Physikalisches Schulversuchspraktikum: Optische Geräte

Physikalisches
Schulversuchspraktikum:
Optische Geräte
6. Klasse
28. 11. 2002
Gerhild Gabath
9802524
Abgabetermin: 5. 12. 2002
INHALTSVERZEICHNIS
1) Unterrichteter Stoff
2) Vorwissen
3) Lernziele
4) Lerninhalt des Themas
5) Versuche
6) Quellenverzeichnis
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1) Unterrichteter Stoff
Dieses Kapitel wird in der vierten Klasse (achte Schulstufe) des Realgymnasiums
durchgenommen, in der Oberstufe kann es als Ergänzungsstoff in der sechsten Klasse (zehnte
Schulstufe) im Rahmen des Kapitels Optik gemacht werden.
Ziel ist es, den Schülern konkrete Anwendungen ihrer Kenntnisse aus der Optik
näherzubringen. Die Strahlengänge durch Sammellinse bzw. Zerstreuungslinse sind bereits
bekannt, nun erfolgt ihre Veranschaulichung an diversen optischen Geräten.
Zu Beginn wird die Wirkung einer Sammellinse als Lupe untersucht.
Lupe:
Grundsätzlich ist zu bemerken, daß eine Sammellinse als Lupe wirkt, wenn der betrachtete
Gegenstand zwischen dem vorderen Brennpunkt und der Linse liegt. Das Auge befindet sich
knapp hinter der Linse. Eine Lupe entwirft ein vergrößertes, aufrechtes und virtuelles Bild.
Die Vergrößerung ist maximal, wenn sich der Gegenstand im Brennpunkt befindet, das Bild
befindet sich dann im Unendlichen.
Die Lupenvergrößerung VL erhält man aus dem Verhältnis von dem Sehwinkel mit der Lupe
zu dem Sehwinkel ohne Lupe:
VL =  ,
wobei  = G/f und  = G/so. G bezeichnet die Gegenstandsgröße, f die Brennweite und so
entspricht der deutlichen Sehweite (25 cm).
Sehwinkel:
Abbildung 1
Strahlengang einer Lupe:
Abbildung 2
Projektionsapparate:
Ein Projektor vergrößert ein reelles Bild oder Objekt und bildet es auf einen
Projektionsschirm ab. Je nachdem, ob das Objekt im Durchlicht oder im Auflicht beleuchtet
wird, unterscheidet man Diaprojektor und Episkop.
Das Objekt befindet sich zwischen der einfachen und der doppelten Brennweite des
Projektionsobjektivs. Dieses Objektiv bildet das Objekt in einer Bildebene ab. Das Bild ist
vergrößert, reell und umgekehrt. Da die Bildweite von der Gegenstandsweite abhängt, kann
der Abstand zwischen Objekt und Objektiv zur Scharfstellung verändert werden.
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Die Größe des Bildes auf dem Bildschirm wird durch den Abbildungsmaßstab angegeben, der
in etwa durch folgenden Zusammenhang gegeben ist:
Abbildungsmaßstab  Abstand Projektionsobjektiv – Bildschirm/ Brennweite der
Projektionslinse.
Abbildungsmaßstab:
Abbildung 3
Aufbau eines Diaprojektors:
Abbildung 4
Ein Hohlspiegel sammelt das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht und bildet die Lichtquelle
in sich selber ab, d.h. die Lichtquelle befindet sich im Krümmungsmittelpunkt des
Hohlspiegels.
Der Kondensor bildet die Lichtquelle im Projektionsobjektiv ab, wodurch das Objekt
gleichmäßig ausgeleuchtet wird. Ein Wärmefilter im Strahlengang schützt das Objekt vor
Schäden.
Neben Episkop und Diaskop gibt es noch den Filmprojektor und den Overheadprojektor.
Strahlengang in einem Projektor:
Abbildung 5
Photoapparat
Ein Photoapparat entwirft von einem Gegenstand ein verkleinertes, reelles Bild. Die erste
photographische Kamera konnte erst Mitte des 19. Jahrhunderts gebaut werden, da erst zu
diesem Zeitpunkt lichtempfindliche Schichten entwickelt worden sind, welche das Festhalten
eines Bildes ermöglichten.
Das Objektiv einer Kamera ist eine Sammellinse, das den Gegenstand in der Bildebene
abbildet, wo sich auch der Bildspeicher (Film, elektronisches Speicherelement) befindet. Der
Gegenstand liegt außerhalb der doppelten Brennweite des Objektivs. Das Bild entsteht auf der
dem Gegenstand abgewandten Seite des Objektivs zwischen einfacher und doppelter
Brennweite. Da die Bildweite von der Gegenstandsweite abhängt, kann man den Abstand
Objektiv – Bildspeicher verändern. Der Abbildungsmaßstab bestimmt die Größe des Bildes,
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er ist annähernd gleich dem Verhältnis von Bildweite zu Brennweite. Bei konstanter
