Kommentar für Lehrkräfte

Kommentar für Lehrkräfte
zu Modul 4
Auge und Sehvermögen
Man sagt, das Auge sei das Fenster zur Seele. Forscher versuchen seit sehr langer Zeit, Einblicke in die
Funktion des Auges zu gewinnen! Es ist faszinierend, wie das menschliche Auge Gegenstände
verschiedener Formen, Größen und Farben, in der Nähe und Ferne, durch einen einfachen
Anpassungsmechanismus innerhalb von Sekundenbruchteilen wahrnehmen kann.
In diesem Modul vergleichen die Schüler Teile einer Kamera mit Teilen des menschlichen Auges und
lernen deren jeweilige Funktion kennen. Außerdem lernen sie etwas über „Akkommodation“, die
besondere Fähigkeit des Auges, einzelne Gegenstände zu fokussieren, indem es die Form der Linse
ändert..
Zusammenfassung: Die Schüler vergleichen Teile einer Kamera mit Teilen des Auges. Mit Hilfe zweier
Linsen lernen sie etwas über das Verfahren, mit dem das Auge fokussiert.
Das Modul besteht aus zwei Kapiteln:
 Arbeitsblatt „Einblicke ins Auge“
 Arbeitsblatt „Das Auge im Fokus“
Entwickelt für:
Dauer:
Mittelstufe (ca. 12 bis 14 Jahre)
Die Kapitel sind jeweils auf ungefähr 40 Minuten ausgelegt
Was die Schüler bereits wissen sollten:
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Wie Linsen Licht bündeln
Linsengleichung
Grundformen der Linse
Was die Schüler lernen:
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
Messung der Brennweite
Teile einer Fotokamera
Teile des menschlichen Auges
Funktionen der einzelnen Teile
Berechnung der maximalen und minimalen Fokussierungsabstände mit Hilfe der Linsengleichung
Akkommodation des Auges und wie diese funktioniert
Welche Fähigkeiten die Schüler erlernen:

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
Teamarbeit
Verbindung greifbarer Dinge (Kamera) mit abstrakten Vorstellungen (Linse im Auge)
Arbeit mit Linsen und Strahlendiagrammen
Dieses Modul umfasst:


2 Arbeitsblätter
1 Merkblatt
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Kapitel 1 | Einblicke ins Auge
Empfohlene Unterrichtsgliederung
Die Schüler vergleichen die Teile einer Kamera mit den Teilen des menschlichen Auges und erfahren etwas über
die Funktion der einzelnen Teile.
Dauer
Tätigkeit
Material
in Minuten
0 - 10
Allgemeine Besprechung des Themas „Was ist Sehen“
10 - 30
Gruppenarbeit: Lösung des „Puzzles“, Ermittlung der
richtigen Anordnung der Teile von Kamera und Auge und
Erklärung der Funktion der einzelnen Teile
30 - 40
Besprechung der Ergebnisse in der Klasse
Hausaufgabe
Keine
WS04.1
Beschreibung des empfohlenen Unterrichtsaufbaus
Fragen Sie die Schüler, was es ihrer Meinung nach bedeutet, etwas zu „sehen“. Die meisten Schüler wissen
vermutlich schon, dass wir ein Objekt sehen, wenn Licht von diesem Objekt ins Auge dringt. Leiten Sie sie zur
Erkenntnis, dass dies noch nicht ausreicht, damit wir sehen können. Zum Beispiel können wir einen Stuhl im
Dunkeln nicht sehen und wir können auch nicht direkt in die Sonne schauen. In beiden Fällen besteht das
Problem in der Lichtmenge. Das Licht muss „genau richtig“ sein, damit wir etwas sehen können. Die Teile einer
Kamera und die Teile unseres Auges dienen dazu, die Lichtmenge anzupassen und das Licht so weiter zu leiten,
dass ein Bild entsteht.
