OPTISCHE GERÄTE

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Schulversuchspraktikum WS 2000/2001
OPTISCHE GERÄTE
(4.Klasse Unterstufe)
Pickhardt Gunther
INHALTSVERZEICHNIS
I.EINLEITUNG
2
I.1. Was soll die eigentliche Motivation sein, optische Geräte zu
besprechen?
2
I.2. Notwendige Voraussetzungen zum Verständnis der optischen
Instrumente
2
I.3. Arten von optischen Geräten
2
II. DIE OPTISCHEN GERÄTE IM EINZELNEN
3
II.I. Optische Geräte, die den Sehwinkel vergrößern
II.I.1. Die Lupe
II.I.2. Das Mikroskop
II.I.3. Das Keplersche oder Astronomische Fernrohr
II.I.4. Übersicht zu den Kapiteln II.5. –II.8.
II.I.5. Das Terrestrische Fernrohr oder Erdfernrohr
II.I.6. Das Prismenfernrohr
II.I.7. Das Galileische oder holländische Fernrohr
II.I.8. Das Spiegelteleskop
3
4
7
9
12
12
13
15
17
II.2. Optische Geräte, die die Punkthelligkeit von sehr weit
entfernten Gegenständen steigern.
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II.3. Der Fotoapparat
20
II.4. Optische Geräte (Projektionsapparate), die Bilder von
Gegenständen auf Vorlagen (Dias, Filme, Folien, Fotos) auf einer
Leinwand vergrößert abbilden.
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II.4.1. Der Diaprojektor
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II.4.2. Das Episkop
25
II.4.3. Der Overheadprojektor
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II.4.4. Der Filmprojektor
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II.4.5. Praktische Versuche zu den Projektionsapparaten (nach
Eydam – Kiel)
26
III. LERNZIELE (ENTSPRECHEND LEHRPLAN)
28
IV. LITERATURVERZEICHNIS
28
2
In diesem Abschnitt wird kurz angeführt, womit die Schüler schon vertraut sein
müssen, um die optischen Instrumente verstehen zu können.
I.Einleitung
I.1. Was soll die eigentliche Motivation sein,
optische Geräte zu besprechen?
Optische Geräte begegnen uns im Alltag immer wieder. Wir haben sie oft in
§
Reflexion und Totalreflexion des Lichts
§
Brechung des Lichts
§
Optische Prismen
§
Hohlspiegel
§
Wirkungsweise von Sammel- und Zerstreuungslinsen; dazugehörige
Verwendung und meinen, mit ihnen eigentlich ganz gut umgehen zu können. Was
Strahlengänge zeichnen können. Was passiert also mit Brennstrahl,
allerdings im „Inneren“ eines solchen optischen Geräts tatsächlich abläuft, ja
Hauptstrahl und Parallelstrahl.
§
darüber sind sich viele oft im Unklaren, können aber damit leben. Worin also liegt
Sehwinkel und Vergrößerung
jetzt die Motivation, sich trotz des Wissens um die Verwendung, das man um dieses
oder jenes optisches Gerät zu haben meint, mit der genauen (physikalischen)
I.3. Arten von optischen Geräten
Funktions- und Wirkungsweise zu befassen? Es gibt einen guten Grund zur
Motivation dafür, und dieser lautet: Erst wenn man die Details kennt, also weiß, wie
solch ein optisches Gerät aufgebaut ist und welche Funktion die einzelnen
Bestandteile des Geräts haben, erst dann kann man solch ein Gerät gezielt
Es gibt heute eine Vielzahl von optischen Geräten. Um hier eine Übersicht zu
bekommen, kann man die optische Geräte im Wesentlichen nach ihrer
Wirkungsweise in verschiedene Gruppen einteilen:
•
verwenden und erst dann versteht man sich im Prinzip erst auf die richtige
man einen Gegenstand wahrnimmt, zu vergrößern. Man kann dies auch so
Handhabung eines solchen Instruments. Aus dieser Motivation heraus sollen nun
ausdrücken: Durch das optische Instrument sieht man den Gegenstand
einige wichtige optische Instrumente besprochen werden. Die Ausarbeitung ist dabei
vergrößert. Zu dieser Art von optischen Instrumenten gehört die Lupe, das
so angelegt, dass sie dem Verständnisniveau von Schülern der 4.Klasse Gymnasium
Mikroskop, das Fernglas und das Fernrohr.1
entsprechen soll.
I.2. Notwendige Voraussetzungen zum Verständnis
der optischen Instrumente
Optische Geräte, deren Wirkung darin besteht, den Sehwinkel, unter dem
1
Es soll an dieser Stelle schon einmal erwähnt sein, dass die
Sehwinkelvergrößerung von Fernrohren primäre Bedeutung bei Erdbeobachtungen
hat. Beobachtet man astronomische Objekte, so ist es primär nämlich nicht die
Sehwinkelvergrößerung, die uns den Gegenstand klarer erscheinen lässt, sondern die
vom optischen Instrument gesteigerte Punkthelligkeit des betrachteten Objekts.
Davon aber mehr erst etwas weiter hinten.
3
•
•
•
Optische Geräte, die Bilder von Gegenständen auf Vorlagen (Dias, Filme,
Bevor hier im folgenden die Lupe, das Mikroskop und die verschiedenen Arten der
Folien und Fotos) auf einer Leinwand vergrößert abbilden. Solche Geräte
Fernrohre besprochen werden, soll noch einmal kurz erläutert werden, wie
nennt man auch Projektionsapparate. Zu ihnen zählt man den Diaprojektor,
Sehwinkel und Vergrößerung zusammenhängen:
das Episkop, den Overheadprojektor und den Filmprojektor.