Bildweite bestimmt die Brennweite des Objektivs den Abbildungsmaßstab.
Kleinbildkameras mit einer Objektivbrennweite von f = 50 mm entsprechen dem
Abbildungsmaßstab des Auges. Objektivlinsen mit f  50 mm heißen Teleobjektive, jene mit
f  50 mm werden als Weitwinkelobjektive bezeichnet.
Der Lichtstrom zum Bildspeicher wird vom Öffnungsverhältnis bestimmt:
Öffnungsverhältnis = D/f,
wobei D für die wirksame Öffnung des Objektivs steht und f die Brennweite des Objektivs
bezeichnet.
Jede Abstufung auf dem Blendenring der Kamera verdoppelt bzw. halbiert den Lichtstrom
zum Bildspeicher. Die vom Bildspeicher empfangene Lichtmenge ist gleich Lichtstrom x
Belichtungsdauer, welche am Kameraverschluß eingestellt wird.
Die Blendenzahl ist der Kehrwert des Öffnungsverhältnisses (f/D).
Strahlengang in einer Kamera:
Abbildung 6
Fernrohre
Ein Fernrohr ( = Teleskop) ist ein Instrument zur Beobachtung weit entfernter Gegenstände,
es vergrößert den Sehwinkel. Erfunden wurde es 1608 von Jan Lippershey.
Das Fernrohr besteht aus Objektiv und Okular. Das Objektiv ist dem Objekt zugewandt, es
hat eine große Brennweite und entwirft ein reelles, umgekehrtes und verkleinertes Bild vom
Gegenstand. Das Okular ist dem Auge zugewandt, es wirkt als Lupe.
Die Vergrößerung V ist
V = fob/fok ,
wobei fob die Objektivbrennweite und fok die Okularbrennweite ist.
Speziell bei astronomischen Fernrohren sind Lichtstärke, Öffnungsverhältnis und
Trennschärfe wichtig.
Lichtstärke = dob/V, wobei dob der Durchmesser des Objektivs ist.
Öffnungsverhältnis = dob/fob.
Trennschärfe und Auflösungsvermögen geben an, bis zu welchem Winkelabstand zwei nahe
beieinander stehende Sterne unter optimalen Beobachtungsbedingungen noch getrennt
erkannt werden.
Linsenfernrohre werden auch als Refraktoren bezeichnet, als Objektiv verwendet man eine
Linse mit großer Brennweite. Das Okular ist meist zusammengesetzt, um ein großes Bildfeld
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zu erzielen. Der Objektivdurchmesser und damit auch das Auflösungsvermögen sind durch
Materialeigenschaften von Glas begrenzt. Fehler werden durch Linsenkombinationen
korrigiert.
 Astronomisches Fernrohr (Keplersches Fernrohr):
Objektiv und Okular bestehen jeweils aus einer Sammellinse. Das Fernrohr erzeugt ein
virtuelles und umgekehrtes Bild, es wird in der Astronomie verwendet.
Strahlengang:
Abbildung 7
 Galileisches Fernrohr (Holländisches Fernrohr):
Bevor das Objektiv ein Bild entwerfen kann, steht im Strahlengang eine Zerstreuungslinse,
die als Okular dient. Es entsteht ein virtuelles, aufrechtes Bild. Die Baulänge dieser Art von
Teleskop ist kurz, jedoch ist das Gesichtsfeld klein, weshalb es heute auch nur noch als
Opernglas verwendet wird.
 Terrestrisches Fernrohr:
Hier dreht eine Zwischenlinse das vom Objektiv entworfene Bild um. Der Beobachter
betrachtet das Zwischenbild durch das Okular. Das Endbild ist virtuell und aufrecht. Dieses
Fernrohr ist enorm lang!
Strahlengang:
Abbildung 8
 Prismenfernrohr:
Dies ist ein Keplersches Fernrohr. Im Strahlengang befinden sich zwei Umkehrprismen, die
das Bild so drehen, daß es aufrecht und seitenrichtig erscheint. Ein Prisma vertauscht oben
und unten, das andere links und rechts.
Strahlengang:
Abbildung 9
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Spiegelfernrohre (Reflektoren) verwenden Hohlspiegel als Objektive. Isaac Newton erfand
dieses Instrument. Alle modernen astronomischen Fernrohre sind Reflektoren, es gibt viele
verschiedene Bauweisen.
Auflösungsvermögen:
Unter dem Auflösungsvermögen eines optischen Instrumentes versteht man den Kehrwert des
kleinsten Sehwinkels zweier eben noch getrennt wahrnehmbarer Objektpunkte.
Das photographische Auflösungsvermögen einer lichtempfindlichen Schicht beschreibt,
welche Details eben noch wiedergegeben werden. Es hängt ab von der Körnigkeit der Schicht,
vom Kontrast des Rasters und dem Entwicklungsprozeß.
Zu den größten astronomischen Teleskopen der Welt gehören folgende:



