Optische Geräte

Physikalisches
Schulversuchspraktikum I
Optische Geräte
(Unterstufe)
marlene hack (9955515/412)
Abgabedatum: 5. 12. 2002
Inhaltsverzeichnis
Lerninhalt: ...........................................................3
In welcher Klasse?...............................................3
Vorkenntnisse........................................................................................................................3
Lernziele ..............................................................3
Theoretische Grundlagen .....................................3
Zusatzinformationen ..........................................................................................................9
Versuche............................................................13
Die Lupe ..................................................................................................................................13
Diaskop....................................................................................................................................14
Der Photoapparat – Schärfentiefe, Blendenzahl................................................15
Der Photoapparat - Entfernungsmessung.............................................................16
Filmprojektor – optische Nachwirkung ..................................................................18
Astronomisches Fernrohr...............................................................................................19
Quellenverzeichnis.............................................20
Abbildungsnachweis ..........................................20
2
Lerninhalt:
Funktionsweise optischer Geräte (Lupe, Mikroskop, Projektionsapparate,
Photoapparat, verschiedene Fernrohre)
In welcher Klasse?
4. Klasse
Vorkenntnisse:
Licht und Schatten, Reflexion am ebenen und gekrümmten Spiegel,
Lichtbrechung, Totalreflexion
Lernziele:

Verstehen der Bildentstehung in optischen Geräten
Theoretische Grundlagen:
Optische Prismen:
Viele optische Geräte enthalten optische Prismen. Sie lenken die
Lichtstrahlen durch Totalreflexion in eine andere Richtung. Man verwendet
optische Prismen als hochwertige Spiegel, wobei die Lichtstrahlen so
einfallen müssen, dass keine Brechung eintritt, da Lichtbrechung
Qualitätsverlust bedeutet.
Das Prisma in der Spiegelreflexkamera lenkt das Bild um, da es sonst für
den Betrachter kopfstehend und seitenverkehrt wäre:
Abbildung 1
3
Optische Linsen:
Optische Linsen sind gläserne Körper, die von zwei Teilen einer
Kugeloberfläche begrenzt werden oder von einem Teil und einer ebenen
Fläche.
Man unterscheidet zwischen Sammel- und Zerstreuungslinsen:
Sammellinsen:
Parallel zur optischen Achse einfallendes Licht wird so gebrochen, dass
sich die Lichtstrahlen in einem Punkt (-> Brennpunkt) vereinigen. Der
Abstand zwischen dem Linsenmittelpunkt und dem Brennpunkt heißt
Brennweite. Je stärker die Linsenflächen gekrümmt sind, desto kleiner ist
die Brennweite einer Sammellinse.
Es ergibt sich ein vergrößertes, virtuelles Bild, wenn der Abstand des
betrachteten Gegenstandes zur Linse (Gegenstandsweite) kleiner als die
Brennweite ist.
Die Sammellinse wirkt hier als Lupe.
Es entsteht kein Bild, wenn die Gegenstandsweite gleich groß ist wie die
Brennweite.
Ist die Gegenstandsweite größer als die Brennweite, so entstehen reale
Bilder.
Abbildung 2
Das Objektiv bei allen Kameras und Projektoren hat die Wirkung einer
Sammellinse und entwirft ein reales Bild.
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Zerstreuungslinsen:
Parallel zur optischen Achse einfallende Lichtstrahlen werden so
gebrochen, als kämen sie von einem vor der Linse liegenden Brennpunkt
(Z1).
Bei der Zerstreuungslinse entstehen nur scheinbare und verkleinerte
Bilder. Je größer die Gegenstandsweite ist, desto kleiner ist das Bild.