Arbeitsblatt „Einblicke ins Auge“
Teilen Sie die Schüler in Gruppen von 2 - 3 Schülern ein. Lassen Sie die Gruppen die Einleitung von Arbeitsblatt
WS4.1 durchlesen. Dann können die Gruppen gemeinsam das Puzzle lösen. Die meisten Schüler kennen wohl
bereits einige Teile einer Kamera und einige Teile des Auges. Bitten Sie die Schüler, innerhalb der Gruppe, alles
Wissen über eine Kamera und das Auge zu sammeln (z.B. die Blende öffnet und schließt sich, d. h. sie lässt Licht
eindringen oder blockiert das Licht). Lassen Sie die Schüler auch darüber nachdenken, welche Teile fest sind und
welche beweglich (das ist vermutlich für die Kamera einfacher zu beantworten als für das Auge, zu diesem
Punkt müssen Sie den Schülern vielleicht auf die Sprünge helfen).
Die Schüler sollen sich insbesondere überlegen, in welcher Reihenfolge das Licht durch die Teile des Auges und
der Kamera dringt und was mit dem Licht in den einzelnen Teilen passiert. Auf Seite 6 finden Sie zur Kontrolle
alle Teile in der korrekten Anordnung mit einer Erläuterung zu ihrer Funktion.
Gehen Sie von Gruppe zu Gruppe und helfen Sie den Schülern nach Bedarf, so dass jede Gruppe zum Schluss die
richtige Lösung vor sich hat.
Besprechung der Ergebnisse
Wenn alle Gruppen die Teile in die richtige Reihenfolge gebracht haben, bitten Sie die Schüler, die Teile in dieser
Anordnungin ihre Hefte zu kleben und darunter Platz für Notizen zu lassen. Lassen Sie die Schüler dann in
Gruppenarbeit die Funktion der einzelnen Teile diskutieren. Gehen Sie von Gruppe zu Gruppe, bis alle die
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richtigen Lösungen gefunden haben. Wenn es in einer Gruppe Streitfragen gibt, lassen Sie die Schüler für ihre
Lösung argumentieren und leiten Sie sie durch gezielte Fragen zur richtigen Lösung.
Fragen Sie die Schüler, ob Sie mit den folgenden Aussagen einverstanden sind
1. Das Auge ist ein „optisches Instrument“, welches das Licht von dem Gegenstand, den wir ansehen,
erfasst, daraus ein Bild ableitet und uns so das Sehen ermöglicht.
2. Eine Kamera und ein menschliches Auge sind in vielerlei Hinsicht sehr ähnlich.
Kamera und Auge: Unterschiede
Lassen Sie die Schüler Unterschiede zwischen einer Kamera und einem menschlichen Auge aufschreiben. Wenn
jede Gruppe ein paar Punkte gesammelt hat, schreiben Sie die einzelnen Punkte an die Tafel. Manche Schüler
sagen vielleicht, dass die Linsen unterschiedlich sind, dass die Kamera an einen Computer angeschlossen wird,
wohingegen das Auge Signale an das Gehirn sendet usw. Lassen Sie die Schüler dann gemeinsam am zweiten
Teil von Frage 2 im Arbeitsblatt WS4.1 arbeiten. Leiten Sie sie zur Erkenntnis, dass die Linse einer Kamera sich
vor und zurück bewegen kann, die Linse im Auge aber nicht.
Wenn die Linse unbeweglich ist und der Schirm (die Netzhaut) auch - wie erzeugt das Auge dann ein scharfes
Bild von verschiedenen Objekten in unterschiedlicher Entfernung und von unterschiedlicher Form und Größe?
Lassen Sie die Frage offen und erzählen Sie den Schülern, dass sie in der nächsten Stunde erfahren werden, wie
das Auge den Blick auf Objekte fokussiert.
Durch Frage 3 sollen die Schüler verstehen, dass das Auge zwar das „Instrument“ zur Erfassung von Licht und
zur Weiterleitung von Signalen ist, dass es jedoch das Gehirn ist, welches diese Signale zu einem sinnvollen Bild
verarbeitet und so unser Sehvermögen erzeugt. Das funktioniert so, wie ein Computer (entweder ein Prozessor
in der Kamera oder ein extern angeschlossenes Gerät) die übermittelten Daten in ein Foto umwandelt.
