Optische Geräte

Auf dieser Seite erfährt man, wie Linsen Gegenstände abbilden, wie das Auge physikalisch „funktioniert“ und wie man von der einfachen Lochkamera zum Fotoapparat kommt. Wie man mittels Fernrohren und Mikroskopen weit entfernte oder sehr kleine Gegenstände abbilden kann, wird hier ebenfalls beschrieben.

Arbeitsmittel

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Sender und Zwischensender

Damit du einen Baum in der Landschaft siehst, muss Licht von einem Sender – etwa der Sonne – ausgehen und zum Baum gelangen. Jeder Punkt des Baumes reflektiert dieses Licht (der Baum wird sozusagen zu einem Zwischensender für das Licht) und wenn dieses reflektierte Licht in das Auge (Empfänger) gelangt, dann siehst man den Baum.

Für die Lichtausbreitung verwendet man unterschiedliche Modelle, damit diese leichter beschreibbar ist.

Betrachten wir zwei Modelle für die Lichtausbreitung von einem Leuchtpunkt der Kerzenflamme zum Auge.

Lichtbündel sind nur ein Modell für die Lichtausbreitung in einem bestimmten Raumbereich, zum Beispiel der Teil des Lichtes, der auf die Linse unseres Auges fällt.

Einzelne Lichtstrahlen sind ein Modell für die Lichtausbreitung in eine ganz bestimmte Richtung. Dieses Modell der Lichtstrahlen erleichtert manchmal das Zeichnen der Lichtwege. Man muss sich aber immer klar sein, dass Licht von einem Punkt eines Senders oder Zwischensenders in alle Raumrichtungen weggeht.

Optische Linsen

Nun untersuchen wir, was passiert, wenn Licht durch Linsen fällt.

Lup
Mit einer Lupe erscheint die Schrift größer.
Kugellinse
Mit einer Kugellinse wird die Schrift vergrößert.

Betrachtet man die Lupe genauer, dann hat sie folgendes Aussehen.

Die Glaslupe ist in der Mitte dicker als am Rand.

Manche Brillen verwenden eine ähnlich geformte Linse. Für Brillen verwendet man aber auch noch andere Linsen, nämlich solche, die in der Mitte dünner als am Rand sind.

für Weitsichtigkeit für Kurzsichtigkeit
Solche Linsen werden in Brillen verwendet.

Um zu verstehen, wie durch Lupen und Brillen vergrößerte Bilder entstehen, betrachten wir einen Gegenstand durch verschiedene Linsen.

Linsentyp I

Diese Linse ist in der Mitte dicker als am Rand.

Verschiebe die Linse und versuche das Licht auf der Leinwand zu fokussieren.

Beobachte die Bildentstehung bei Linsen unterschiedlicher Krümmung und beantworte folgende Fragen.

Was passiert durch die Änderung der Krümmung der Linse?

Je stärker die Linse gekrümmt ist, desto näher liegt der Bildpunkt bei der Linse. Die Entfernung des Bildpunktes von der Linse hängt von der Krümmung der Linse ab.

Was passiert durch die Änderung der Position des Gegenstands relativ zur Linse?

Je weiter der Gegenstand von der Linse entfernt ist, desto näher liegt der Bildpunkt bei der Linse.

Linsentyp II

Diese Linse ist in der Mitte dünner als am Rand.

Info für Lehrer*innen

Von der Lochkamera zum Fotoapparat

Ein einfaches optisches Gerät, das man selbst bauen kann, ist eine Lochkamera. Die einfachste Lochkamera besteht aus einem lichtundurchlässigen Gehäuse mit einem kleinen Loch auf der einen Seite und einem Transparentpapier als Abschluss auf der anderen Seite, auf dem das Bild des Gegenstandes entsteht.

Eine Lochkamera kann aus einer Schachtel gebaut werden.

Man erkennt, dass das Bild, das eine Lochkamera vom Gegenstand erzeugt, immer verkehrt zum Gegenstand ist. Die Erklärung dafür ist ganz einfach: Das Licht der Kerzenflamme breitet sich nach allen Seiten aus. Wir betrachten nur den Teil des von der Kerzenspitze ausgehenden Lichtbündels, der durch das kleine Loch der Lochkamera geht. Dieses Lichtbündel trifft auf den Transparentschirm auf und man sieht dort den Bildpunkt der Kerzenspitze. Man erkennt, dass das Bild der Spitze der Kerzenflamme nach unten weist. Umgekehrt verhält es sich mit dem Lichtbündel, das vom unteren Teil der Kerzenflamme ausgeht. Es entsteht also auf dem Schirm ein umgekehrtes Bild des Gegenstandes. Genauso kann man zeigen, dass das Bild seitenverkehrt ist.

Wovon hängen Bildgröße und Schärfe des Bildes ab?

Zuerst wird geprüft, wie sich die Bildgröße vom Abstand der Blende zum Schirm verändert.

Das Bild ist dann umso größer, wenn der Abstand zwischen Blende und Schirm größer wird. Ein größeres Bild erscheint aber weniger hell.

Nun untersucht man den Einfluss der Größe des Lochs auf das Bild.

Je kleiner das Loch ist, desto schärfer ist das Bild; es wird allerdings auch weniger hell erscheinen.

Warum wird bei kleinerer Blendenöffnung das Bild schärfer?

Eine kleinere Blendenöffnung (ein kleineres Loch) bedeutet, dass das Lichtbündel, das auf den Schirm trifft, den Lichtpunkt auch kleiner abbildet, also schärfer.