Abbildung 3
Bildkonstruktion:
Man benutzt mindestens 2 der 3 Hauptstrahlen:
 der Parallelstrahl (1) wird zum Brennpunktsstrahl
 der Brennpunktstrahl (2) wird zum Parallelstrahl
 der Mittelpunktsstrahl (3) geht ohne Richtungsänderung durch die
Linse
Abbildung 4
F
f
g
b
G
B
Brennpunkt
Brennweite
Gegenstandsweite
Bildweite
Gegenstandsgröße
Bildgröße
5
Das Auge:
Alle durchsichtigen Teile des Auges wirken zusammen wie eine einzige
Sammellinse und ergeben ein stark verkleinertes, verkehrtes, wirkliches
Bild auf der Netzhaut. Durch die Sehzellen wird dieses Bild zu
Informationen für das Gehirn verarbeitet. Mit Hilfe des Ziliarmuskels, der
die Linse umgibt, kann das Auge die Schärfe auf verschiedenen
Entfernungen einstellen.
Abbildung 5
Aufgrund von Kurz- oder Weitsichtigkeit müssen viele Menschen eine Brille
tragen:
Kurzsichtigkeit
Weitsichtigkeit
Abbildung 6
Der Photoapparat:
Die wichtigsten Bauteile eines Photoapparates:
 lichtdichtes Gehäuse
 Objektiv mit verstellbarer Blende zur Regelung der
Beleuchtungsstärke
 der Verschluss zur Regelung der Belichtungszeit
 Mechanismus zum Scharfstellen des Bildes
 die Filmbühne
 Mechanismus zum Filmtransport (meistens Elektromotor)
 der Sucher
Zum Einstellen der verschiedenen Entfernungen beim Photoapparat muss
das Objektiv entlang seiner Längsachse verschoben werden.
6
Abbildung 7
Projektoren:
Diaprojektor:
Beim Diaprojektor muss man die Diapositive auf dem Kopf stehend in den
Projektor schieben. Im Inneren befinden sich hinter einer Lampe ein
Sammelspiegel und davor meistens zwei dicke Linsen, die das Licht auf
das Objektiv fokussieren, wodurch das Bild an der Wand sehr hell wird.
Abbildung 8
Overheadprojektor:
Der Overheadprojektor ist ein besonders lichtstarker Projektor für große
Diapositive (-> Overheadfolien).
Filmprojektor:
Der Filmprojektor ist dem Diaprojektor sehr ähnlich. Er besitzt allerdings
zusätzlich ein von einem Elektromotor angetriebenes Transport- und
Verschlusssystem, womit 18 oder 24 Standbilder pro Sekunde auf die
Leinwand projiziert werden können.
Lupe, Mikroskop und Fernrohr:
Jede Sammellinse wirkt als Lupe, wenn sich der Gegenstand innerhalb der
Brennweite befindet. Das Auge sieht ein scheinbares, aufrechtes und
vergrößertes Bild des Gegenstandes.
7
Wenn die Vergrößerung einer Lupe nicht mehr ausreicht, verwendet man
ein Mikroskop. Es besteht aus einem Objektiv, einer Sammellinse mit
einer kleinen Brennweite, und dem Okular, einer Sammellinse mit einer
großen Brennweite. Das Objektiv entwirft vom Gegenstand ein
vergrößertes, wirkliches, verkehrtes Zwischenbild, das vom Okular (->
wirkt als Lupe) vergrößert wird.
Abbildung 9
Das astronomische Fernrohr besteht aus einem Objektiv, eine
Sammellinse mit großer Brennweite, und einem Okular, eine Sammellinse
mit kleiner Brennweite. Das Objektiv entwirft vom Gegenstand ein
verkleinertes, wirkliches, verkehrtes Zwischenbild, das wieder vom Okular
vergrößert wird. Um ein aufrechtes Bild zu erhalten, muss eine
bildumkehrende Vorrichtung (Linse, Prisma) eingebaut werden.
Abbildung 10
8
Zusatzinformationen
Photochemie – von der Aufnahme zum Bild:
Grundlage der Photographie sind die lichtempfindlichen Eigenschaften von
Silberhalogeniden, chemischen Verbindungen aus Silber und Halogenen
(Brom, Chlor oder Iod). Ein Film besteht aus feinen
Silberhalogenidkörnern in einem Schutzkolloid (Gelatine) auf einer
transparenten Trägerschicht aus Celluloseacetat oder Polyester. Bei der
Belichtung eines Filmes gehen die Silberhalogenide chemische Reaktionen
ein und bilden ein so genanntes latentes Bild. Wenn man nun den Film
entwickelt wird das latente Bild sichtbar und beständig.