Keck und Keck II: Apertur 10 m, es befindet sich in Mauna Kea, Hawaii
Hobby – Eberly: Apertur 9,2m, Standort: Mt. Fowlkes, Texas
Subaru: Apertur 8,3 m, Standort: Mauna Kea, Hawaii
Die Apertur ist ein Maß für das Auflösungsvermögen und die Bildhelligkeit eines optischen
Systems.
Abbildung des Zentrums unserer Galaxie, Distanz:
24 000 Lichtjahre. Aufgenommen vom Teleskop Keck II.
2) Vorwissen
Grundlegende Kenntnisse bezüglich geometrischer Optik sind nötig, so muß etwa der
Strahlengang durch Sammellinse und Zerstreuungslinse sowie durch ein Prisma bekannt sein,
Reflexions- – und Brechungsgesetz werden dazu benötigt.
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Konstruktion des Strahlenganges:
Abbildung 10
Strahlengang durch Sammel- und Zerstreuungslinse:
Abbildung 11
Abbildung 12
Auch das Vergrößerungsverhältnis einer Sammellinse, das sich aus dem Verhältnis von
Bildgröße zu Gegenstandsgröße bzw. von Bildweite zu Gegenstandsweite zusammensetzt.
Diese Begriffe werden als bekannt vorausgesetzt. Ebenso erweist es sich als nützlich, die
Linsengleichung zu beherrschen:
1/g + 1/b = 1/f,
wobei g für die Gegenstandsweite, b für die Bildweite und f für die Brennweite steht.
Dazu ist als mathematischer Hintergrund der Strahlensatz von Bedeutung.
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Die Unterscheidung von reellem und virtuellen Bild ist bekannt, auch die Begriffe Sehwinkel,
Objektiv und Okular sind aus der geometrischen Optik bereits bekannt.
Als Hintergrund ist Wissen über Aufbau und Funktion des menschlichen Auges von Vorteil.
Dieses funktioniert wie eine Kamera: Hornhaut und Augenlinse entwerfen ein reelles,
verkleinertes und umgekehrtes Bild des Gegenstandes. Die lichtempfindliche Schicht der
Retina registriert das Bild, die Entfernungseinstellung erfolgt durch Variation der
Linsenbrechkraft (=Linsenbrennweite).
Abbildung 13
3) Lernziele
Das Durchnehmen der optischen Geräte ermöglicht eine Festigung der bereits erworbenen
Kenntnisse über Strahlengänge durch diverse Linsen, es werden hierbei eben Kombinationen
von Linsen betrachtet.
Weiters sollen die Schüler über konkrete Anwendungen von Linsen und Spiegeln informiert
werden. Der Großteil der Geräte spielt auch im Alltag eine bedeutende Rolle: Photoapparat
und Lupe gibt es in nahezu jedem Haushalt, ebenso sind Diaprojektor und Overheadprojektor
durchaus bekannte Geräte, genauso wie Ferngläser und Fernrohre oftmals im täglichen Leben
benutzt werden. Folglich ist es wichtig, das Verständnis bezüglich der physikalischen
Hintergründe dieser optischen Instrumente zu fördern und den Schülern einen Einblick in die
Funktionsweise dieser zu vermitteln.
4) Lerninhalte
Die Schüler sollen bezüglich der diversen optischen Geräte schlußendlich wissen, welches
davon ein vergrößertes bzw. ein verkleinertes Bild entwirft, wann die Bilder virtuell oder reell
sind und ob sie aufrecht oder verkehrt sind. Außerdem sollte der Strahlengang durch das
jeweilige Gerät bekannt sein und worin die Unterschiede hierbei zwischen den verschiedenen
Anwendungen bestehen. Weiters sind die unterschiedlichen Bereiche der Nutzung von
optischen Instrumenten ein wesentlicher Punkt.
Zusätzlich werden Informationen über das Auflösungsvermögen , Vergrößerungsfaktor und
Aufbau der entsprechenden optischen Systeme geliefert, die zum allgemeinen Verstehen
notwendig sind.
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Als Zusatzinformation sollen die Schüler auch über den Weg von der Aufnahme zum Bild
Bescheid wissen.
Filmentwicklung und Weiterverarbeitung:
Das nach der Belichtung auf dem Film vorhandene Bild muß durch chemische Behandlung
sichtbar gemacht (entwickelt) werden. Anschließend kann das entstandene Negativ
weiterverarbeitet werden. Das fertige Bild (Positiv) wird als Abzug bezeichnet.
Die Entwicklung des Bildes erfolgt mit Hilfe einer alkalischen Lösung (dem Entwickler). Die
organischen Bestandteile dieser Lösung reagieren in einem Reduktionsvorgang, der
Silberverbindungen in metallisches Silber (die spätere Schwärzung des Negativs)
zurückverwandelt.
Die Dichte der sich absetzenden Silberpartikel hängt von der Lichtmenge ab, die während der
Belichtung auf die einzelnen Filmpartien gelangt ist. Um den Entwicklungsvorgang zu
fixieren, wird der Film anschließend in ein schwach saures Neutralisierungsbad getaucht.
Danach muss der Film sorgfältig gewässert werden, da Überreste des Fixiermittels zur
allmählichen Zerstörung des Negativs führen können. Schließlich wird der entwickelte Film
in ein Reinigungsbad getaucht, das dazu dient, Wasserflecken zu verhindern.
Bei Papierabzügen unterscheidet man Kontaktabzüge und Vergrößerungen. Kontaktabzüge
haben die Größe des Negativs (oder des Diapositivs): Dieses 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. Das
Vergrößerungsverfahren erlaubt eine Regulierung der auf das Photopapier einfallenden
Lichtmenge. Damit wird der Kontrast der Photographie verändert.
Nach der Belichtung wird das Photopapier einem Entwicklungsverfahren ausgesetzt, das dem
des Filmes sehr ähnlich ist.
5) Versuche