Hintergrundinformationen
Fotorezeptoren im Auge
In der Netzhaut des menschlichen Auges gibt es vier Arten von Fotorezeptoren:
Die Stäbchen dienen dazu, nachts oder bei sehr geringer Lichtstärke zu sehen. Das Auge hat ungefähr 120
Millionen Stäbchen und diese sind sehr lichtempfindlich, ermöglichen aber keine Farberkennung.
Zapfen dienen dem Farbensehen und wir haben ungefähr 6 - 7 Millionen Zapfen. Diese sind in drei Gruppen
unterteilt, basierend auf den Wellenlängen, für die sie empfindlich sind..
1. L-Zapfen sind besonders empfindlich für langwelliges Licht (Licht, das als Rot oder Rotton wahrgenommen
wird)
2. M-Zapfen sind besonders empfindlich für Licht mit mittellanger Wellenlänge (Licht, das als Grün oder
Grünton wahrgenommen wird)
3. S-Zapfen sind besonders empfindlich für kurzwelliges Licht, das für uns blau aussieht.
Menschen mit normaler Farberkennung verfügen über L-Zapfen, M-Zapfen und S-Zapfen. Menschen mit
Farbenfehlsichtigkeit (manchmal fälschlicherweise Farbenblindheit genannt) fehlen einer oder mehrere dieser
Rezeptoren.
Diese Rezeptoren im Auge sind lichtempfindliche Nervenzellen, die einen elektrischen Impuls auslösen, wenn in
der Netzhaut Licht auf sie fällt. Die Bilderzeugung auf der Netzhaut entsteht durch eine systematische
räumliche Erregung dieser Rezeptoren.
Vergleich zwischen Netzhaut und einem CCD-Sensor
Das Verfahren, mit dem die Netzhaut Bilder empfängt und die Daten an das Gehirn überträgt, ähnelt stark der
Funktionsweise eines CCD-Sensors einer Videokamera.
In einem CCD-Sensor sind die Bildpunkte lichtempfindlich. Jeder Bildpunkt ist im Wesentlichen ein Kondensator.
Wenn Licht auf ihn fällt, baut der Kondensator eine Ladung auf, die proportional zur Lichtstärke ist. Die Ladung
wird durch andere Kondensatoren an einen externen Schaltkreis (eine Analogschaltung) angekoppelt (daher die
Bezeichnung Charge Coupled Device) und dieser externe Schaltkreis gibt für jeden Bildpunkt eine zur Ladung
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proportionale Ausgangsspannung aus. Ein Mikroprozessor rechnet dann diese Spannungen wieder in die Stärke
des einfallenden Lichts um.
Digitalkameras verwenden normalerweise einen Bayer-Sensor über dem CCD-Sensor. Jedes Quadrat aus vier
Bildpunkten besteht gefiltert aus einem roten, einem blauen und zwei grünen Bildpunkten (das menschliche
Auge ist empfindlicher für Grün als für Rot oder Blau). Dies führt dazu, dass die Helligkeitsdaten in jedem
Bildpunkt gesammelt werden, die Farbauflösung jedoch geringer ist als die Helligkeitsauflösung.
Die Netzhaut im Auge funktioniert ähnlich. Wenn Licht auf die Fotorezeptoren in der Netzhaut gebündelt wird,
werden diese hyperpolarisiert, d. h. ihr Potential (ihre Spannung) steigt. Das Ruhepotential einer Nervenzelle
liegt normalerweise bei -70 Millivolt und kann auf ein Maximum von -55 mV steigen. Die hyperpolarisierten
Fotorezeptoren (je nach Licht Stäbchen oder Zapfen) erregen eine darunter liegende Bipolarzelle und diese
wiederum erregt die Ganglienzelle. Die Ganglienzelle leitet den elektrischen Impuls über den Sehnerv an das
Gehirn weiter. (Dies ist eine vereinfachte Version des tatsächlichen Vorgangs, der aus mehreren Schichten von
Nervenzellen besteht).
Die eigentliche „Bildbearbeitung“ findet im Gehirn statt. Genauer gesagt findet sie in der Sehrinde in den
beiden Bereichen im hinteren Teil des Gehirns statt, der als „Occipitallappen“ bekannt ist. Das vom rechten
Auge empfangene Bild wird in der linken Gehirnhälfte verarbeitet und umgekehrt. Obwohl das Bild auf der
Netzhaut auf dem Kopf steht, ist das von uns „gesehene“ Bild wieder richtig ausgerichtet.