Sehwinkel: Von jedem Gegenstand, den wir sehen, gelangt ein Lichtbündel in unser
Optische Geräte, die die Punkthelligkeit von sehr weit entfernten
Auge. Der Winkel, unter dem der Gegenstand vom Auge aus erscheint, heißt
Gegenständen steigern. Zu dieser Art von Instrumenten gehören die
Sehwinkel. Er hängt von der Größe und von der Entfernung des Gegenstandes ab.
Fernrohre zur Beobachtung von Himmelskörpern (Spiegelfernrohr,
Obwohl Sonne und Mond verschieden groß sind, sehen wir sie fast unter gleich
Astronomisches Fernrohr,...)
großen Sehwinkeln, da auch ihre Entfernungen sehr verschieden sind.
Optische Geräte, die dafür sorgen, dass auf einem lichtempfindlichen Film
Wir sehen einen Gegenstand umso größer und damit umso deutlicher, je größer der
ein Bild von einem betrachteten Gegenstand entsteht. Solch ein optisches
Sehwinkel ist.
Instrument ist der Fotoapparat.
II. Die Optischen Geräte im Einzelnen
In diesem Abschnitt sollen nun einige wichtige optische Geräte näher beschrieben
werden. Es wird hier kein Anspruch auf Vollständigkeit gestellt, sondern es geht
vielmehr darum, einzelne, hinsichtlich des Verständnisses der Schüler, einfache
optische Geräte (als Vertreter einer bestimmten Gruppe optischer Instrumente) zu
beschreiben, und dies sowohl im Versuch als auch in der Theorie.
II.I. Optische Geräte, die den Sehwinkel vergrößern
Beim Betrachten kleiner Gegenstände führt man den Gegenstand so nah wie
möglich ans Auge, um so den Sehwinkel zu vergrößern. Allerdings kann man
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Gegenstände nicht beliebig nahe ans Auge heranführen. Man bezeichnet den Punkt
GEGENSTAND
innerhalb der Brennweite
•
aufrecht
Nahpunkt. Er liegt bei Heranwachsenden und Jugendlichen bei 10 bis 15 cm vor
(Beispiele für Brennweiten von
•
scheinbar od. virtuell: die
dem Auge (Jeder Schüler sollte bei sich oder seinem Nachbarn ausmessen, wo bei
Lupen: 5-10 cm)
vor dem Auge, an dem ein Gegenstand noch gerade scharf gesehen werden kann, als
•
BILD
Strahlen schneiden sich in ihrer
ihm oder seinem Nachbarn der Nahpunkt liegt). Der große Nutzen von Lupe,
Mikroskop und Fernrohr liegt nun darin, dass sie eine Vergrößerung des Sehwinkels
rückwärtigen Verlängerung
•
stark vergrößert
bewirken. Das Verhältnis Sehwinkel mit optischem Instrument dividiert durch
Sehwinkel ohne optisches Instrument gibt die Vergrößerung des optischen
Strahlengang: (Gegenstand innerhalb der Brennweite der Lupe)
Instruments an.
Vergrößerung = Sehwinkel mit Instrument/Sehwinkel ohne Instrument
Nach diesen kurzen Ausführungen zum Sehwinkel folgt nun endlich die
Besprechung der optischen Instrumente, die den Sehwinkel vergrößern. Es erscheint
mir als besonders wichtig, dass man bei der Besprechung der einzelnen optischen
Geräte neben den optischen Versuchen auch den dazugehörigen Strahlengang (mit
den Schülern) zusammen konstruiert und in dieser Konstruktion die einzelnen
Sehwinkel einzeichnet.
II.I.1. Die Lupe
Die Lupe ist eine Sammellinse von kleiner Brennweite. Sie wird so benützt, dass der
Gegenstand innerhalb der Brennweite oder im Brennpunkt - auf diesen Fall muss
speziell eingegangen werden – liegt. Dadurch entsteht vom Gegenstand ein
vergrößertes, scheinbares (= virtuelles) und aufrechtes Bild. Mit der Lupe lässt sich
maximal eine zwanzig bis dreißigfache Vergrößerung erreichen.
Der hier gezeichnete Strahlengang soll an dieser Stelle noch kurz erläutert werden.
Der Abstand s0 entspricht dem Nahpunkt des Auges. Der Gegenstand kann also mit
freiem Auge maximal unter dem Sehwinkel ε0 wahrgenommen werden. Die
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Leistung der Lupe besteht jetzt darin, dass der Gegenstand noch näher ans Auge
GEGENSTAND
im Brennpunkt (Beispiele für
•
aufrecht
einem größeren Sehwinkel erscheint Die Entstehung des virtuellen (scheinbaren)
Brennweiten von Lupen: 5-10
•
liegt im Unendlichen
Bildes im Abstand s0 wird absichtlich gewählt, um so den Sehwinkelunterschied bei
cm)
•
scheinbar od. virtuell
•
stark vergrößert
geführt werden kann und so ein scheinbares Bild entsteht, das dem Auge unter
gleichem Abstand der vom Auge betrachteten Bilder (virtuelles Bild und
Gegenstand im Abstand s0) gut ablesen zu können. Man erkennt deutlich den
Unterschied zwischen ε und ε0.
