar Dinge aufzählen, die die Farbe Grün besitzen, wie Wiesen, Bäume, Sträucher,
oder Blumen, doch die Farbe selbst können wir nicht beschreiben.
Vielleicht sieht jemand das, was ich als grün sehe, so wie ich die Farbe Blau sehe und so
weiter. Farben sind also nicht für uns alle gleich. Wir leben alle in unserer eigenen Welt der
Wahrnehmung und das geniale dabei ist, jede dieser Wahrnehmungen ist richtig!
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6) Illusionen
Doch nun gehen wir zu einer Frage, die uns seit Beginn unserer Projektarbeit verfolgt. Wie
entsteht denn nun eine optische Täuschung? Bei der Beantwortung dieser Frage mussten wir
feststellen, dass nicht nur unser Auge für die Täuschungen verantwortlich ist. Unser Auge
zeigt uns lediglich was uns umgibt, jedoch interpretiert es die Sinneseindrücke nicht. Unser
Gehirn spielt uns einen Trick! Unser Gehirn sieht was es eben sehen will, es interpretiert die
eingefangenen Lichtstrahlen und verursacht optische Täuschungen. Diese Interpretationen
sind auf Erfahrungen unserer Alltagswelt zurückzuführen. Unser Gehirn lässt uns also das
sehen, was wir aufgrund unserer Alltagswelt als logisch erachten. Unser Gehirn geht sogar so
weit, dass es uns Dinge sehen lässt, die eigentlich nicht da sind. Beispiele dafür sind das
Kanizsa-Dreieck oder der Kanizsa-Würfel. Spannend sind auch Objekte, die in zwei
unterschiedlichen Zuständen wahrgenommen werden können wie der Necker-Würfel. Der
Würfel kann entweder von rechts oben oder von links unten betrachtet werden. Beide
Sichtweisen sind richtig, doch es können nicht beide gleichzeitig wahrgenommen werden.
Wie wir den Würfel zuerst sehen, beruht auf unsere Erfahrung. Obwohl es uns als unlogisch
erscheint, können wir mit optischen Täuschungen sogar Bewegungen an einem sich nicht
bewegendem Bild erkennen. Ein Beispiel dafür ist die „Rotating Snake“. Der Grund dafür,
dass sich die Schlangen scheinbar bewegen ist der, dass das Bild aus starken Kontrastfarben
wie blau und gelb und zusätzlich aus sich wiederholenden Mustern besteht. Dadurch kommt
es in unserem Gehirn zu einer Fehlinterpretation, was uns denken lässt, die Schlangen
würden sich bewegen.
In seltenen Fällen ist jedoch auch das Auge für die Täuschung verantwortlich. Zum Beispiel
wenn wir ein Objekt lange genug betrachten, entsteht auf unserer Netzhaut ein Negativbild,
das wir bei einem schnellen Richtungswechsel erkennen können.
Erstaunt waren wir, als wir bei unseren Recherchearbeiten herausfanden, dass eine Fata
Morgana keine optische Täuschung ist, sondern ein physikalisches Phänomen, bei dem Licht
an unterschiedlich warmen Luftschichten gebrochen und reflektiert wird. Eine Fata Morgana
ist also keine Einbildung. Die Gegenstände gibt es wirklich, nur oft in weiter Entfernung. Wir
haben uns gefragt, was eigentlich Brechung heißt und dazu den folgenden Versuch gestartet:
Wir haben gefärbtes Wasser und Öl in ein Becherglas
gegeben und von der Seite betrachtet: Tritt der
Lichtstrahl vom Öl ins Wasser, so wird er aufgrund der
verschiedenen Geschwindigkeiten des Strahls in den
verschiedenen Medien gebrochen. Daher konnten wir
einen Knick im Strohhalm wahrnehmen, der in
Wirklichkeit nicht bestand.
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7) Unser Besuch im Audioversum
Gerade als wir unsere Zusammenfassung für den Projektbericht schreiben wollten, wurde im
Audioversum in Innsbruck die neue Sonderausstellung „Optische Illusionen“ eröffnet. Also
haben wir noch 2
Projektstunden angehängt und uns zum Abschluss diese
Ausstellung angesehen. Vieles wussten wir schon, manches
war uns neu.
Achterbahnfahrt
Marilyn oder Albert ?
Gerade Linien?
Achterbahnfahrt
Ein
küssendes
Paar
Tiefenumkehr
8) Zusammenfassung
Wir haben während der Projektarbeit herausgefunden, dass dieses Kapitel wesentlich größer
und komplizierter ist als wir dachten. Jetzt können wir auf diese Arbeit zurück blicken und
können mit vollem Selbstvertrauen sagen, dass wir hart dafür gearbeitet haben und dabei
eine Menge gelernt haben und einige Male rauchende Köpfe hatten. Doch die
Anstrengungen waren es Wert. Und das Fazit aus dieser Arbeit ist „Lass dich von der Illusion
faszinieren, doch schau immer zweimal hin.“
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