Räumliches Sehen
Menschen und viele andere Spezies verfügen über „stereoskopische Sehkraft“, d. h. sie sehen jeden Gegenstand
mit beiden Augen. Beide Augen liegen in derselben Ebene, d. h. vorne am Schädel. Fische dagegen haben ihre
Augen auf beiden Seiten des Kopfs, so dass sie mit jedem Auge ein anderes Bild sehen. Eine der Folgen des
stereoskopischen Sehvermögens, ist die Wahrnehmung von räumlicher Tiefe und Lage. Dies lässt sich einfach
nachweisen, indem man seinen Finger vor das Gesicht hält und den Blick auf einen Gegenstand hinter dem
Finger fokussiert. Schließen Sie jetzt schnell hintereinander abwechselnd ein Auge, während Sie den Blick
weiter auf dem Gegenstand halten. Sie werden feststellen, dass die Position des Fingers sich scheinbar bewegt,
während das Objekt an derselben Stelle bleibt. Wenn man auf einen Gegenstand fokussiert, konvergieren beide
Augen so, dass der Gegenstand in beiden Augen in der Mitte der Netzhaut erscheint. Andere Objekte in der
Nähe des Hauptobjekts (in diesem Fall der Finger) erscheinen im Verhältnis zum Hauptobjekt verschoben.
Die Linse des menschlichen Auges und ihre Eigenschaften
Die Linse in unseren Augen wird auch als Lens crystallina bezeichnet. Beim Menschen beträgt die Brechkraft der
Linse in ihrer natürlichen Umgebung ungefähr 18 Dioptrien, ungefähr ein Drittel der gesamten Brechkraft des
Auges. Der Brechungsindex der menschlichen Linse schwankt zwischen 1,38 und 1,40. Die Linse verfügt über die
besondere Eigenschaft, ihre Form und damit ihre Brennweite ändern zu können; dies erlaubt es uns, den Blick
auf verschieden weit entfernte Objekte zu fokussieren. Die Akkommodation ist ein Reflex, kann jedoch auch
bewusst gesteuert werden. Menschen und andere Säugetiere sowie Vögel und Reptilien können die Brennweite
der Linse ändern, indem sie mit Hilfe der Ziliarmuskeln deren Krümmung verändern. Beim Menschen kann dies
bis zu 15 Dioptrien ausmachen. Fische und Amphibien ändern die Brennweite, indem sie den Abstand zwischen
einer festen Linse und der Netzhaut verändern.
Bei jungen Menschen kann das Auge in 350 Millisekunden den Fokus vom Horizont auf einen 7 cm entfernten
Punkt verschieben. Diese extreme Veränderung der Brennweite des Auges von ungefähr 12 Dioptrien (eine
Dioptrie ist 1 geteilt durch die Brennweite in Metern) wird durch eine Kontraktion des Ziliarmuskels erreicht.
Die Fähigkeit zum schnellen Ändern der Brennweite nimmt im Lauf des Lebens immer mehr ab.
Mögliche Fragen der Schüler
Wie funktioniert eine Digitalkamera?
Herkömmliche Kameras zeichnen Bilder auf einem fotografischen Film auf. Diese Filme bestehen normalerweise
aus lichtempfindlichem Silberhalogenid. Digitalkameras erfassen Bilder mit Hilfe eines Felds von
lichtempfindlichen Sensoren. Diese Sensoren sind empfindlich für die Stärke des einfallenden Lichts und
speichern die empfangenen Daten digital als rote, grüne und blaue Farbdaten oder als Rohdaten. Es gibt zwei
wichtige Sensormodelle: den CCD-Sensor und den Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS).
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Während herkömmliche Fotoapparate ohne Elektrizität funktionieren, benötigen Digitalkameras eine
Verbindung zu einem Computer, um die Bilder zu speichern und zu verarbeiten.