Die Entwicklung des latenten Bildes erfolgt mit Hilfe einer alkalischen
Lösung (dem Entwickler). Die organischen Bestandteile dieser Lösung
reagieren mit den durch die Belichtung dazu befähigten
Silberhalogenidkristallen. Dieser Reduktionsvorgang wandelt die
Silberverbindungen in metallisches Silber (die spätere Schwärzung des
Negativs) zurück.
Die Dichte der Silberpartikel hängt nun von der Lichtmenge ab, die
während der Belichtung auf die einzelnen Filmbereiche gelangt sind. Um
dieses Bild zu fixieren, wird der Film in ein schwach saures
Neutralisierungsbad (-> meistens Natriumthiosulfat oder
Ammoniumthiosulfat) getaucht. Silberhalogenidreste werden dabei
weggespült und verbleibende metallische Silberpartikel stabilisiert. Danach
muss der Film mit Wasser abgespült werden und schließlich in ein
Reinigungsbad getaucht werden, um Wasserflecken zu verhindern.
Diese Abbildung wird nun als Negativ bezeichnet, da in ihr dunkle Stellen
des Ursprungsmotivs hell, helle aber dunkel wiedergegeben werden. Bei
Farbnegativen sind die Farben komplementär wiedergegeben.
In einem zweiten Entwicklungsprozess, bei dem die photographische
Abbildung entsteht, werden die Farben erneut umgekehrt (NegativPositiv-Verfahren):
Das Negativ wird auf Photopapier gelegt und das Photopapier dann
belichtet. Bei Vergrößerungen muss das Negativ zunächst in einen
Projektionsapparat eingespannt und von einer Lichtquelle durchleuchtet
werden. Ein Vergrößerungsobjektiv projiziert das so entstandene Bild auf
eine mit lichtempfindlichem Photopapier bestückte Grundfläche.
Je dunkler eine Partie des Negativs ist, desto weniger Licht dringt auf das
Papier.
Nach der Belichtung wird das Photopapier einem Entwicklungsverfahren
ausgesetzt, das dem des Filmes sehr ähnlich ist.
Das Photopapier für Farbdia- und Farbnegativabzüge besteht aus
mehreren Emulsionsschichten, denen chemische Farbkuppler beigegeben
sind. Dabei handelt es sich um Substanzen, die, selbst farblos, beim
Entwicklungsprozess gemeinsam mit den Produkten der Oxidation für die
Farbentwicklung der Schichten verantwortlich sind.
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Filmempfindlichkeit:
Von der Filmempfindlichkeit hängt die Belichtungszeit für eine Aufnahme
unter bestimmten Lichtverhältnissen ab. Die Lichtempfindlichkeit eines
Films wird in genormten Werten angegeben, die von der International
Standards Organization (ISO) festgelegt wurden. Daneben existiert auch
noch die Deutsche Industrie Norm (DIN). Das ISO-System ging aus der
Verbindung der DIN- und der ASA-Maßangabe hervor. Hat ein Film ISO
100/21°, so entspricht dies 100 ASA bzw. 21 DIN.
Lichtunempfindlichere Filme haben im Allgemeinen Werte zwischen ISO
25/15° und ISO 100/21°. Filme mit Werten über ISO 200/24° werden als
hochempfindlich bezeichnet. Es gibt bereits Filme mit ISO-Werten über
400/27°.
Lichtempfindlichere Filme sind in der Regel grobkörniger als weniger
empfindliche, was bei starker Vergrößerung ihre Schärfe beeinträchtigt.
Mit weniger lichtempfindlichen Filmen kann man meist eine höhere
Auflösung erzielen.
Belichtungsumfang:
Jeder Film verfügt über einen Belichtungsumfang. Das ist jener Bereich,
innerhalb dessen er Grauwerte bzw. Farbabstufungen wirklichkeitsgetreu
wiedergeben kann.
Bei Überbelichtung wird das Negativ zu dunkel, was beim
photographischen Abzug zu Kontrastverlusten und einer erhöhten
Körnigkeit führt. Bei Unterbelichtung entstehen zu helle Negative.