Lupe
Für diesen Versuch benötigt man eine optische Schiene, eine Richtleuchte mit Kondensor,
eine Mattglasscheibe, ein Diapositiv bzw. den Teil einer Overheadfolie, eine Linse mit
Brennweite 200 mm und Halter dafür, zusätzlich Stativreiter.
Der Versuchsaufbau erfolgt gemäß der folgenden Abbildung:
Abbildung 14
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Die Richtleuchte mit dem Kondensor beleuchtet eine Mattglasscheibe mit dem Diapositiv.
Zuerst betrachtet man das Diapositiv direkt, dann durch eine Sammellinse mit Brennweite von
200 mm, die sich im Abstand von 20 cm Entfernung vom Diapositiv befindet.
Man beobachtet dabei, daß die Darstellung auf der Overheadfolie, wenn man sie durch die
Sammellinse betrachtet, größer erscheint.
Aus dem Gesetz über den Abbildungsmaßstab bei Linsen ergibt sich, daß das Bild von fernen
Gegenständen auf der Netzhaut des Auges kleiner ist, als das Bild gleichgroßer, naher
Gegenstände. Die Größe eines Gegenstandes, in der er einem erscheint, hängt von der Größe
des Netzhautbildes ab. Dieses Bild wird durch den Winkel bestimmt, den die
Mittelpunktstrahlen einschließen, die vom äußersten Punkt des Gegenstandes kommen. Dieser
Winkel ist der Sehwinkel.
Beim Aufbau des Versuchs ist zu beachten, daß sich das Objekt im Brennpunkt der
Sammellinse befindet. Die Vorbereitung benötigt ungefähr fünf Minuten, die Durchführung
dann 2 bis 3 Minuten.

