Der Projektionsapparat

JOHANNES KEPLER UNIVERSITÄT LINZ
Institut für Experimentalphysik – Abteilung für Didaktik der Physik
PHYSIKALISCHES
SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM
Protokoll: Optische Instrumente (4.Klasse)
Name: Oliver Bachleitner
Matrikelnummer: 9956032
Datum: 8.11.2001
WS 2001/2002
INHALTSVERZEICHNIS
1. Einleitung
1.1. Relevanz
1.2. Grundlagen
1.3. Lernziele
1.1.1. Lernziele nach Lehrplan
1.1.2. Persönliche Lernziele
2. Optische Instrumente
2.1. Die Lupe
2.1.1. Beschreibung
2.1.2. Mögliche Versuche
2.2. Das Mikroskop
2.2.1. Beschreibung
2.2.2. Mögliche Versuche
2.3. Der Projektionsapparat
2.3.1. Beschreibung
2.3.1.1. Diaskopische Projektion
a) Diaprojektor
b) Overheadprojektor
c) Filmprojektor
2.3.1.2. Episkopische Projektion
2.3.2. Mögliche Versuche
2.3.2.1. Versuch: Diaskopische Projektion
2.3.2.1. Versuch: Filmprojektor – optische Nachwirkung
2.3.2.3. Versuch: Episkop
2.4. Der Photoapparat
2.4.1. Beschreibung
2.4.2. Mögliche Versuche
2.4.2.1. Versuch: Photoapparat – Entfernungsmessung
2.4.2.1. Versuch: Photoapparat – Schärfentiefe, Blendenzahl, Lichtstärke des Objektivs
2.5. Die Lochkamera (Camera obscura)
2.5.1. Beschreibung
2.5.2. Mögliche Versuche
3. Einsatz im Unterricht
4. Literaturverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Relevanz
Der Mensch besitz bekanntlich 5 Sinne: Sehen, hören, fühlen, riechen und schmecken. Das
Sehen ist für viele Menschen mit der wichtigste. Das Sehorgan, das Auge, ist das
komplexeste und "alltäglichste" optische Instrument.
Doch eine Vielzahl weiterer optischer Instrumente sind von nicht zu unterschätzender
Bedeutung; Brillen, Kontaktlinsen und ähnliche Sehhilfen sollen die Funktion des Auges
unterstützen und gegebenenfalls verbessern, ihr Gebrauch ist von unverstellbarem Nutzen.
Weiters sind beispielsweise Fotoapparate oder Filmkameras in vielen Haushalten nicht
mehr wegzudenken. Und Geräte wie das Mikroskop und das Teleskophaben sozusagen den
Gesichtskreis des Menschen erweitert und neue Erkenntnisse über kleinste Strukturen wie
auch über die Weiten des Weltalls ermöglicht.
Diese eben skizzierte einschlägige Relevanz optischer Geräte, sollte Anlass genug sein, die
grundlegende Funktionsweise nachvollziehen zu können.
Als zukünftiger Lehrer ist genau dies meine Aufgabe.
1.2. Grundlagen
Laut Lehrplan fällt das Kapitel "Optische Instrumente" in die 4. Klasse AHS (bzw. HS).
Die Voraussetzung für das Verständnis optischer Gerätschaften ist die geometrische Optik.
Zusammenfassend sollten die betroffenen Schüler mit folgenden Schlagworten vertraut
sein:
•
•
•
•
•
Reflexion
Brechung
Abbildung mit Spiegeln (Hohlspiegel, Wölbspiegel)
Abbildung mit brechenden Gegenständen
Linsen
- Konvexlinse
- Konkavlinse
- Bildkonstruktion bei Linsen
- Gegenstandsweite, Bildweite, Brennweite
- reelles Bild, imaginäres Bild
-1-
1.3. Lernziele
1.3.1. Lernziele nach Lehrplan
Bezogen auf das Kapitel "Optik" in der 4. Klasse AHS (oder HS) sieht der Lehrplan
wörtlich wie folgt aus:
Die Welt des Sichtbaren:
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler grundlegendes
Verständnis über Entstehung und Ausbreitungsverhalten des Lichtes erwerben und
anwenden können.
-
Die Voraussetzungen für die Sichtbarkeit von Körpern erkennen und die
Folgeerscheinungen der geradlinigen Lichtausbreitung verstehen;
-
Funktionsprinzipien optischer Geräte und deren Grenzen bei der Bilderzeugung
verstehen und Einblicke in die kulturhistorische Bedeutung gewinnen (ebener und
gekrümmter Spiegel; Brechung und Totalreflexion, Fernrohr und Mikroskop);
-
grundlegendes Wissen über das Zustandekommen von Farben in der Natur erwerben.
Das unterstrichene Lernziel bezieht sich konkret auf das Kapitel "Optische Instrumente" .
1.3.2. Persönliche Lernziele
Anschließend an die "offiziellen" Lernziele will meine persönlichen, quasi "inoffiziellen"
Lernziele auflisten:
-
Verfestigung des Kapitels "optische Linsen" am Beispiel "Optische Geräte"
-
Aufbau und Funktion der jeweiligen optische Instrumente sollen von den Schülern
leicht nachvollziehbar werden
-
Die Bedeutung der optischen Geräte im alltäglichen Leben soll den Schülern bewusst
gemacht werden
-
Der Umgang mit optischer Gerätschaft soll grob erlernt werden
-2-
2.
