OPTISCHE GERÄTE
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1 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. 19 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. 24 II.4.1. Der Diaprojektor 25 II.4.2. Das Episkop 25 II.4.3. Der Overheadprojektor 25 II.4.4. Der Filmprojektor 26 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 4 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 5 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) 7 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 9 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. 10 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. 13 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. 14 15 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. 16 17 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 26 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.