Spezialfall: Gegenstand im Brennpunkt der Lupe
Eine Besprechung des Falls, wo sich der Gegenstand im Brennpunkt der Lupe
befindet, ist hinsichtlich des Verständnisses der Okularwirkung von Fernrohren
durchaus von Nutzen. Man muss sich als Lehrer aber über die Schwierigkeiten, die
bei den Schülern auftreten können, im klaren sein. Was heißt es, wenn die Strahlen
von einem Gegenstand (in unserem Fall vom virtuellen Bild) parallel einfallen. Man
kann den Schülern schon klar machen, dass solche Gegenstände im Unendlichen
liegen, aber trotzdem bleibt vielleicht an der ganzen Sache für den einen oder
anderen doch etwas Geheimnisvolles, zumal man den Gegenstand - in unserem Fall
das virtuelle Bild - ja nicht sieht, d.h. es kann im Strahlengang nicht so
eingezeichnet werden, dass dann vom ganzen Bild parallele Strahlen weggehen. Es
ist meiner Ansicht nach am besten, wenn man zunächst einmal mit den Schülern
zusammen einen Strahlengang von einem Gegenstand im Brennpunkt zeichnet. Der
sich ergebende Sehwinkel sollte wiederum eingezeichnet werden. Die Schüler
erlangen Verständnis, wenn sie selber konstruieren. Was die ganze Sache dann doch
etwas klarer erscheinen lässt, ist, wenn man den Fortgang der parallel einfallenden
Strahlen im Auge selbst zeichnet – hier entsteht ja ein Bild (welch Glück - sonst
würde uns vieles im Leben verborgen bleiben)
•
BILD
6
Praktische Versuche
Was die praktischen Versuche angeht, so wäre es der Bedeutung der Lupe in Alltag
angemessen, wenn jeder Schüler im Unterricht Gegenstände mit der Lupe
betrachtet.
Wie die Lupenwirkung demonstrativ in einem auf der optischen Bank aufgebauten
Versuch aussehen könnte, wird umseitig auf der Versuchsanleitung nach Eydam
Kiel beschrieben (aus Physik 2 Optik Eydam Kiel)
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II.I.2. Das Mikroskop
Nerven werden unter dem Mikroskop genäht. Bei Materialuntersuchungen mit dem
Mikroskop können haarfeine Risse festgestellt werden.
Das Mikroskop ist im Prinzip nur eine ausgebaute Form der Lupe. Mikroskope
Übersicht über die Wirkungsweise von Objektiv und Okular
werden immer dort eingesetzt, wo man näheres über sehr kleine Objekte erfahren
OBJEKTIV
möchte.
Schüler lernen durch selbständiges Arbeiten, deshalb soll der Strahlengang im
GEGENSTAND Gegenstand befindet sich zwischen einfacher und zweifacher
Brennweite des Objektivs
Mikroskop wieder gemeinsam mit den Schülern (also Lehrer an der Tafel – Schüler
im Heft) konstruiert werden.
BILD
Das vom Objektiv erzeugte Zwischenbild ist vergrößert,
umgekehrt und reell
Das Mikroskop besteht aus zwei Sammellinsen (eigentlich sind es ja 2
Linsensysteme, um die Abbildungsfehler zu minimieren – darauf wird man in der
OKULAR
4.Klasse aber nicht näher eingehen). Die Linse, die dem Gegenstand (Objekt)
zugewandt ist, nennt man Objektiv. Die augenseitige Linse bezeichnet man als
GEGENSTAND
Zwischenbild
befindet
sich
innerhalb
der
Okular. Die Wirkungsweise des Mikroskops ist leicht zu verstehen. Vom
=Zwischenbild des Objektivs
Brennweite oder im Brennpunkt des Okulars
Gegenstand G, der zwischen einfacher und doppelter Brennweite des Objektivs liegt
BILD
Das vom Okular erzeugte Bild vom Zwischenbild
(eher nahe am Brennpunkt), wird ein vergrößertes, umgekehrtes, reelles
ist virtuell, aufrecht und vergrößert, d.h. man
Zwischenbild erzeugt. Dieses Zwischenbild befindet sich innerhalb der Brennweite
sieht den ursprünglichen Gegenstand umgekehrt,
oder im Brennpunkt des Okulars. Daher wird mit dem Okular das Zwischenbild wie
da ja das Zwischenbild schon umgekehrt ist.
durch eine Lupe gesehen.
Praktische Versuche:
Gesamtvergrößerung = Vergrößerung des Okulars x Vergrößerung des Objektivs
Jeder Schüler sollte mit einem Mikroskop, wie sie die Biologen im Schulunterricht
Wenn also das Objektiv 40mal und das Okular 12mal vergrößert, so ist die
benützen, umgehen können. Ist die Verwendung solch eines Mikroskops den
Gesamtvergrößerung 40x12, also 480. Mit gewöhnlichen Mikroskopen können bis
Schülern unbekannt, so sollte doch der „Versuch“ direkt am Gerät (eventuell im
zu 1000fache Vergrößerungen, mit Spezialmikroskopen bis zu 2000fache
Biologiesaal) durchgeführt werden. Wissen jedoch alle Schüler mit dem Mikroskop
Vergrößerungen erzielt werden.
umzugehen (weil sie es in der Biologie ständig im Einsatz haben), so reicht es aus,
Praxisbezug: Mikroskope werden in den Naturwissenschaften und in der Technik
wenn man auf der optischen Bank kurz ein vergrößertes, reelles und umgekehrtes
vielfach eingesetzt. Gewebe und Blut werden unter dem Mikroskop untersucht,
Zwischenbild von einem Gegenstand erzeugt und dieses auf einer Mattscheibe
8
abbildet. Auf die Lupenwirkung des Okulars muss dann nur mehr kurz eingegangen
werden, zumal die Lupe vorher schon ausführlichst besprochen wurde. Siehe auch
folgende Versuchsanleitung nach Eydam-Kiel.