Optische Geräte
2.1. Die Lupe
2.1.1. Beschreibung
Die einfachste Methode, einen Gegenstand größer zu sehen, besteht darin, dass man ihn dem
Auge nähert. Man vergrößert dadurch den Sehwinkel und somit das Netzhautbild. Unterstützt
man das Auge mit einer Sammellinse, kann man den Gegenstand dem Auge noch näher
bringen. Die Bezeichnung für eine derartige Vorsatzlinse ist "Lupe".
Abb.1: Strahlengang beim Gebrauch einer Lupe
Wenn man einen Gegenstand durch eine Sammellinse betrachtet und der Gegenstand sich
innerhalb der Brennweite befindet, erscheint er dem Betrachter als scheinbares, vergrößertes,
aufrechtes Bild. Betrachtet man ein Bild längere Zeit, dann wird man den Gegenstand etwa in
den Brennpunkt nehmen und aus der normalen Leseentfernung von 25 cm betrachten. Nach der
Gleichung über den Abbildungsmaßstab gilt dann B : G = 25 cm : f.
B : G ist der lineare Abbildungsmaßstab; er ist gleich der tan der Sehwinkel, d.h. der
Vergrößerung V.
-3-
2.1.2. Mögliche Versuche
Abb.2: Versuchsaufbau (Lupe)
•
VERSUCH
Die Richtleuchte mit Kondensor beleuchtet eine Mattglasscheibe mit Diapositiv. Zunächst
wird das Diapositiv direkt betrachtet, dann durch eine Sammellinse +150 mm in 15 cm
Entfernung vor dem Diapositiv.
•
BEOBACHTUNG
Durch die Sammellinse betrachtet erscheint die Darstellung auf dem Diapositiv größer.
Abb.3: Sehwinkel
-4-
•
ERGEBNIS
Nach dem Gesetz über Abbildungsmaßstab bei Linsen, ergibt sich, dass da Bild von fernen
Gegenständen auf der Netzhaut des Auges kleiner ist, als das Bild gleichgroßer naher
Gegenstände. Das Netzhautbild wird durch den Winkel bestimmt, den die
Mittelpunktstrahlen einschließen, die von den äußersten Punkten des Gegenstandes
herkommen. Dieser Winkel heißt Sehwinkel.
Je größer der Sehwinkel ist, desto größer ist das Netzhautbild und desto größer erscheint dem
Menschen der Gegenstand.
•
KOMMENTAR
Alternativ oder zusätzlich zum eben beschrieben Versuch ist der praktische Umgang der
Schüler mit einer alltäglichen, realen Lupe.(das aufgebaute Lupenmodell ist vielleicht einen
Hauch zu realitätsfern)
-5-
2.2. Das Mikroskop
2.2.1. Beschreibung
Abb.4:Strahlengang (Mikroskop)
Das Mikroskop dient dazu, sehr kleine Gegenstände in geringem Abstand zu betrachten. In der
einfachsten Ausführung besteht ein Mikroskop aus zwei Sammellinsen. Die Linse nahe dem
Gegenstand nennt man Objektiv. Es erzeugt vom Gegenstand ein reelles, vergrößertes und
umgekehrtes Bild. Die andere Linse (in die der Betrachter blickt) ist das Okular. Dieses wird
wie eine Lupe verwendet, wobei sich das vom Objektiv erzeugte Bild in ihrem Brennpunkt
befindet. Daher verlassen die Lichtstrahlen das Okular parallel, d. h., das von ihm entworfene
Bild liegt im Unendlichen und kann mit entspanntem Auge betrachtet werden.
Wie in 2.1. besprochen, besteht die Funktion der Lupe (hier des Okulars) darin, dass der
Gegenstand (hier das vom Objektiv erzeugte Bild) näher an das Auge herangeführt werden
kann, als der Nahpunkt liegt. Da eine Lupe ein virtuelles, aufrechtes Bild entwirft, steht das von
der Kombination Objektiv/Okular erzeugte Endbild auf dem Kopf.
Den Abstand zwischen dem zweiten Brennpunkt des Objektivs und dem ersten Brennpunkt des
Okulars bezeichnet man als Tubuslänge t. Sie liegt meist bei 16 cm. Der Gegenstand wird
etwas außerhalb der Brennweite des Objektivs platziert. Daher entsteht ein vergrößertes,
umgekehrtes Bild hinter dem zweiten Brennpunkt des Objektivs. Dieses Bild hat vom Objektiv
her den Abstandf0b + t, wobei f0b dessen Brennweite ist. Aus Abbildung 10 ergibt sich tan b
G / fob = -B / t. Der Abbildungsmaßstab des Objektivs ist daher:
Vob = B / G = -t / fob
Die Winkelvergrößerung des Okulars ist:
vok = s0 / fok
-6-
Dabei ist s0 der Abstand vom Nahpunkt zum Auge des Betrachters, und fok ist die Brennweite
des Okulars. Die Gesamtvergrößerung vm dieses Mikroskops ist das Produkt des
Abbildungsmaßstabs Vob des Objektivs und der Vergrößerung vok des Okulars:
vm = Vob . vok
2.2.2. mögliche Versuche
Abb.5: Versuchsaufbau (Mikroskop)
•
VERSUCH
Als Objekt bietet sich ein Geldstück an, das in einen Plattenhalter gesteckt wird. Zunächst
wird es durch die Richtleuchte mit Kondensor schwach beleuchtet und durch eine Linse
+50 mm (Objektiv) auf einer Mattglasscheibe auf Kippteil scharf abgebildet. Die Linse
+100 mm (Okular) wird so eingerichtet, dass man das Bild auf dem Hilfsschirm scharf
sieht. Dann wird das Licht der Richtleuchte abgeschaltet, die Mattglasscheibe zur Seite
gekippt und die Münze mit dem Auge beobachtet. - Es lassen sich auch transparente
Objekte betrachten, die von der Richtleuchte schwach durchstrahlt werden. Durch die
Irisblende lässt sich die Bildschärfe verbessern. - An den Versuchsaufbau lässt sich das
Augenmodell, bestehend aus einer Linse +150 mm und einer Mattglasscheibe, anschließen.