Kapitel 2 | Brennweiten
Empfohlene Unterrichtsgliederung
Die Schüler lernen, wie das Auge Licht bündelt und wie „Akkommodation“ funktioniert.
Dauer
Tätigkeit
Material
in Minuten
0-5
Fortsetzung der bisherigen Diskussion
10 - 20
Experiment zur Brennweite des Auges
20 - 30
Besprechung der Ergebnisse in der Klasse
30 - 40
Gruppenarbeit: Experiment zur Brennweite
WS04.2
Linsen (30 mm und 150 mm
Brennweite)
LED-Modul
Nicht im Materialsatz enthalten:
Schirm
Lineal
Beschreibung des empfohlenen Unterrichtsaufbaus
Erklären Sie den Schülern, dass sie als Fortsetzung der Diskussion in der vorherigen Stunde heute erfahren, auf
welche Weise das Auge Licht bündelt und was dieses Verfahren von dem in einer Kamera unterscheidet.
Außerdem messen die Schüler die Brennweite ihrer eigenen Augen.
Brennweite meines Auges:
Lassen Sie die Schüler Frage 1) auf dem Arbeitsblatt WS4.2 durchlesen und dann in Gruppen von 2 - 3 Schülern
das Experiment durchführen. Wenn die Schüler zu dem Teil gekommen sind, in dem sie den Abstand zwischen
Finger und Auge messen müssen, helfen jeweils die anderen Schüler der Gruppe demjenigen, der das
Experiment gerade durchführt. Zur Beantwortung der letzten Frage („Ist dieser Abstand bei allen Schülern
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ungefähr gleich?“) schreiben Sie bitte die Ergebnisse aller Gruppen an die Tafel und fordern Sie die Schüler auf,
die Ergebnisse zu vergleichen. Wenn ein Schüler ein stark abweichendes Ergebnis hat, lassen Sie die Gruppe das
Experiment vor der Klasse nochmals durchführen und versuchen Sie herauszufinden, warum das Ergebnis so
stark abweicht.
Das Arbeitsblatt enthält bereits die Linsengleichung, in welche die Schüler die gemessenen Abstände eintragen
und dann die Brennweite ihres Auges ausrechnen können.
Wenn dieser Teil abgeschlossen ist, lassen Sie die Schüler in Gruppen von 2 - 3 Schülern die Aufgaben 2) und 3)
auf dem Arbeitsblatt durchlesen. Achten Sie darauf, dass die Schüler den Schirm so weit hinter der Linse
aufstellen, dass der Abstand größer ist als die Brennweite der Linse (150 mm), und dass der Schirm sich nicht
bewegt. Achten Sie auch darauf, dass die Schüler nach der ersten Messung die erste Linse durch die zweite Linse
mit einer Brennweite von +30 mm ersetzen und der Abstand zwischen Schirm und Linse gleich bleibt.
Besprechung der Ergebnisse:
Besprechen Sie mit den Schülern Punkt 4) und fragen Sie sie nach ihren Ergebnissen und ihrer Vorgehensweise.
Mit diesem Experiment können die Schüler die Eigenschaften der Linse in Bezug auf die Fokussierung von
nahen und weiter entfernten Objekten kennenlernen. Wahrscheinlich werden die Schüler bemerken, dass
größere Brennweiten besser auf weit entfernte Objekte fokussieren und umgekehrt.
Bitten Sie die Schüler, die Linsen genau zu betrachten und ihre Form zu beschreiben. Vielleicht fällt ihnen auf,
dass die 30-mm-Linse runder und die andere Linse flacher ist. Fragen Sie die Schüler, auf welche andere Weise
man den Fokus ändern kann, wenn man die Linse nicht verändert. Helfen Sie ihnen bei der Schlussfolgerung,
dass es zwei Möglichkeiten gibt - eine Veränderung der Linse oder eine Änderung des Abstands zwischen der
Linse und dem Schirm. Im Fall des menschlichen Auges kann sich nur die Form der Linse ändern und genau das
passiert auch.
Für Teil 5) müssen die Schüler die Linsengleichung anwenden und erkennen, dass die Brennweite und der
Abstand zwischen Hornhaut und Netzhaut feste Größen sind und auf der vorherigen Seite angegeben wurden.