Strahlengang im Mikroskop
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II.I.3. Das Keplersche oder Astronomische Fernrohr
Das Keplersche oder astronomische Fernrohr besteht aus zwei Sammellinsen. In der
Praxis handelt es sich aber wieder um Linsensysteme, die der Minimierung der
Abbildungsfehler dienen. Die dem Gegenstand (Objekt) zugewandte Seite heißt
Objektiv, die dem Auge („occulus“) zugewandte Linse heißt Okular. Objektiv und
Okular sind durch einen ausziehbaren Tubus so miteinander verbunden, dass der
bildseitige Brennpunkt des Objektivs Fob nahezu mit dem dingseitigen Brennpunkt
des Okulars Fok zusammenfällt. Die Tubuslänge l und damit die Länge des
Fernrohrs ist somit gleich der Summe aus der Brennweite des Objektivs und der
Brennweite des Okulars: Fernrohrlänge = Fob + Fok
Das Objektiv erzeugt von dem betrachteten, weit entfernten Gegenstand ein
umgekehrtes, verkleinertes reelles Bild (Zwischenbild) nahe seiner Brennebene.
Damit dieses Zwischenbild nicht zu klein ist, wird die Objektivbrennweite
möglichst groß gewählt. Ist der betrachtete Gegenstand sehr weit entfernt, so
befindet sich das vom Objekiv erzeugte Zwischenbild im bildseitigen Brennpunkt
des Objektivs, also auch im Brennpunkt des Okulars. Ist der Gegenstand hingegen
nicht so weit entfernt, befindet sich das Zwischenbild außerhalb der bildseitigen
Brennweite des Okulars, also innerhalb der Brennweite des Okulars. Diese beiden
Fälle, also wo der Gegenstand einmal weit entfernt ist und das andere Mal näher
beim Fernrohr liegt, sollen in den abgebildeten Strahlengängen verdeutlicht werden.
Weiters
kann
man
im
Strahlengang
die
vom
Fernrohr
bewirkte
Sehwinkelvergrößerung ablesen: α0 ist der Sehwinkel, unter dem wir mit freiem
Auge den Gegenstand wahrnehmen; αF ist der Sehwinkel, unter dem wir den
Gegenstand mithilfe des Fernrohrs wahrnehmen.
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Zwischenbemerkung: In der Praxis ist es so, dass die Linsen gegeneinander
verschoben werden können (Scharfeinstellung) und sich das Zwischenbild immer im
Brennpunkt des Okulars befindet. Der Vorteil dabei ist nun, dass das Zwischenbild
mit entspanntem Auge (keine Akkomodation) betrachtet werden kann, da die
Strahlen das Okular parallel verlassen. Der Grund, warum in den Ausführungen und
in den folgenden Strahlengängen zwischen nah und weit entfernten Gegenständen
unterschieden und nicht auf die Entspanntheit des Auges eingegangen wird, ist
einfach der, dass unter Umständen durch diese Fallunterscheidung die ganze
Thematik rund ums Fernrohr leichter verständlich wird. Es soll aber damit nicht
gesagt sein, dass bei sehr wissbegierigen Schülern auch auf Scharfeinstellung und
Akkomodation näher eingegangen werden kann. Die Akkomodation sollte dann aber
schon im Zusammenhang mit der Lupe näher besprochen werden.
Übersicht über die Wirkungsweise von Objektiv und Okular beim Keplerschen
Fernrohr
OBJEKTIV
GEGENSTAND Gegenstand befindet sich weit außerhalb der zweifachen
Brennweite des Objektivs
BILD
Das vom Objektiv erzeugte Zwischenbild ist verkleinert,
umgekehrt und reell
Praktische Versuche:
1) Zum einen sollte im Physikunterricht ein Fernrohr gebaut werden, durch das,
wenn möglich, jeder Schüler durchschauen und die Vergrößerung feststellen kann.
Man braucht hierzu nur eine optische Bank und zwei Linsen mit großer und kleiner
Brennweite. Die Linsen werden im richtigen Abstand auf der optischen Bank
OKULAR
GEGENSTAND
=Zwischenbild des Objektivs
BILD
Zwischenbild befindet sich innerhalb der
Brennweite oder im Brennpunkt des Okulars
Das vom Okular erzeugte Bild vom Zwischenbild
ist virtuell, vergrößert und erscheint dem Auge
umgekehrt, da ja das Zwischenbild auch schon
umgekehrt ist.
angebracht und auf einen entfernten Gegenstand gerichtet. Toll ist, wenn die
optische Bank auf einem Stativ befestigt werden kann – dann ist das „FernrohrErlebnis“ noch größer!
2) Zum anderen sollte die Bildentstehung im Fernrohr auch anhand eines Versuchs
demonstriert werden. Wie solch ein Experiment aussehen könnte, siehe in der hier
vorliegenden Versuchsbeschreibung nach Eydam-Kiel.
11
12
II.I.4. Übersicht zu den Kapiteln II.5. –II.8.
Die nun in den folgenden Unterkapiteln II.5 – bis II.8. besprochenen Fernrohre wird
man in der 4.Klasse nicht so genau besprechen. Man macht vielleicht nur darauf
aufmerksam, dass es diese optischen Instrumente gibt, ihre Wirkung aber wieder
darin besteht, den Sehwinkel zu vergrößern. Der Vollständigkeit halber soll bei den
einzelnen Fernrohren der dazugehörige Strahlengang und eine praktische
Versuchsanleitung von Eydam-Kiel angeführt sein.