-7-
•
BEOBACHTUNG
Die Münze wird durch die Linse +50 mm auf dem Hilfsschirm seitenvertauscht und auf
dem Kopf stehend abgebildet. Die Linse +100 mm wirkt wie eine Lupe. Durch die
Irisblende wird die Bildschärfe verbessert. - Auf der Mattglasscheibe des Augenmodells
entsteht ein aufrechtes Bild.
•
ERGEBNIS
Das einfache Mikroskop besteht aus zwei Sammellinsen. Die Linse +50 mm ist dem
Objekt, das auf dem Objektträger befestigt ist, zugewandt und heißt Objektiv. Das
Objektiv entwirft vom Objekt, das sich zwischen der einfachen und doppelten Brennweite
befindet, ein seitenvertauschtes, auf dem Kopf stehendes, vergrößertes, wirkliches Bild, das
durch die Linse +100 mm betrachtet wird. Sie wirkt als Lupe und vergrößert das Bild des
Objektivs. Diese Linse, die dem Auge zugewandt ist, heißt Okular.
Wie bei einem richtigen Mikroskop lässt sich das Objekt durchstrahlen.
Bei Nachschaltung des Augenmodells entsteht auf der "Netzhaut" ein aufrechtes Bild; es
wird vom Menschen als auf dem Kopf stehend empfunden.
•
KOMMENTAR
Beim Aufbau des "Mikroskops" liegt für mich die Priorität darin, den Schülern klar zu
machen warum all die Bestandteile genau den Platz einnehmen müssen, den sie eben
einnehmen. Der kompliziert wirkende Versuchsaufbau kommt nicht zufällig zustande.
Die schematische Darstellung eines Mikroskops gelingt mit diesem Versuch recht gut,
jedoch halte ich es auch hier, ähnlich wie im Fall der Lupe, für sinnvoll, handelsübliche
Mikroskope zu besprechen und benutzen zu lassen.
-8-
2.3. Der Projektionsapparat
2.3.1. Beschreibung
Um Bilder für einen größeren Zuschauerkreis sichtbar machen zu können, verwendet man
Projektionsgeräte.
Man unterscheidet Projektionsapparate, bei denen der Gegenstand von hinten beleuchtet wird
und diejenigen, bei denen der Gegenstand von vorne beleuchtet wird. Die
Projektionseinrichtung ist bei beiden Arten ähnlich. Sie unterscheiden sich nur in der
Beleuchtungsrichtung.
2.3.1.1. Diaskopische Projektion
a) Diaprojektor
Abb.6: Diaprojektor (schematisch)
Abb.7: Diaprojektor (erklärend zum Text)
-9-
Ein von hinten beleuchtetes Diapositiv wird vom Objektiv auf einer Leinwand abgebildet.
Es kommt hier darauf an, das Dia möglichst gut "auszuleuchten", d. h. einen möglichst hohen
Anteil des Lichts der Projektorlampe B auf das Dia D zu konzentrieren und durch die Linse L
treten zu lassen. Das ist offenbar der Fall, wenn der Kondensor K möglichst nahe an der Lampe
B steht, damit er einen möglichst großen Raumwinkel überdeckt (der Spiegel S kann den
Raumwinkel effektiv noch fast verdoppeln), und wenn der Kondensor ein Bild der Lampe in
der Ebene der Linse L oder ganz nahe dabei erzeugt. An dieser Stelle, wo das Bild von B liegt,
ist das Lichtbündel so eng wie möglich und tritt daher ohne Verlust durch die Linse L. Dazu ist
keineswegs eine hervorragende optische Qualität von K nötig, sondern nur, dass die
Einschnürung des Lichtbündels, das "Bild', ungefähr in der Ebene von L liegt. Damit haben
wir, zunächst ohne Dia, eine maximal helle Fläche auf dem Projektionsschirm P. Stellen wir
nun das Dia mit seinen mehr oder weniger durchlässigen Stellen gleich hinter den Kondensor,
dann kann man jede Stelle des Dias als Sekundärstrahler auffassen. Er sendet Licht in einen
Kegel nach vorn, dessen öffnjung gleich dem Sehwinkel ist, unter dem der Glühfaden der
Lampe B vom Dia aus erscheint. Gleichgültig, wie groß dieser Öffnungswinkel ist: Alle
Strahlen dieses Kegels werden durch die Linse L auf dem Schirm P vereinigt, wenn L notfalls
so verschoben wird, dass Dingweite g = DL und Bildweite b = LP die Abbildungsgleichung
1 / g + 1 / b = 1 / f erfüllen. Wegen b f muss näherungsweise g = bf / (b – f) f (1 + f / b)
sein. Die kleinen Verschiebungen Dg, die sich aus der verschiedenen Dicke der Dias, der
Durchbeulung eines unverglasten Dias in der Hitze usw. ergeben, werden vom beleuchtenden
Strahlengang leicht toleriert
b) Der Overheadprojektor
Abb.8: Overheadprojektor (schematisch)
Der Overheadprojektor (Schreibprojektor) ist ein besonders lichtstarker Projektor für große
Diapositive, nämlich die Overheadfolien. Sein Objektiv ist recht kompliziert bebaut, da derart
große Dias (OH – Folien) randscharf wiedergegeben müssen. Außerdem ist ein Spiegel
vorhanden, der die zur Decken verlaufenden Lichtstrahlen an die Wand lenkt.