Projektionsapparat
Die dafür verwendeten Geräte sind eine Schiene, eine Richtleuchte, eine Linse mit
Brennweite +50 mm und eine Linse mit +150 mm und Halter dafür, wiederum der Teil einer
Overheadfolie anstatt eines Diapositives, Stativreiter und ein weißer Schirm.
Aufgebaut wird entsprechend der nächsten Abbildung:
Abbildung 15
Die Richtleuchte (diesmal ohne Kondensor) beleuchtet die Overheadfolie. Die Linse
+150 mm bildet den Teil der Folie auf dem weißen Schirm ab. Dann wird eine Linse +50 mm
zwischen Richtleuchte und Folie gesetzt.
Es zeigt sich, daß die Abbildung der Folie nach den Gesetzen der Strahlenoptik vergrößert
abgebildet wird. Setzt man nun die zweite Linse +50 mm zwischen Richtleuchte und
Folienstück, so wird das Bild auf dem weißen Schirm heller.
Von der Glühlampe der Richtleuchte fällt ein Teil des Lichts auf die Folie. Die Linse
+150 mm, sie wird als Objektiv bezeichnet, bildet die Folie mäßig bzw. schwach hell ab. Die
Linse +50 mm, der Kondensor, macht das Licht der Glühlampe, das divergent
(auseinanderstrebend) auf die Folie fällt, konvergent (zusammenstrebend). Das Licht der
Lichtquelle wird somit besser ausgenutzt, indem die Folie heller ausgeleuchtet wird. Alle
ausgeleuchteten Teile der Folie werden auf dem weißen Schirm hell abgebildet.
Man wählt den Kondensor größer als das Diapositiv/ den Teil der Folie, damit es vollständig
ausgeleuchtet werden kann.
Als Kondensor verwendet man meist zwei plankonvexe Linsen, die sich ihre Wölbungen
zukehren.
Beim Projektionsapparat läßt sich das Objektiv durch ein Gewinde vor- und zurückdrehen,
um eine Anpassung an die Entfernung zum Schirm zu ermöglichen.
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Für den Aufbau und Vorbereitung des Versuchs benötigt man ungefähr 5 oder 6 Minuten, da
es einige Zeit beansprucht, die entsprechenden Linsen zu finden und anzuordnen. Die
Durchführung ist unproblematisch, es ist nur darauf zu achten, daß sich die Linsen alle in
gleicher Höhe befinden, was übrigens für alle Optikversuche gilt. Die Dauer des eigentlichen
Versuchs liegt bei ca. drei Minuten.

Filmprojektor
Für diesen Versuch benötigt man lediglich eine Taschenlampe oder Ähnliches. Im konkreten
Fall wurde eine Glühbirne in einer beweglichen Fassung verwendet.
Eine leuchtende Taschenlampe/ Glühbirne wird zunächst langsam, dann immer schneller im
Kreis herumgeschwenkt.
Man beobachtet dabei, daß das Licht der Taschenlampe dem Auge zunächst als sich im Kreis
bewegender Lichtfleck erscheint, bei schneller Bewegung hingegen erscheint sie als Kreis.
Lichteindrücke werden im Auge etwa 0,1 s lang festgehalten, auch, wenn die Lichtquelle kein
Licht mehr sendet. Dies nennt man optische Nachwirkung. Sie wird bei der Projektion
beweglicher Bilder ausgenützt. Dazu wird ein Bewegungsablauf in Einzelbildern auf einem
Filmstreifen photographisch festgehalten. Diese Einzelbilder eines Films werden in weniger
als 0,1 s Zeitabstand durch einen Filmprojektor auf die Leinwand geworfen. Sie verschmelzen
im Auge miteinander und geben eine kontinuierliche Bewegung wieder. Es müssen
mindestens 16 Bilder pro Sekunde aufeinander folgen, im Kino werden beispielsweise 24
Bilder pro Sekunde projeziert.
Der Versuch erfordert keinerlei spezielle Vorbereitung und ist ebenso schnell durchgeführt
und beobachtet, insgesamt sind dafür in etwa 3 bis 4 Minuten zu veranschlagen. Es können –
abgesehen von einem Stromausfall oder einer kaputten Glühbirne – auch keinerlei
Schwierigkeiten auftreten.