II.I.5. Das Terrestrische Fernrohr oder Erdfernrohr
Das terrestrische oder Erdfernrohr stellt im Prinzip ein Keplersches Fernrohr dar, bei
dem das reelle, umgekehrte Zwischenbild durch eine zwischen das Objektiv und das
Okular gebrachte Umkehrlinse aufgerichtet wird. Dadurch sieht der Beobachter ein
aufrechtstehendes Bild des betrachteten Gegenstandes. Das vom Objektiv erzeugte
umgekehrte Zwischenbild Z1 befindet sich dabei genau in der doppelten Brennweite
der Umkehrlinse. Diese liefert somit von Z1 ein reelles, gleich großes, umgekehrtes
(und somit nun wieder aufrechtstehendes) Bild ebenfalls in der doppelten
Brennweite. Dieses Zwischenbild Z2 wird schließlich durch das Okular wie durch
eine Lupe betrachtet.
Das terrestrische Fernrohr ist wegen dieser zusatzlichen Bildumkehr noch länger
und damit noch unhandlicher als das Keplersche Fernrohr.
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II.I.6. Das Prismenfernrohr
Beim Prismenfernrohr, das wie das terrestrische im Prinzip ein Keplersches
Fernrohr darstellt, erfolgt die Bildumkehr nicht durch eine Umkehrlinse, sondern
durch zwei zwischen Objektiv und Okular eingebrachte, um 90° gegeneinander
versetzte Umkehrprismen. Das eine Prisma vertauscht dabei im Strahlengang oben
und unten, das andere dagegen rechts und links, so dass das vom Objektiv erzeugte,
auf dem Kopf stehende und seitenvertauschte Zwischenbild nun wieder aufrecht und
seitenrichtig erscheint. Es wird durch das Okular wie durch eine Lupe betrachtet.
Durch die Prismenanordnung wird der Strahlengang zwischen Objektiv und Okular
zweimal um je 180° umgelenkt, wodurch das Prismenfernrohr wesentlich kürzer
und handlicher wird als das terrestrische Fernrohr. Der durch die Konstruktion
bedingte größere Abstand zwischen den beiden Objektiven ist darüber von Nutzen
für das räumliche Sehen.
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II.I.7. Das Galileische oder holländische Fernrohr
Dieses Fernrohr besteht aus zwei Linsen oder Linsensystemen mit einer
gemeinsamen optischen Achse. Dabei ist das Objektiv eine Sammellinse mit großer
Brennweite, das Okular dagegen eine Zerstreuungslinse. Beide sind durch einen
ausziehbaren Tubus so verbunden, dass der bildseitige Brennpunkt des Objektivs
nahezu mit dem bildseitigen Brennpunkt des Okulars zusammenfällt. Die
Tubuslänge l und damit die Länge des Fernrohrs ist demnach etwa gleich der
Differenz aus der Brennweite von Objektiv (fob) und Okular (fok)
l = fob - fok
Das Objektiv sammelt die von dem betrachteten, weit entfernten Gegenstand
kommenden Strahlen so, dass ein reelles Zwischenbild nahe seiner Brennebene
entstehen würde. Bevor sich aber die Strahlen dort vereinigen können, treffen sie auf
die Zerstreuungslinse. Der Tubus wird nun so eingestellt (Scharfeinstellung), dass
das Zwischenbild, wenn es überhaupt zustande käme, in der bildseitigen Brennebene
des Okulars entstehen würde. Gemäß den Gesetzen der Zerstreuungslinse verlaufen
aber alle auf einen Punkt der jenseitigen Brennebene gerichteten Strahlen nach
Durchgang durch die Linse parallel zueinander und zwar in Richtung des dem
konvergenten Strahlenbüschel zugehörigen Mittelpunktstrahles. Die Lichtstrahlen
verlassen also das Okular parallel zueinander, und zwar unter einem Winkel αF , der
größer ist als der Winkel α0 , unter dem der betrachtete Gegenstand ohne Fernrohr
gesehen würde. Die üblichen Vergrößerungen des Galileischen Fernrohrs liegen bei
2,5. Das Galileische Fernrohr liefert unmittelbar, also ohne jede weiteren
Hilfseinrichtungen, ein aufrechtes Bild, da sich die vom Gegenstand kommenden
Strahlen nicht in einem reellen Zwischenbild überkreuzen, wie dies beim
Keplerschen Fernrohr der Fall ist.
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II.I.8. Das Spiegelteleskop
Eine andere Art von Fernrohren (als die bisher erwähnten) sind die fast
ausschließlich in der Astronomie benutzten Spiegelteleskope. Bei ihnen wird das
Objektiv durch einen Hohlspiegel gebildet. Dieser erzeugt von den weit entfernten
Gegenständen ein reelles, umgekehrtes, verkleinertes Bild, das durch eine
Okularlupe betrachtet wird. Es gibt verschiedene Arten von Spiegelfernrohren, die
sich in der Anordnung ihrer Okulare unterscheiden.
In der Astronomie ist es wichtig, möglichst viele der von einem Stern einfallenden
parallelen Strahlen zu erfassen und in einem Punkt, dem Brennpunkt des Objektivs,
zu bündeln, damit in diesem Punkt die Helligkeit groß genug ist, um im Auge des
Beobachters einen Lichteindruck hervorzurufen. Die Helligkeit im Brennpunkt ist
um so größer, je größer der Durchmesser des Objektivs ist. Da sich aber brauchbare
Linsen nur bis zu einem Durchmesser von etwa einem Meter herstellen lassen,
verwendet man für solche Zwecke Hohlspiegel. Mehr aber zum Thema Helligkeit
im folgenden Kapitel II.2..
Zurück zum Spiegelteleskop: Die von einem Stern kommenden parallelen
einfallenden Strahlen werden von einem Parabolspiegel mit möglichst großem
Durchmesser in seinem Brennpunkt gebündelt. Da dieser der Beobachtung nicht
direkt zugänglich ist, weil er im Strahlengang des einfallenden Lichtes liegt, werden
durch geeignete Spiegelvorrichtungen die zum Brennpunkt verlaufenden Strahlen
umgelenkt und fallen über eine Sammellinse, das Okular, auf das Auge des
Beobachters.