-10-
c) Der Filmprojektor
Auch der Filmprojektor ist dem Diaprojektor sehr ähnlich. Zusätzlich besitzt er ein von einem
E – Motor angetriebenes vollautomatisches Transport und Verschlusssystem, das es
ermöglicht, 18 oder 24 Standbilder in der Sekunde auf die Leinwand zu projizieren.
Die Filmstreifen wird dabei ruckweise jedes mal um ein Bild weiterbewegt. Während des
Transportes wird das Licht abgeblendet. Durch die rasche Aufeinanderfolge der einzelnen
Bilder und durch die Trägheit des Auges wird in unserem Gehirn der Eindruck eines
geschlossenen Bewegungsvorganges hervorgerufen. Wir sehen nicht mehr die Einzelbilder,
sondern eine Laufbild.
2.3.1.2. Episkopische Projektion
Abb.10: Episkop (schematisch)
Bei Epiprojektoren wird der abzubildende Gegenstand, zum Beispiel eine Buchseite, von der
Vorderseite her stark beleuchtet. Am Gegenstand wird das Licht diffus reflektiert, und es
erreicht nur ein kleiner Teil das Projektionsobjektiv. Dies ist der Grund, weshalb die
Lichtausnützung bei Epiprojektoren schlechter ist als bei Diaprojektoren. Mit Hilfe von
Spiegeln gelangt das Bild über das Objektiv vergrößert auf den Bildschirm (Leinwand).
Epiprojektoren heißen auch Episkope.
-11-
2.3.2. mögliche Versuche
2.3.2.1.Versuch: diaskopische Projektion
Abb.11: Versuchsaufbau (diaskopischer Projektionsapparat)
)
•
VERSUCH
Die Richtleuchte ohne Kondensor beleuchtet ein Diapositiv. Die Linse +100 mm bildet das
Diapositiv auf dem weißen Schirm ab. Nun wird eine Linse +50 mm zwischen Richtleuchte
und Diapositiv gesetzt.
•
BEOBACHTUNG
Die Abbildung des Diapositivs wird nach den Gesetzen der Strahlenoptik vergrößert
abgebildet. Wird die Sammellinse +50 mm zwischen Richtleuchte und Diapositiv gesetzt,
dann wird das Bild auf dem weißen Schirm strahlend hell.
•
ERGEBNIS
Von der Glühlampe der Richtleuchte fällt ein Teil des Lichts auf das Diapositiv. Die Linse
+100 mm, Objektiv genannt, bildet einen Teil des Diapositivs mäßig hell, andere Teile
schwach hell ab.
-12-
Die Linse +50 mm, Kondensor genannt, macht das Licht der Glühlampe, das divergent
(auseinanderstrebend) auf das Diapositiv fällt, konvergent (zusammenstrebend). Dadurch
wird das Licht der Lichtquelle besser ausgenutzt, indem das Diapositiv heller ausgeleuchtet
wird. Alle ausgeleuchteten Teile des Diapositivs werden auf dem weißen Schirm leuchtend
hell abgebildet.
Man wählt den Kondensor größer als das Diapositiv, damit es vollständig ausgeleuchtet
werden kann. Als Kondensor verwendet man in der Regel 2 plankonvexe Linsen, die sich
ihre Wölbungen zukehren; das lässt sich am Kondensor der Richtleuchte zeigen.
Das Objektiv lässt sich beim Projektionsapparat durch ein Gewinde vor- und zurückdrehen,
um eine Anpassung an die Entfernung zum Schirm zu ermöglichen.
•
BEMERKUNG
1. Die beste Ausleuchtung erhält man, wenn der Konvergenzpunkt der Glühlampe mit
Kondensorlinse auf der abbildenden Linse liegt.
2. Mit diesem Versuchsaufbau lassen sich die Diapositive zum Thema "optische Täuschung"
vorfuhren. Günstiger ist allerdings die Vorführung, mit einem Projektor.
•
KOMMENTAR
Der Versuchsaufbau ist relativ einfach und wenig zeitaufwendig, jedoch würde ich die
Funktionsweise eines diaskopischen Projektors doch eher an einem "realen" Gerät (z.B.
Overhead – Projektor) besprechen, es ist eben realitätsbezogener und auch wesentlich
interessanter.
-13-
2.3.2.2. Versuch: Filmprojektor – optische Nachwirkung
Abb.12: kreisende Taschenlampe (schematisch)
•
VERSUCH
Eine leuchtende Taschenlampe wird zunächst langsam, dann immer schneller im Kreise
herumgeschwenkt.
•
BEOBACHTUNG
Das Licht der Taschenlampe erscheint dem Auge zunächst als sich im Kreise bewegender
Lichtfleck, bei schneller Bewegung aber als leuchtenden Kreis.