Photoapparat
Versuch 1:
Bei diesem Versuch geht es um Schärfentiefe, Blendenzahl und Lichtstärke des Objektivs.
Benötigt wird eine Schiene, ein Prismentisch, zwei kleine Kerzen, eine Linse mit Brennweite
+200 mm, eine Irisblende, Halter, Stativreiter und ein weißer Schirm. Der Versuchsaufbau
erfolgt gemäß der folgenden Abbildung:
Abbildung 16
Auf dem Prismentisch befinden sich zwei Kerzen mit verschiedenem Abstand zur Linse. Es
wird versucht, beide Kerzen auf dem weißen Schirm scharf abzubilden. Sobald die
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größtmögliche Schärfe für beide Kerzen gleichzeitig erreicht ist, wird die geöffnete Irisblende
hinter die Linse gestellt und die Blende langsam verkleinert.
Es zeigt sich, daß sich nicht beide Kerzen gleichzeitig ganz scharf auf dem Schirm abbilden
lassen. Wenn Kerze A auf dem Schirm scharf abgebildet ist, liegt das scharfe Bild von Kerze
B hinter dem Schirm. Bildet die Linse beide Kerzen möglichst scharf ab, dann sind beide
Bilder etwas unscharf. Durch Verkleinerung der Blendenöffnung bildet die Linse die Kerzen
in der Länge der Zone A bis B scharf ab.
Die Länge des Bereichs ( in Richtung der optischen Achse gemessen), in dem Gegenstände
von einer Linse ausreichend scharf abgebildet werden, heißt Schärfentiefe. Wichtig ist dabei
die Blendenzahl = Objektivbrennweite/Blendendurchmesser, resultierend läßt sich sagen, daß
je größer die Blendenzahl ist, desto kleiner ist die Blendenöffnung und desto größer ist die
Schärfentiefe.
Man sollte bei diesem Versuch das Feuerzeug keinesfalls vergessen, da so der Versuch bereits
scheitert. Abgesehen davon muß man aber mit keinen weiteren Schwierigkeiten rechnen. Der
Aufbau beansprucht in etwa fünf Minuten, ebenso auch die Durchführung.
Versuch 2:
Hier geht es um Entfernungsmessung. Man braucht eine oder besser zwei Schienen, ansonsten
müssen eine Linse und ein Spiegel auf andere Art erhöht werden, beispielsweise durch
Unterlegen von Holzplatten oder Ähnlichem. Weiters werden Linsen der folgenden
Brennweiten benötigt: +500 mm, +200 mm, +150 mm und +100 mm. Dazu kommen noch
eine Irisblende, ein Planspiegel, ein Grünfilter, Halter für Linsen und Spiegel und Stativreiter.
Angeordnet werden die einzelnen Teile wie folgt:
Abbildung 17
Die beiden Schienen werden so aufgestellt, daß sie ein rechtwinkeliges T bilden. Ist keine
zweite Schiene vorhanden, so müssen die entsprechenden Bestandteile eben in einer Geraden,
die normal auf die Hauptschiene steht, aufgebaut werden. Der Grünfilter fungiert als
Strahlenteiler und wird am Schnittpunkt der Schienen aufgestellt. Er soll mit beiden Achsen
einen Winkel von 45 ° bilden. Objektivseitig werden auf der Schiene die Linsen +500 mm
und +200 mm aufgestellt, sie dienen als Objektiv I. Bildseitig stellt man dann die Linse
+100 mm als Okular auf. Die Irisblende soll die Blickrichtung eindeutig festlegen. Auf der
zweiten Schiene bzw. auf der Normalen zur Hauptschiene steht die Linse +150 mm als
Objektiv II. Der objektseitige folgende Planspiegel ist das eigentliche Meßorgan.
Durch Drehung des Planspiegels lassen sich beide Objektbilder im Okular zur Deckung
bringen. Bei unendlich großem Abstand g des Gegenstandes schließt sein Einfallslot mit der
Achse der Normalen auf die Hauptschiene den Winkel  = 45° ein. Bei kleiner Entfernung ist
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der Winkel kleiner als 45°. Aus dem Abstand b von Hauptschiene zu Spiegel und dem Winkel
90° - 2, den die Zielstrahlen miteinander bilden, kann auf die Entfernung g geschlossen
werden:
g/b = tan 90° - 2
Folglich ist
g = b.tan 2
Anzumerken ist dabei, daß der vorhandene Aufbau nur das Prinzip zeigt, zum Messen aber
nicht geeignet ist. Das Aufstellen der Versuchsanordnung ist einigermaßen aufwendig, es
beansprucht mindestens 10 Minuten und es ist dabei natürlich darauf zu achten, daß alle
Linsen und Spiegel in gleicher Höhe liegen. Für die Durchführung des Versuchs werden nur
ungefähr zwei bis drei Minuten benötigt.
Foto 1