18
19
erkennen sind. Dieser Winkelabstand ist umso kleiner, je kleiner die Wellenlänge
des Lichts und je größer der Durchmesser des Fernrohrs ist.
II.2. Optische Geräte, die die Punkthelligkeit von
sehr weit entfernten Gegenständen steigern.
Es stellt sich natürlich in diesem ganzen Zusammenhang die Frage, was den
Helligkeit
eigentlich
überhaupt
ist?
Es
ist
hier
nicht
der
Platz,
dies
strahlenphysikalisch zu deuten, nein, es geht hier nur um die Erwähnung, dass der
Was in diesem Abschnitt besprochen wird, scheint mir für den Physikunterricht der
4.Klasse etwas zu hoch gegriffen, aber es soll um einer gewissen Vollständigkeit
halber hier erwähnt sein.
Fernrohre (hier beziehen wir uns auf alle Arten von Fernrohren) haben folgende
zwei Aufgaben: 1) Sehr entfernte Gegenstände unter einem größeren Sehwinkel
erscheinen lassen; 2) ein helleres Bild dem Auge zuzuführen. Die erste oder die
zweite Aufgabe kann überwiegend oder ausschließlich vorhanden sein. Bei der
Betrachtung der Landschaft von einem Berggipfel interessiert nur der erste Fall. –
Die Beobachtung von Tieren in der Dämmerung erfordert ein lichtstarkes Fernrohr
mit schwacher Vergrößerung.. – Bei den Sternen , also den selbstleuchtenden
Sonnen im Weltall, ist der vergrößerte Sehwinkel auch hinter den größten
Fernrohren für das Auge noch zu klein. Die Sterne bleiben also Punkte. Der Vorteil
des vorgeschalteten Fernrohrs ist die wesentlich größere Helligkeit, die mit dem
Quadrat des Objektivdurchmessers steigt. Durch ein Fernrohr von 50 cm
Objektivdurchmesser kommt also 10000mal soviel Licht in das Auge wie ohne
Fernrohr (Pupillendurchmesser 0,5 cm). Dadurch sieht man wesentlich mehr Sterne,
nämlich auch solche, die ohne Fernrohr zu lichtschwach sind. Ein vergrößerter
Sehwinkel ist allerdings auch erwünscht, um dicht beieinander liegende Sterne
trennen zu können. Diese Trennung wird aber nur erreicht, wenn die Bildfehler und
Beugungsfehler klein genug sind. Die Erkennbarkeit zweier dicht beieinander
liegender Punkte wird durch das Auflösungsvermögen gekennzeichnet. Es ist beim
Fernrohr der kleinste Winkelabstand zweier Sterne, die gerade noch getrennt zu
Helligkeitsbegriff in der Physik durchaus unterschiedlich ist. So kennt man eine
Helligkeit flächenhafter Lichtquellen, also die Helligkeit von größeren Flächen, und
eine Helligkeit punktförmiger Lichtquellen, also zum Beispiel die Helligkeit
punktförmiger Sterne. Es gibt nun einen Grundsatz in der Physik, der besagt, dass
kein optisches Instrument die Helligkeit (hier bezieht man sich auf die
„Flächenhelligkeit“ oder Leuchtdichte) über die natürliche Helligkeit, das ist die
vom Auge wahrgenommene Helligkeit, steigern kann. Anders verhält es sich mit der
Helligkeit punktförmiger Lichtquellen (Lichtstrom). Fernrohre können die
Punkthelligkeit auf das v^2 fache (v = Vergrößerung) der natürlichen Helligkeit
steigern. Es kann also die Helligkeit eines punktförmigen Objektes erheblich
gesteigert werden. Dies tritt zum Beispiel ein, wenn das Objekt ein Fixstern ist.
Während der flächenhafte Untergrund des Himmels höchstens mit der natürlichen
Flächenhelligkeit gesehen wird, wird die Helligkeit des Sterns sehr erheblich
gesteigert. Darauf beruht es, dass man mit dem Fernrohr Sterne bereits am Tage
erkennen kann, zumal wenn infolge eines kleinen Himmelsausschnitts wenig
Streulicht in das Auge kommt.
20
Bildschärfe – Entfernungseinstellung:
II.3. Der Fotoapparat
Der Abstand des Films von der Objektivlinse muss der jeweiligen Entfernung des
Gegenstandes angepasst sein. Das Objektiv lässt sich durch ein Schneckengetriebe
Der wichtigste Teil des Fotoapparats ist das Objektiv ( lat. objektus = Gegenstand).
nach vorne oder zurückstellen, und man kann so die Bildweite variieren.
Das Objektiv ist eine Sammellinse (bei billigen Apparaten) oder ein die
Autofokus: Um dem Fotografen das Einstellen der Entfernung zu Erleichtern, gibt
Linsenfehler (wie an anderer Stelle schon bemerkt) korrigierendes System, wie es
es auch Kameras, die mittels eingebauter Mikroprozessoren die Entfernung des zu
hochwertige Geräte enthalten.
fotografierenden Gegenstands messen und die Entfernung am Objektiv selbsttätig
Bildentstehung: Durch das Objektiv wird im allgemeinen in der Filmebene ein
einstellen.
verkleinertes, verkehrtes, reelles Bild von dem fotografierten Gegenstand erzeugt.