•
ERGEBNIS
Lichteindrücke werden vom Auge etwa 1/10 s lang festgehalten, auch dann, wenn die
Lichtquelle kein Licht mehr sendet. Diese Erscheinung wird optische Nachwirkung
genannt. Sie wird bei der Projektion "beweglicher Bilder" ausgenutzt. Ein
Bewegungsablauf wird in Einzelbildern auf einem Filmstreifen photographisch
festgehalten. Diese Einzelbilder eines Films werden in weniger als 1 / l0 s Zeitabstand
durch einen Filmprojektor auf die Leinwand geworfen; sie verschmelzen im Auge
miteinander und geben eine kontinuierliche Bewegung Nieder. Es müssen mindestens 16
Bilder pro Sekunde aufeinander folgen; Kinoapparate projizieren 24 Bilder pro Sekunde.
•
KOMMENTAR
Der Versuch ist recht einfach und doch irgendwie faszinierend. Die Tatsache, dass ein Film
eigentlich eine Aneinanderreihung vieler einzelner Bilder ist, ist einigen Schülern sicher
neu.
-14-
2.3.2.3. Versuch: Episkop
Abb.13: Versuchsaufbau (Episkop)
•
VERSUCH
Auf dem Prismentisch liegt eine Briefmarke als Objekt. Die Richtleuchte ohne Kondensor
beleuchtet das Objekt aus nächster Nähe. Der Planspiegel ist unter 45 mit einer
Doppelmuffe am Stativ mit Fuß befestigt; er fängt das Licht, das vom Objekt kommt, auf
und lenkt es auf die Linse +500 mm, die in einer Entfernung von etwa 75 cm vom Spiegel
steht und ebenfalls mit einer Doppelmuffe an einem Stativ mit Fuß befestigt ist. Die Linse
entwirft auf dem etwa 200 cm entfernten Schirm ein Bild des Objekts. Die Schärfe des
Bildes wird durch Verschieben der Linse +500 mm geregelt.
•
BEOBACHTUNG
Wenn die Briefmarke ihr Bild der Lichtquelle zuwendet, entsteht auf dem Schirm ein
aufrechtes, seitenrichtiges Bild von ihr.
-15-
•
ERGEBNIS
Das Episkop erlaubt, die Oberfläche lichtundurchlässiger Körper, z.B. Papierbilder,
Buchseiten u.a. zu projizieren. Eine starke Lichtquelle im Brennpunkt eines Hohlspiegels
beleuchtet das Objekt. Ein Teil des Lichts wird auf den Umlenkspiegel reflektiert und
gelangt in das lichtstarke Objektiv (großer Durchmesser und möglichst kleine Brennweite).
Berücksichtigt man die Strahlenknickung am Umlenkspiegel und die Entfernung Objekt Objektiv, die etwas größer ist als die Brennweite des Objektivs ist, dann entwirft das
Episkop wirkliche, nicht seitenvertauschte, vergrößerte Bilder des Objekts. Da nur ein
geringer Teil des Lichts der Lichtquelle ausgenutzt wird, sind die Bilder eines Episkops
sehr lichtschwach.
•
KOMMENTAR
Diesen Versuch sollte man meiner Ansicht nach nicht während des Unterrichts aufbauen,
da dies unter Umständen länger als geplant dauern könnte. D.h. der Versuch sollte vor
seinem Einsatz schon vorbereitet worden sein. Mit Sicherheit ist dieser einer der schönsten
und "schülergerechtesten". Die Funktionsweise ist relativ rasch erklärt, es bleibt also Zeit
für beliebige Projektionen, welche die Schüler vorschlagen könnten.
-16-
2.4. Der Fotoapparat
2.4.1. Beschreibung
Abb.14: Fotoapparat (schematisch)
Die wesentlichen Bestandteile einer Kamera sind eine Sammellinse (fast immer ein
Linsensystem) als Objektiv, eine veränderliche Öffnung (Blende) des Objektivs, ein Verschluss
mit variabler Belichtungszeit und ein lichtdichter Kasten, an dessen innerer Rückseite der Film
angebracht bzw. geführt wird (Abbildung 14). Im Gegensatz zum Auge (mit variabler
Brennweite der Linse) ist bei den meisten Kameraobjektiven die Brennweite konstant; beim
Normalobjektiv einer Kleinbildkamera beträgt sie 50 mm. Durch Verändern des Abstands
zwischen Objektiv und Film lassen sich die von verschieden weit entfernten Gegenständen
eintreffenden Lichtstrahlen auf die Filmebene fokussieren.
Die auf den Film treffende Lichtmenge lässt sich durch zwei Einstellungen beeinflussen:
erstens durch die Wahl der Zeitspanne, während der Verschluss offen ist, und zweitens durch
die Wahl der Fläche der Objektivöffnung (Blende). Für jeden photographischen Film gibt es
eine optimale Lichtmenge pro Flächeneinheit des Films, bei der man ein korrekt belichtetes
Bild erhält. Unter- und überbelichtete Photos weisen einen zu geringen Kontrast auf. Die
Lichtempfindlichkeit eines Films wird als sogenannte ASA-Zahl angegeben; früher war in
Deutschland eher der DIN-Wert gebräuchlich. Je höher die ASA-Zahl ist, desto empfindlicher
ist der Film, d. h., desto geringer ist die für eine korrekte Belichtung erforderliche Lichtmenge
pro Flächeneinheit des Films. Für die meisten normalen Aufnahmen (im Freien oder mit
Blitzlicht) sind Filme mit 50 ASA (entsprechend 18 DIN) oder 100 ASA (entsprechend 21
DIN) geeignet. Die ASA-Zahl ist proportional zur Empfindlichkeit: Wenn beispielsweise eine
bestimmte Aufnahme mit einem 100-ASA-Film bei einer Belichtungszeit von 1 /250 s korrekt
belichtet ist, so muss bei Verwendung eines 50-ASA-Films die Belichtungszeit auf 1 / 125 s
verdoppelt werden. Eine Verdoppelung der Lichtempfindlichkeit entspricht bei den DINWerten einer additiven Erhöhung um 3 (logarithmische Skala).