Je größer der Belichtungsumfang eines Filmes ist, desto höher ist die
Wahrscheinlichkeit, mit ihm trotz Über- oder Unterbelichtung ein
zufriedenstellendes Ergebnis zu erzielen.
Blende, Belichtungszeit, Tiefenschärfe:
Die Blende und der Verschluss regulieren den Lichteinfall. Variable
Blenden bestehen aus Metall- oder Kunststofflamellen, die eine
verstellbare, kreisförmige Öffnung gewähren. Den verschiedenen
Blendengrößen entsprechen Blendenzahlen, die auf der Kamera oder dem
Objektiv angegeben sind. Kleine Blendenzahlen bezeichnen eine große
Blendenöffnung, große Blendenzahlen eine kleine.
Blendenzahl = f/d
(f…Objektivbrennweite, d…Durchmesser der Blendenöffnung)
Der Verschluss im Strahlengang der Kamera regelt durch Öffnen und
Schließen die Belichtungszeit. Die meisten modernen Kameras verfügen
über einen Schlitzverschluss oder eine Irisblende.
Bei der Irisblende springen die ineinandergreifenden Lamellen zum
Zeitpunkt der Belichtung auf, öffnen sich dem eingestellten Blendenwert
entsprechend und schließen sich wieder. Der Schlitzverschluss besteht aus
10
zwei sich überlappenden, beweglichen Vorhängen, die einen
veränderlichen Schlitz oder ein Fenster bilden. Mittels einer Feder bewegt
sich das schlitzartige Fenster nach Betätigen des Auslösers über den Film
und belichtet ihn dabei. Je enger der Schlitz ist, umso geringer ist die
Belichtungszeit.
Kürzere Verschlusszeiten (und damit größere Blendenöffnungen) werden
gewählt, um Motive in Bewegung festzuhalten.
Durch eine kleine Blendenöffnung (-> längere Verschlusszeit) kann die so
genannte Tiefenschärfe vergrößert werden. Die Tiefenschärfe bezeichnet
jenen räumlichen Bereich, innerhalb dessen die auf einer Photographie
festgehaltenen Objekte scharf wiedergegeben werden. Bei Photographien
mit großer Tiefenschärfe etwa sind sowohl die nahen als auch die
entfernten Gegenstände detailgenau zu erkennen.
Vergrößerung von optischen Geräten:
Lupe:
Abbildung 11
Im ersten Bild wird ein Gegenstand ohne Lupe betrachtet, s0 wird dabei
als deutliche Sehweite bezeichnet, ε0 als Sehwinkel.
Im zweiten Bild wird der Gegenstand mit der Lupe betrachtet, wobei f die
Brennweite der Sammellinse ist und ε der Sehwinkel mit Lupe.
Vergrößerung vL = ε/ε0 = s0/f
Mikroskop:
s0
f Ob f Ok
t…Tubuslänge -> Abstand zwischen zweiten Brennpunkts des Objektivs
und erstem des Okulars
s0…deutliche Sehweite
fOk…Brennweite des Okulars
fOb…Brennweite des Objektivs
Vergrößerung vM = 
t
Teleskop:
f Ob
f Ok
fOk…Brennweite des Okulars
fOb…Brennweite des Objektivs
Vergrößerung vT = 
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Die größten Teleskope der Welt:
Das zurzeit größte Spiegelteleskop der Welt ist das Keck-Teleskop mit
einem Spiegeldurchmesser von 982 Zentimetern. Es befindet sich im
Mauna-Kea-Observatorium auf Hawaii. Das Hobby-Eberly-Teleskop (HET)
des McDonalds Observatoriums (Texas) besitzt zwar einen
Gesamtdurchmesser von 1 100 Zentimetern, es werden aber nur 900
Zentimeter genutzt. Das HET verfügt über 91 Einzelspiegel, die
wabenartig angeordnet sind.
Die Europäische Südsternwarte ESO nahm am 25. Mai 1998 in Cerro
Paranal (Chile) das erste seiner vier geplanten VLT-Teleskope (VLT: Very
Large Telescope) in Betrieb. Es verfügt über einen Sammelspiegel von 820
Zentimeter Durchmesser.