Astronomisches Fernrohr
Es wird auch Keplersches Fernrohr genannt und für den Versuchsaufbau benötigt man eine
Kerze, zwei Schienen, je eine Linse mit der angegebenen Brennweite von +100 mm,
+150 mm, +500 mm, zwei Mattglasscheiben, ein Kippteil, Halter und Stativreiter. Der
Aufbau erfolgt wiederum gemäß der folgenden Abbildung:
Abbildung 18
In einer Distanz von ungefähr 4 m steht eine brennende Kerze als Objekt. Die Objektiv –
Linse +500 mm bildet sie auf der Mattglasscheibe auf dem Kippteil ab. Die Okularlinse
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+100 mm betrachtet das Bild auf der Mattglasscheibe, welche dann langsam zur Seite gekippt
wird. Das Augenmodell ist auf der zweiten Schiene montiert und wird als „Betrachter“ lose
vor das Okular gebracht.
Das Bild der Kerze ist auf der Mattglasscheibe seitenvertauscht und steht auf dem Kopf.
Durch die Okularlinse sieht man ein großes, ebenfalls seitenvertauschtes und verkehrtes Bild.
Auf der „Netzhaut“ des Augenmodells erscheint ein aufrecht stehendes, nicht seitenverkehrtes
Bild der Kerze.
Das Objektiv mit sehr großer Öffnung und großer Brennweite entwirft ein reelles Bild, das
durch eine Lupe betrachtet wird. Es ist kleiner als der Gegenstand. Da es sich durch die Lupe
sehr nahe an das Auge heranbringen läßt, ist der Sehwinkel des betrachteten Bildes größer als
der Sehwinkel des mit bloßem Auge betrachteten Gegenstandes.
Die Tatsache, daß die Gegenstände seitenvertauscht und umgekehrt sind, ist für
astronomische Betrachtungen nicht störend.
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6) Quellenverzeichnis

Physik 2 Optik Eydam Kiel

Bernhard, Jezik: Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 1

dtv – Atlas Physik, Band 1

Sexl, Raab, Streeruwitz: Physik 2

www.seds.org/billa/bigeyes.html

Microsoft® Encarta® Enzyklopädie 2002
Abbildungsverzeichnis:









Abbildungen 1 – 3: dtv – Atlas Physik, Band 1, S 154
Abbildungen 4 – 6: dtv – Atlas Physik, Band 1, S 158
Abbildungen 7 – 9: dtv – Atlas Physik, Band 1, S 160
Abbildung „Zentrum der Galaxie“: www.astro.caltech.edu oder
www2.keck.hawaii.edu
Abbildung 10: dtv – Atlas Physik, Band 1, S 150
Abbildungen 11 – 12: dtv – Atlas Physik, Band 1, S 148
Abbildung 13: dtv – Atlas Physik, Band 1, S 162
Abbildungen 14 – 18: Bernhard, Jezik: Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 1
Foto 1: Schulversuchspraktikum
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