-17-
Die an der Kamera einzustellende Belichtungszeit (die Öffnungszeit des Kameraverschlusses)
liegt meist zwischen einigen Sekunden und 1 /1000 Sekunde. Für Aufnahmen ohne Stativ sollte
die Belichtungszeit beim Normalobjektiv (f = 50 mm) nicht länger als etwa 1 / 60 s sein, um ein
Verwackeln zu vermeiden.
Nach einer Faustregel ist die maximale Belichtungszeit (in s) ohne Stativ ungefähr umgekehrt
proportional zur Brennweite (in mm), so sollte man mit einem Teleobjektiv der Brennweite 250
mm keine längere Zeit als 1 / 250 s einstellen.
Die maximale Öffnung der Blende ist natürlich durch den Durchmesser der Linse bzw. des
Objektivs begrenzt. Entscheidend für die sogenannte Lichtstärke einer Linse oder eines
Objektivs ist das Öffnungsverhältnis (oft auch relative Öffnung genannt). Es ist definiert als der
Quotient aus Durchmesser d der Lichteintrittsöffnung und Brennweit der Linse. In der
Photographie wird fast nur das reziproke Öffnungsverhältnis, die sogenannte Blende oder
Blendenzahl, angegeben. Sie ist also gleich dem Verhältnis der Brennweite zum Durchmesser d
der Öffnung:
Blendenzahl = f / d
Meist ist auf dem Objektiv das maximale Öffnungsverhältnis angegeben, beispielsweise 1: 2,8.
Das bedeutet, die an diesem Objektiv kleinste einstellbare Blendenzahl beträgt 2,8. Damit
ergibt sich der maximale Öffnungsdurchmesser bei der Brennweite f = 50 mm zu d = 17,9 mm.
Objektive mit hohem Öffnungsverhältnis (kleiner Blendenzahl) sind in der Herstellung recht
teuer, weil die Korrektur der verschiedenen Abbildungsfehler um so schwieriger ist, je größer
das Öffnungsverhältnis ist. Die Blendenzahlen sind bei kommerziell erhältlichen Kameras
gewöhnlich in folgenden Stufen einstellbar: 22, 16, 11, 8, 5,6, 4, 2,8, 2,0, 1,4 und 1,0.Die
kleinste angegebene Blendenzahl entspricht - wie gesagt - dem größten nutzbaren
Objektivdurchmesser. Je nach Güte des Objektivs kann die Reihe beispielsweise auch bei 2,0
oder 1,4 enden. Jede Blendenzahl in der Reihe unterscheidet sich von den benachbarten um den
Faktor (2)0,5 1,4. Das hat folgenden praktischen Grund: Die auf den Film gelangende
Lichtmenge ist proportional zur Öffnungsfläche und damit proportional zum Quadrat des
Durchmessers der Lichteintrittsöffnung-, dieser wiederum ist bei konstanter Brennweite nach
umgekehrt proportional zur Blendenzahl. Betrachten wir ein Beispiel:
Bei einer bestimmten Blendenzahl k ist die Öffnungsfläche A = p .d2 = p . f2 / k2
Mit der Blendenzahl 2 ist die Fläche beispielsweise A1 = p . f2 / 22 .
Bei der nächstniederen Blende 1,4 ist die Öffnungsfläche A2 = p . f2 / 1,42 und der Quotient
beider Flächen ist A1 / A2 = 2/4 = 2. Also entspricht eine Verringerung der Blendenzahl um
eine Stufe einer Verdoppelung der Lichtmenge, die auf den Film gelangt, wenn alle anderen
Parameter (Brennweite, Beleuchtungsverhältnisse, Belichtungszeit, Filmempfindlichkeit)
gleich bleiben . Somit kann beispielsweise die Blendenzahl um eine Stufe erhöht werden, wenn
gleichzeitig die Belichtungszeit verdoppelt wird. Dabei ist aber ein anderer Effekt zu beachten:
-18-
Mit zunehmendem Öffnungsverhältnis (abnehmender Blendenzahl) wird der
Entfernungsbereich kleiner, in dem die Gegenstände scharf abgebildet werden. Diesen Bereich
nennt man Schärfentiefe . Man kann auch sagen: Je kleiner die Blendenzahl (d. h. je größer das
Öffnungsverhältnis) ist, desto genauer muss die Entfernung eingestellt werden - es sei denn,
man möchte bestimmte Effekte erzielen, etwa einen unscharfen Hintergrund hinter einem
einzelnen Gegenstand.