Zoom: Wie groß der zu fotografierende Gegenstand auf dem Film abgebildet wird,
Enthält der Fotoapparat in der Filmebene eine Mattscheibe, so kann man das
hängt außer von der Entfernung des Gegenstandes auch von der Brennweite des
verkehrte verkleinerte Bild sehen.
Objektivs ab. Man baut daher Kameras mit Wechselobjektiven von verschiedener
Brennweite. Da das Wechseln der Objektive aber umständlich ist, hat man auch
Gegenstand
Bild
Objektiv
Objektive mit veränderlicher Brennweite konstruiert, die Zoomobjektive genannt
Gegenstand befindet sich außerhalb der doppelten Brennweite des
werden.
Objektivs (es handelt sich hier um den allgemeinen Fall)
Helligkeit – Blendeneinstellung: Eine Blende (Irisblende) begrenzt die Öffnung
Das durch das Objektiv erzeugte Bild ist verkleinert, reell und
des Objektivs und dient zur Einstellung der Bildhelligkeit.
umgekehrt
Die Blendenöffnung wird durch die Blendenzahl angegeben
1,4
Strahlengang im Fotoapparat:
2
2,8
4
5,6
8
große Öffnung
11
16
22
kleine Öffnung
HELLE Gegenstände: kleine Blendenöffnung
DUNKLE GEGENSTÄNDE: große Blendenöffnung
Die Belichtungszeit: Die Belichtungszeit wird durch den Verschluss bestimmt und
kann z.B. zwischen einer und einer tausendstel Sekunde betragen.
Belichtungszeit und Blendenöffnung: Die einfallende Lichtmenge kann durch eine
kürzere Belichtungszeit oder durch eine kleinere Blendenöffnung verringert
21
werden. Bei einer Verdoppelung des Blendendurchmessers wächst die Öffnung auf
das Vierfache, es kann daher auch die vierfache Lichtmenge einfallen. Die
erforderliche Lichtmenge reduziert sich daher auf den vierten Teil.
Die Verschlusszeiten und Blendenöffnungen sind so abgestimmt, dass mehrere
Kombinationen die gleiche Lichtmenge einlassen.. Gleiche Lichtmengen ergeben
zum Beispiel:
Blende
11
Belichtungszeit in 1/30
8
5,6
1/60
1/125
Sekunden
Schnell bewegte Gegenstände erfordern kurze Belichtungszeiten (z.B. schnell
fahrendes Motorrad oder Hubschrauber, dessen Rotorblätter stehend abgebildet
werden sollen), da das Bild sonst verschwommen ist. Unbewegte Gegenstände
(Bauwerke, Landschaften) können auch mit kleinen Blendenöffnungen fotografiert
werden – die Belichtungszeit kann hier also etwas länger gewählt werden.
Tiefenschärfe: Wird bei einer Aufnahme auf einen bestimmten Gegenstand scharf
eingestellt, so sind auf dem Bild auch Gegenstände, die sich etwas weiter vorn oder
etwas weiter hinten befinden, noch scharf abgebildet.
Unter der Tiefenschärfe versteht man nun die Tiefe des Raumes vor und hinter der
Gegenstandebene, die noch scharf abgebildet wird. Interessant ist nun, dass bei
kleiner Blendenöffnung die Tiefenschärfe zunimmt, während sie bei großer
Blendenöffnung abnimmt. Die Tiefenschärfe nimmt also durch Abblenden zu.
Die folgende Abbildung zeigt zwei Aufnahmen, die linke mit kleiner
Blendenöffnung und die rechte mit großer Blendenöffnung. Weiters ist noch die
Wirkung der Blende im Strahlengang gezeigt.
22
Praktische Versuche:
Bei der Entwicklung des Films bildet sich an den vorher belichteten Stellen ein
Bei der Besprechung des Fotoapparates wäre es von Vorteil, wenn man seine
schwarzer Niederschlag aus Silber (pulverisiertes Silber ist schwarz), der um so
Wirkungs- und Funktionsweise direkt an einem Apparat bespricht. Vielleicht ist es
undurchsichtiger ist, je stärker diese Stellen belichtet wurden. Es entsteht ein
möglich (wenn man selber begeisterter Fotograf ist), dass man verschiedene
sogenanntes Negativ, d.h. die hellen Stellen des aufgenommenen Gegenstandes sind
Objektive in den Unterricht mitnimmt und die jeweilige Verwendung dieser
als dunkle Stellen sichtbar, die dunklen als helle.
bespricht.
Das nicht belichtete Silberbromid bleibt unverändert und wird in einem Fixierbad
Der Versuch, welcher im folgenden angeführt ist (nach der Beschreibung von
aus dem Film herausgelöst, um eine weitere Belichtung zu vermeiden.
Eydman-Kiel), sollte meiner Ansicht nach den Schülern gezeigt werden, da er
Kopieren – Herstellen von Positivbildern:
sowohl die Bildentstehung als auch die Blendenwirkung bei der Fotokamera sehr
Durch ein zweites Verfahren, das Kopieren, erhält man erst das richtige positive
gut zeigt.
Bild. Dabei wird das Negativ auf ein lichtempfindliches Papier gelegt, belichtet und
dann wieder entwickelt.
Vom Entstehen eines Fotos:
Wenn man einen Raum, der als Dunkelkammer verwendet werden kann, zur
Verfügung hat, ist es möglich, dass man zusammen mit den Schülern SchwarzWeiss-Fotos macht (z.B. mit Hilfe einer Lochkamera – das Objektiv ist hier das
kleine Loch) und diese dann auch entwickelt. Damit aber der ganze Vorgang rund
ums Belichten und Entwickeln nicht irgend etwas Geheimnisvolles bleibt, ist es
wichtig, kurz auf den Chemismus der Foto- und Entwicklungsreaktionen
einzugehen.