Mit einem Spiegeldurchmesser von 982 Zentimetern ist das Keck-Teleskop
auf dem 4 205 Meter hohen Mauna Kea auf Hawaii das größte optische
astronomische Fernrohr der Welt.
Spiegelteleskope mit mehr als 250 Zentimeter Durchmesser:
das 610-Zentimeter-Teleskop im Astrophysikalischen Observatorium bei
Selintschukskaja in Russland, das 508-Zentimeter-Teleskop im PalomarObservatorium in Kalifornien, das 420-Zentimeter-Teleskop am
Observatorium am Roque de los Muchachos in Las Palmas auf den
Kanarischen Inseln, das 400-Zentimeter-Teleskop am Cerro-Tololo-InterAmerican-Observatorium bei La Serena in Chile, das 390-ZentimeterTeleskop am Englisch-Australischen Observatorium bei Coonabarabran in
Australien, das 380-Zentimeter-Teleskop am Kitt-PeakNationalobservatorium bei Tucson in Arizona und das 380-ZentimeterTeleskop am Mauna Kea, das 254-Zentimeter-Hooker-Teleskop am MountWilson-Observatorium in Pasadena (Kalifornien).
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Versuche:
Die Lupe
Verwendete Materialien:
Schiene 1000 mm, Richtleuchte, Kondensor, Mattglasscheibe, Diapositiv,
Plattenhalter, Linse +200 mm, Halter für Rundeinsatz, 3 Stativreiter,
Netzanschlussgerät
Versuchsaufbau:
Die Richtleuchte mit Kondensor beleuchtet eine Mattglasscheibe mit
Diapositiv.
Versuchsdurchführung:
Zuerst wird das Diapositiv direkt betrachtet und anschließend durch die
Sammellinse in 20 cm Entfernung vor dem Diapositiv.
Versuchsergebnis:
Mit Lupe erscheint die Darstellung des Diapositivs größer als ohne.
Vergrößerung vL = s0/f
s0…deutliche Sehweite
f…Brennweite der Sammellinse
Zeit:
ungefähr 5 Minuten
13
Diaskop
Verwendete Materialien:
Stahlschiene, 4 Stativreiter, Experimentierleuchte, Einfachkondensor +10
cm, Linse +15 cm, Scheibenhalter, Diapositiv, Linsenhalter, Linse +10 cm,
Transparentschirm
Versuchsaufbau:
Versuchsdurchführung:
Man wählt den Abstand zwischen dem Kondensor und dem Scheibenhalter
so, dass das Diapositiv gut ausgeleuchtet ist, und den Abstand zwischen
Scheibenhalter und Projektionsobjektiv so, dass das Diapositiv auf dem
Transparentschirm scharf abgebildet wird.
Versuchsergebnis:
Das Diapositiv wird vom Objektiv vergrößert abgebildet.
Durch den Kondensor kann das Licht der Lichtquelle besser ausgenützt
werden. Er macht das Licht der Glühlampe, das divergent auf das
Diapositiv fällt, konvergent.
Zeit:
ungefähr 10 Minuten
Tipp:
Eine optimale Lichtausbeute erzielt man dann, wenn der Kondensor die
Glühwendel auf der Objektivlinse abbildet.
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Der Photoapparat – Schärfentiefe, Blendenzahl
Verwendete Materialien:
Schiene, Prismentisch, 2 kleine Kerzen, Linse +300 mm, Irisblende, 2
Halter für Rundeinsatz, Stativreiter, weißer Schirm, Aufbaureiter
Versuchsaufbau:
Versuchsdurchführung:
Man versucht die beiden Kerzen auf dem Schirm scharf abzubilden. Wenn
die größtmögliche Schärfe für beide Kerzen gleichzeitig erreicht ist, wird
die geöffnete Irisblende hinter die Linse gestellt und die Blende langsam
verkleinert.
Versuchsergebnis:
Es lassen sich nicht beide Kerzen gleichzeitig ganz scharf auf dem Schirm
abbilden. Bildet die Linse beide Kerzen möglichst scharf ab, dann sind
beide etwas unscharf (-> Zerstreuungskreise). Diese Zerstreuungskreise
werden durch Verkleinerung der Blendenöffnung kleiner, so dass die Linse
nun die Kerzen in der Länge der Zone A bis B scharf abbildet. Die Länge
dieses Bereichs wird Schärfentiefe genannt.