Das Normalobjektiv einer Kleinbildkamera hat die Brennweite 50 mm; sie ist etwas größer als
die Diagonale des Bildes (24 mm x 36 mm), und es ergibt sich ein ähnliches Blickfeld wie
beim normalen Sehen, mit einem Blickwinkel von etwas über 45 . Für größere Blickwinkel
verwendet man Weitwinkelobjektive, die kleinere Brennweiten haben, beispielsweise 38 mm
oder 24 mm. Wenn die Gegenstandsweite g viel größer als die Brennweite f des Objektivs ist
(gewöhnlich ist das bei der Kamera der Fall), so ist die Bildweite b ungefähr gleich der
Brennweite. Weil der Abbildungsmaßstab als V = -b / g = B / G definiert ist, ist die Bildgröße
B dann näherungsweise proportional zur Brennweite wird ein Gegenstand aus einer bestimmten
Entfernung mit einem Weitwinkelobjektiv aufgenommen, so ist sein Bild auf dem Film kleiner
als auf der Aufnahme mit einem Normalobjektiv. Entsprechend ist das Bild des Gegenstands
größer, wenn er mit einem Teleobjektiv aufgenommen wurde. Dieses hat eine längere
Brennweite als das Normalobjektiv und bietet ein engeres Blickfeld, aber eine höhere
Vergrößerung. Beispielsweise erreicht ein Teleobjektiv mit der Brennweite 200 mm eine etwa
4mal höhere Vergrößerung als das Normalobjektiv mit der Brennweite 50 mm.
2.4.2. Mögliche Versuche
2.4.2.1. Versuch: Photoapparat – Entfernungsmessung
Abb.15: Versuchsaufbau
-19-
•
VERSUCH
Die beiden 1000 mm und 500 mm langen Schienen werden so aufgestellt, dass sie
zusammen ein genau rechtwinkliges T bilden. Im Schnittpunkt beider Schienenachsen wird
das Grünfilter als Strahlenteiler so auf die Schiene 1000 mm gesetzt, dass es mit beiden
Schienenachsen einen Winkel von 45 bildet. Objektivseitig stellt man auf die Schiene
1000 mm die Linsen +500 mm und +200 mm als Objektiv 1 und bildseitig die Linse +100
mm als Okular. Die lrisblende soll die Blickrichtung eindeutig festlegen.
Auf der Schiene 500 mm steht die Linse +l50 mm als Objektiv II. Der objektseitig
folgernde Planspiegel ist das eigentliche Messorgan.
•
BEOBACHTUNG
Durch Drehung des Planspiegels lassen sich im Okular beide Objektbilder, z.B. ein
Fensterkreuz, zur Deckung bringen.
•
ERGEBNIS
Bei unendlich großem Abstand g des Gegenstandes schließt sein Einfallslot mit der Achse
der Schiene 500 mm den Winkel a = 45 ein; bei kleiner Entfernung ist a kleiner als 45 .
Aus der Basis b und dem Winkel 90 - 2a, den die Zielstrahlen miteinander bildeten, kann
auf die Entfernung g geschlossen werden :
-20-
•
KOMMENTAR
Dieser Versuch ist für den Unterricht eher ungeeignet. Einerseits ist der Aufbau relativ
komplex, andererseits ist die praktische Bedeutung für die Schüler gering.
2.4.2.2. Versuch: Photoapparat - Schärfentiefe, Blendenzahl, Lichtstärke des Objektivs
Abb.16: Versuchsaufbau
•
VERSUCH
Auf dem Prismentisch stehen zwei Kerzen mit verschiedenem Abstand zur Linse +300 mm.
Es wird versucht, beide Kerzen auf dem weißen Schirm scharf abzubilden. Sobald die
größtmögliche Schärfe für beide Kerzen gleichzeitig erreicht ist, wird die geöffnete
Irisblende hinter die Linse gestellt und die Blende langsam verkleinert.
•
BEOBACHTUNG
Beide Kerzen lassen sich nicht gleichzeitig ganz scharf auf dem Schirm abbilden. Wenn
Kerze A auf dem Schirm scharf abgebildet ist, liegt das scharfe Bild von Kerze B hinter
dem Schirm; ist Kerze B scharf abgebildet, liegt das scharfe Bild von Kerze A vor dem
Schirm. Bildet die Linse beide Kerzen gleichzeitig möglichst scharf ab, dann sind beide
Bilder etwas unscharf und zeigen das durch Zerstreuungskreise. Die werden durch
Verkleinerung der Blendenöffnung kleiner, so dass die Linse nun die Kerzen in der Länge
der Zone A bis B scharf abbildet.
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ERGEBNIS
Die Länge des Bereichs, in Richtung der optischen Achse gemessen, in dem Gegenstände
von einer Linse ausreichend scharf abgebildet werden, heißt Schärfentiefe.
Dabei ist die Blendenzahl = Objektivbrennweite / Blendendurchmesser von Bedeutung.
Je größer die Blendenzahl, desto kleiner die Blendenöffnung und desto größer die
Schärfentiefe.
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KOMMENTAR
Wenn man den Schülern anschaulich vermitteln will, worum es sich bei der Blendenzahl
handelt, erfüllt dieser Versuch den Zweck ganz gut.
Aber auch möchte ich ein letztes mal hinzufügen, dass es für beide Parteien, Schüler und
Lehrer, sinnvoller ist eine "echte", "greifbare" Photokamera vor Ort zu haben und eben
konkret mit dieser zu arbeiten.
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2.5. Die Lochkamera (Camera obscura)
2.5.1. Beschreibung
Abb.17: Schematischer Aufbau der Lochkamera
Fotografieren mit der Lochkamera ist in vieler Hinsicht vergleichbar mit der "normalen
Fotografie". Der Hauptunterschied liegt darin, dass die verwendete Kamera bzw. deren
Objektiv keine Linse aufweist. Stattdessen besitzt sie eine sehr kleine Öffnung (das "Pinhole"),
welche das Bild auf die lichtempfindliche Schicht (Film oder Papier) projiziert. Diese Tatsache
erfordert eine andere Arbeitsweise mit der Kamera (hauptsächlich weil die Belichtungszeiten
sehr lang werden) und erzeugt Bilder, die sich von Aufnahmen mit einer üblichen Kamera in
mehrfacher Hinsicht unterscheiden.