Von der Aufnahme zum Negativfilm:
Die Herstellung fotografischer Schwarz-Weiss-Bilder und Filme beruht auf der
chemischen Wirkung des Lichtes. Silberbromid (AgBr) befindet sich, in Körnchen
verteilt und in Gelatine eingebettet, als lichtempfindliche Schicht auf Filmen und
Fotoplatten. Bei Belichtung wird das Silberbromid chemisch zersetzt. Es zerfällt in
elementares Silber und Brom.
23
24
,
II.4. Optische Geräte (Projektionsapparate), die
Bilder von Gegenständen auf Vorlagen (Dias,
Filme, Folien, Fotos) auf einer Leinwand
vergrößert abbilden.
Projektionsapparate-Filmvorführgeräte
Projektionsapparate sind im allgemeinen den Schülern gut bekannt. In den Schulen
sind Overheadprojektoren ständig im Einsatz und in vielen Familien gibt es
Diaprojektoren. Weniger bekannt und heute nicht mehr oft verwendet ist das
Episkop. Filmvorführgeräte kommen manchmal noch im Unterricht zum Einsatz,
nämlich dann, wenn „alte Filme“ gezeigt werden.
Projektionsapparate und Filmvorführgeräte arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Sie
stellen von einem kleinen Bild ein reelles, vergrößertes Bild auf einem Bildschirm
her, das dann von mehreren Personen betrachtet werden kann.
Projektionsapparate benötigen für die Bilderzeugung ein verstellbares Objektiv
In Projektoren passiert also nichts anderes, als das ein Gegenstand, der sich
(Sammellinse) und eine helle Lichtquelle. Ein Hohlspiegel bei der Lampe und ein
zwischen der einfachen und der doppelten Brennweite einer Sammellinse (Objektiv)
Linsensystem
befindet, durch diese abgebildet wird. Der gezeichnete Strahlengang verdeutlicht
Gegenstand auf Dia, Film, Folie oder Foto dienen zur Lichtverstärkung und zur
dies.
besseren Ausleuchtung des Bildes.
Objektiv
Gegenstand
Gegenstand befindet sich zwischen der einfachen und der doppelten
Brennweite des Objektivs
Bild
Das durch das Objektiv erzeugte Bild ist vergrößert, reell und
umgekehrt.
(Kondensor
genannt)
zwischen
Lampe
und
abzubildendem
25
II.4.1. Der Diaprojektor
II.4.3. Der Overheadprojektor
Die Abbildung zeigt den Strahlengang im Diaprojektor
Die Abbildung zeigt den Strahlengang im Overheadprojektor und die als Kondensor
wirkende Fresnellinse (mit so einer Linse kann man einige „Gaukeleien“
durchführen – so werden beim Durchschauen durch die Fresnellinse aus
Schüleraugen plötzlich Monsteraugen, usw.)
II.4.2. Das Episkop
Die
Abbildung
zeigt
den
Strahlengang
eines
Projektionsapparates für undurchsichtige Bildvorlagen.
Episkops,
also
eines
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II.4.4. Der Filmprojektor
II.4.5. Praktische Versuche zu den Projektionsapparaten (nach
Filmprojektoren arbeiten ähnlich wie Diaprojektoren, nur haben sie eine zusätzliche
Eydam – Kiel)
Einrichtung, mit der der Filmstreifen ruckweise in den Strahlengang gebracht wird.
Im folgenden finden sich einige praktische Versuchsanleitungen (mit einigen
Die in kurzer Folge entstehenden Einzelbilder (bei Kinoapparaten sind es 24 Bilder
weiteren interessanten und ergänzenden Bemerkungen) zu den
in der Sekunde) kann das Auge nicht mehr getrennt wahrnehmen. Sie verschmelzen
Projektionsapparaten.
zu einer kontinuierlichen Bildfolge.
27
28
IV. Literaturverzeichnis
•
L.Bergmann und C.Schaefer,, Lehrbuch der Experimentalphysik (mehrere
Bände), Band 3 (Optik), Verlag Walter de Gryter.
•
Sexl, Raab, Streeruwitz, Physik-Lehrbuch für die sechste und siebte
Klasse, Salzer-Ueberreiter Verlag Wien, 1983.
•
Tipler, A.Paul, Physik, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg-BerlinOxford, 19913.
III. Lernziele (entsprechend Lehrplan)
•
Lewisch, Ingrid, Physik in Alltag und Technik – Lehrbuch der Physik für
die 4.Klasse Hauptschule und AHS, Westermann, Wien, 1989.
Im Prinzip könnte man in diesem Abschnitt nochmals die letzten 27 Seiten
•
Schüler-DUDEN, Physik, Dudenverlag, Mannheim,Wien, Zürich, 1989.
wiederholen, um die Lernziele zu definieren. Ich hoffe, dass klar und deutlich
•
Versuchsanleitungen nach Eydam-Kiel
wurde,
•
was man unter dem Sehwinkel versteht und wie sich dieser auf die
Größenwahrnehmung eines Bildes auswirkt
•
was man unter dem Nahpunkt versteht
•
wie die einzelnen optischen Geräte funktionieren, d.h. wo ihr großer
Nutzen liegt [Sehwinkelvergrößerung, Helligkeitssteigerung, Festhalten
von Bildern (Kamera), Projektion von Bildern]
•
wie der Strahlengang der einzelnen optischen Geräten aussieht
(vergrößerte-verkleinerte, reelle-virtuelle, umgekehrte-aufrechte Abbildung
von Gegenständen).
Man könnte diese Liste beliebig fortsetzen, doch irgendwo muss auch einmal ein
Schlusspunkt gesetzt sein.