Je größer die Blendenzahl (= Objektivbrennweite/Blendendurchmesser),
desto größer ist die Schärfentiefe.
Zeit:
ungefähr 10 Minuten
15
Der Photoapparat - Entfernungsmessung
Verwendete Materialien:
2 Schienen, Linse +500 mm, Linse +200 mm, Linse +150 mm, Linse
+100 mm, Irisblende, 5 Halter für Rundeinsatz, Planspiegel, Grünfilter,
Plattenhalter, 7 Stativreiter
Versuchsaufbau:
16
Der Grünfilter wird als Strahlteiler so auf die Schiene gesetzt, dass er mit
beiden ’Schienenachsen’ einen Winkel von 45° bildet. Der Planspiegel ist
das eigentliche Messorgan.
Versuchsergebnis:
Durch Drehung des Planspiegels lassen sich im Okular (Linse +100 mm)
beide Objektbilder zur Deckung bringen.
Die Drehung des Planspiegels lässt sich in Metern der Entfernung eichen.
Bei unendlich großem Abstand g des Gegenstandes schließt sein Einfallslot
mit der kürzeren Achse (Schiene) den Winkel α = 45° ein. Bei kleiner
Entfernung ist α kleiner als 45°.
Die Entfernung kann man aus der Basis b und α berechnen:
g/b = tan(90°) – 2. α
g = b.tan(2. α )
Zeit:
Ungefähr 10 Minuten
17
Filmprojektor – optische Nachwirkung
Verwendete Materialien:
Taschenlampe
Versuchsdurchführung:
Eine Lampe wird zuerst langsam und dann immer schneller im Kreis
bewegt.
Versuchsergebnis:
Bei langsamer Bewegung der Lampe erscheint das Licht als sich im Kreis
bewegender Lichtfleck. Bewegt man die Lampe schneller, erscheint das
Licht als leuchtender Kreis.
Lichteindrücke werden vom Auge ungefähr 0,1 Sekunden lang
festgehalten (-> optische Nachwirkung).
Die Einzelbilder eines Films werden in weniger als 0,1 Sekunden
Zeitabstand auf eine Leinwand projiziert. Sie verschmelzen im Auge und
ergeben eine kontinuierliche Bewegung.
Zeit:
ungefähr eine Minute
18
Astronomisches Fernrohr
Verwendete Materialien:
Schiene, Linse +500 mm, Linse +200 mm, Blende, 3 Stativreiter
Versuchsaufbau:
Der Abstand zwischen dem Objektiv und Okular soll gleich der Summe der
beiden Brennweiten der Linsen sein. Die Blende wird in die
Brennpunktsebene des Objektivs gestellt.
Versuchsergebnis:
f Ob
f Ok
fOk…Brennweite des Okulars
fOb…Brennweite des Objektivs
Vergrößerung vT = 
In unserem Fall wäre die Vergrößerung gleich vT = 
f Ob
= 2,5.
f Ok
Zeit:
ungefähr 5 Minuten
19
Quellenverzeichnis:
Theoretische Grundlagen S. 3 - 12:
Physik heute4 (Fürnstahl, Wolfbauer, Becker, Obendrauf) S. 88 94
Taschenbuch der Physik (Kuchling) S. 361
Physik (Tipler) S. 1089, 1093
Microsoft Encarta Professional 2002
Versuche S. 13 - 19:
Physik 2 Optik Eydam Kiel
Abbildungsnachweis:
Abbildungen 1 – 3, 6 – 8, 10:
Physik heute 4 (Fürnstahl, Wolfbauer, Becker, Obendrauf) S. 88 94
Abbildung 4:
Taschenbuch der Physik (Kuchling) S. 361
Abbildungen 5, 11:
Physik (Tipler) S. 1089, 1093
Abbildungen 9, S. 12:
Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen S. 13, 14, 15, 16, 17:
Physik 2 Optik Eydam Kiel
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