Während eine Linse ein Bild dadurch erzeugt, dass sie alle auf sie treffenden Lichtstrahlen von
jedem Punkt des Aufnahmeobjekts in einem gemeinsamen Brennpunkt vereinigt, erzeugt das
Loch einer Lochkamera überhaupt keinen Brennpunkt. Idealerweise wäre das Loch ein Punkt,
also nur so groß, dass von jedem Punkt des Objekts lediglich ein Lichtstrahl passieren könnte.
Dieser Lichtstrahl träfe den Film natürlich ebenfalls nur in einem Punkt. Ein Lichtstrahl von
einem anderen Punkt des Objekts würde damit auch den Film an einem anderen Punkt treffen.
Die Summe aller durch das Loch einfallenden Strahlen würde so ein exaktes Abbild des
Objekts auf dem Film erzeugen. Würde man die Filmebene vor oder zurück bewegen, bliebe
das Bild unverändert, lediglich seine Größe würde sich abhängig von der Entfernung zum Loch
ändern.
In Wahrheit ist das Loch natürlich niemals nur ein Punkt. Es werden also von jedem Punkt des
Aufnahmeobjekts mehrere Lichtstrahlen ankommen und auf dem Film auftreffen. Ab hängig
von der Größe des Lochs werden diese Lichtstrahlen etwas gestreut. Dies ist ein Grund, warum
Aufnahmen mit der Lochkamera immer etwas weicher (unschärfer) sind als Aufnahmen durch
ein Linsensystem. Ein zweiter Grund liegt darin, dass an den Lochrändern
Beugungserscheinungen auftreten und die unmittelbar am Lochrand passierenden Lichtstrahlen
somit aus ihrer Bahn gelenkt werden.
Da es keinen Brennpunkt gibt, wird eine Lochkameraaufnahme über das gesamte Bildfeld
gleichmäßig scharf (soweit man hier von Schärfe sprechen kann, s.o.). In anderen Worten: es
gibt keine Beschränkung der Tiefenschärfe wie bei der Fotografie mit Hilfe von Linsen. Sehr
nahe Objekte (Entfernung Objekt-Loch kleiner als Entfernung zwischen Loch und Film)
werden allerdings aufgrund der Divergenz der von jedem Punkt des Objekts eintreffenden
Lichtstrahlen unschärfer abgebildet.
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2.5.2. Mögliche Versuche
Der Bau einer Lochkamera und anschließende Verwendung bietet sich an. Der Zeitaufwand
hierfür ist vielleicht zu groß. Rückblickend auf meine Schulzeit kann ich erwähnen, dass solche
Kameras im BE – Unterricht gebaut und benutzt wurden.
Im Physikunterricht sollte die Lochkamera auf jeden Fall behandelt werden, den Bau kann man
als Lehrer den Schülern als außerschulische Aktivität schmackhaft machen.
3. Einsatz im Unterricht
Abschließend möchte ich noch ein paar Worte darüber verlieren, wie das Thema "Optische
Instrumente" in der Schule konkret "verwertet" werden kann.
Tatsächlich vorgesehen sind die optischen Geräte laut Lehrplan, wie in 1.3.1 schon erwähnt in
der 4. Klasse AHS (HS). Von diesem Standpunkt her müssen viele Versuche, die von mir
aufgelistet wurden als recht kritisch eingeschätzt werden. Einige davon könnten den Schülern,
was das Verständnis der Versuche angeht, Schwierigkeiten bereiten. Unter "KOMMENTAR"
bei den jeweiligen Versuchen kann man mit nur wenig Phantasie auch schon herauslesen
welche Versuche damit gemeint sein könnten.
Nun aber weg von den praktischen Experimenten, hin zum fachlichen, inhaltlichen Aspekt.
Das Thema "Optische Geräte", dürfte, meiner Einschätzung nach, bei der Mehrheit der Schüler
doch mit regem Interesse entgegengenommen werden, da die meisten mit vielen solcher
Gerätschaften im Alltag zu tun haben. Das heißt, die Schüler können vorab, ohne große
Erläuterungen etwas mit dem "Schlagwort" "Optische Geräte" anfangen. Meine Aufgabe
besteht also in der Folge des Unterrichts darin, den Schülern die Funktion dieser "Dinger"
näher zu bringen, und etwaig auf den großen Stellenwert dieser in unser aller Leben
hinzuweisen. Soviel zum Inhaltlichen. Von der fachlichen Warte aus gesehen, halte ich das
Kapitel "Optische Linsen" für eminent wichtig, um das Verständnis der Funktionsweise der
optischen Geräte unter den Schülern zu sichern.
4. Literaturverzeichnis
Folgende Literaturquellen wurden zur inhaltlichen Gestaltung des Protokolls herangezogen:
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"Physik – Grundwissen, Formeln, Gesetze" von Heinz Gascha (Compact Verlag München)
"Physik" von Paul A. Tipler (Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg – Berlin –
Oxford)
"Gerthsen Physik" von Helmut Vogel (Springer Verlag)
Versuchsanleitungen nach Eydam – Kiel
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