Die Teile 6) und 7) sollten nur durchgenommen werden, wenn Sie mit den Schülern bereits Strahlendiagramme
behandelt haben.
Option: Lassen Sie die Schüler für die Aufgaben 6) und 7) einen Gegenstand und einen Schirm zeichnen (der die
Netzhaut darstellt) und zuerst überlegen, wo das Bild bei den beiden Formen der Fehlsichtigkeit gebildet wird
(vor der Linse oder hinter der Linse). Je nachdem, ob das Bild nach vorne oder nach hinten verschoben werden
muss, können die Schüler dann entscheiden, welche Art von Linse dazu geeignet wäre.
Hintergrundinformationen
Flüssige Linsen
Weil Akkommodation ein so wirksames Verfahren ist, könnte sie beispielsweise die Baugröße und Genauigkeit
von Kameras stark verbessern. Bisher nutzten komplexe optische Instrumente immer eine Kombination
mehrerer Linsen mit festen Brennweiten. In intensiver Forschung wurden „flüssige Linsen“ entwickelt, die ihre
Form und Brennweite bei Bedarf ändern können. Diese Linsen können sich schnell und stufenlos verformen und
so genutzt werden, dass sie alle wichtigen optischen Funktionen, wie Autofokus oder Bildstabilisation,
unterstützen. Diese Technologie basiert auf dem Prinzip der „elektrischen Benetzung“ und einer Kombination
von transparenten und optisch fehlerfreien Flüssigkeiten, aus denen Linsen erzeugt und in Echtzeit verformt
werden können. „Benetzung“ ist die Fähigkeit einer Flüssigkeit, mit der Oberfläche von Festkörpern in Kontakt
zu bleiben und hängt von einer Reihe von Kräften ab. Elektrisches Benetzen bezeichnet eine Änderung dieser
Eigenschaft mit Hilfe eines elektrischen Feldes.
Flüssige Linsen haben gegenüber Linsen aus Glas oder Kunststoff eine Reihe von Vorteilen. Sie können ihre
Brennweite stark ändern, sie sind robust und stoßsicher und sie können ihren Fokus innerhalb von
Millisekunden ändern. Die Flexibilität flüssiger Linsen macht es auch möglich, mehrere Linsen in einem einzigen
Gehäuse zu verbauen, das sehr viel kleiner ist als das für herkömmliche Fotolinsen.
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Flüssige Linsen werden bereits in Smartphones, Kameras und in der Bildgebung eingesetzt. Viele weitere
Anwendungsgebiete werden derzeit erforscht.
Mögliche Fragen der Schüler:
Wie funktionieren Kontaktlinsen?
Kontaktlinsen werden normalerweise auf die Hornhaut des Auges gelegt, um eine Fehlsichtigkeit zu korrigieren.
Die ersten Kontaktlinsen, die als Alternative zur Brille entwickelt wurden, bestanden aus Glas. Sie reizten die
Augen und konnten nicht über einen längeren Zeitraum hinweg getragen werden. Diese Glaslinsen wurden
durch Linsen aus Acrylglas (PMMA) ersetzt, die zwar viel bequemer waren, aber keinen Sauerstoff durch die
Linse an die Hornhaut ließen. Weitere Forschungen führten zur Entwicklung fester luftdurchlässiger Materialien,
aus denen Linsen hergestellt werden konnten. Diese Linsen waren aber immer noch „hart“.
Der große Durchbruch für weiche Kontaktlinsen erfolgte mit der Markteinführung der ersten weichen
(Hydrogel-) Linsen in den 60er Jahren und mit der Zulassung des Werkstoffs Poly-HEMA unter dem
Markennamen „Soflens“ durch die US-amerikanische Arzneimittelzulassungsbehörde FDS im Jahr 1971. Weiche
Linsen sitzen sofort bequem, wohingegen starre Linsen sich erst nach einer gewissen Eingewöhnungszeit
bequem anfühlen. Die Polymere, aus denen weiche Linsen hergestellt werden, wurden in den folgenden 25
Jahren durch Veränderungen der Zusammensetzung laufend verbessert, vor allem was die Luftdurchlässigkeit
angeht.
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