Fotoapparat

Ein Fotoapparat ist im Prinzip eine verbesserte Lochkamera.

Bei einem einfachen Fotoapparat wird das Licht, das vom Fotoobjekt kommt, durch die Objektivlinse auf die Schirmebene abgebildet.

Digitalkamera

Bei Digitalkameras wird das Bild auf einem CCD-Chip gespeichert. Dieses Halbleiterbauelement besteht aus vielen kleinen, schachbrettartig angeordneten Zellen (Pixeln). Fällt Licht auf den CCD-Chip, so ist die Intensität des auf verschiedene Stellen fallenden Lichtes unterschiedlich. Diese unterschiedliche Lichtintensität bewirkt eine unterschiedliche Aufladung der Pixel. Diese Ladungen werden ausgelesen, in ein digitales Bild umgewandelt und in einem Speicher abgelegt.

Blende und Belichtungszeit

Durch die Blende kann man die einfallende Lichtstärke regeln. Bei einer kleinen Blendenöffnung fällt zwar weniger Licht durch das Objekt in das Kamerainnere ein, das Bild wird aber schärfer. Die Zeitdauer, für die der Verschluss geöffnet ist, nennt man Belichtungszeit. Die Belichtungsdauer kann zwischen Minuten und tausendstel Sekunden betragen. Kameras haben zumeist einen Automatikmodus, sodass automatisch eine passende Kombination aus Belichtungszeit und Blendenöffnung eingestellt wird.

Unterschiedliche Objektive

Nach ihrer Brennweite werden 3 Gruppen von Objektiven unterschieden.

  • Bei einem üblichten Fotoapparat beträgt die Brennweite des Normalobjektivs 45 mm - 50 mm.
  • Objektive mit kleinerer Brennweite (20 mm - 45 mm) bezeichnet man als Weitwinkelobjektive, weil sie einen großen Winkelbereich abbilden.
  • Objektive mit größerer Brennweite (75 mm - 300 mm) nennt man Teleobjektive. Mit ihnen kann man weiter entfernte Gegenstände „heranholen“.
Eine Linse (4 cm Durchmesser) mit kleiner Brennweite zeigt mehr vom Gegenstand. Eine Linse (8 cm Durchmesser) mit großer Brennweite zeigt weniger vom Gegenstand, dafür aber größer.
Links ist die Brennweite kleiner als rechts. Beachte die unterschiedliche Darstellung der Bilder.

Das Auge, physikalisch betrachtet

Das Auge ist ein komplexes System, das aus folgenden Teilen aufgebaut ist.

    Abb. 9

    Beim Sehvorgang passiert Folgendes im Auge: Das vom Gegenstand ausgehende Lichtbündel wird durch die Augenlinse so gebündelt, dass auf der Netzhaut das Bild entsteht. Damit das Bild immer auf der Netzhaut entsteht, muss sich die Krümmung entsprechend verändern.

    Verschiebe den Gegenstand und stelle das Bild wieder scharf, indem du die Krümmung der Linse veränderst.

    Da im Alter die Fähigkeit verloren geht, die Krümmung der Augenlinse entsprechend verändern zu können, kommt es zur Altersweitsichtigkeit. Eine Brille kann die Altersweitsichtigkeit ausgleichen.

    Wähle Weitsichtigkeit aus und beobachte, wie eine Brille die Weitsichtigkeit korrigiert.

    Fernrohr und Mikroskop

    Warum kann man einen weit entfernten Gegenstand nicht sehen? Das hängt mit dem Betrachtungswinkel zusammen. Unter dem Betrachtungswinkel versteht man jenen Winkel, unter dem man einen Gegenstand sieht.

    Wie verändert sich der Betrachtungswinkel, wenn der gleiche Gegenstand weiter vom Betrachter entfernt ist?

    Damit man einen Gegenstand sehen kann, muss der Betrachtungswinkel mindestens zwei Winkelminuten betragen.

    Fernrohre

    Teleskop
    Fernrohre verwendet man, um weit entfernte Gegenstände sehen zu können.

    Ein Fernrohr liefert vom weit entfernten Gegenstand ein Bild mit größerem Betrachtungswinkel. Deshalb wirkt das Bild des Gegenstandes durch das Fernrohr vergrößert. Dies kann man mit einem System von Linsen bewerkstelligen.

    Je nachdem, welche Linsen man kombiniert, gibt es zwei Typen von Fernrohren: Das Keplersche Fernrohr und das Galileische Fernrohr.

    Das Keplersche Fernrohr

    Betrachtungswinkel im Kepler-Fernrohr Strahlengang im Kepler-Fernrohr

    1611 hat der Astronom Johannes Kepler ein Fernrohr gebaut, das aus zwei Sammellinsen besteht. Die beiden Linsen haben unterschiedliche Brennweiten, wobei das Objektiv eine große und das Okular eine kleine Brennweite hat.

    Das Galileische Fernrohr

    Betrachtungswinkel im Galileo-Fernrohr Strahlengang im Galileo-Fernrohr

    Es gab mehrere Astronomen und Instrumentenbauer, die im 17. Jahrhundert ein Fernrohr entwickelten, bei dem als Objektiv eine Sammellinse und als Okular eine Zerstreuungslinse verwendet wurde. Galileo Galilei hat diesen Fernrohrtyp weiterentwickelt, weshalb man es heute als Galilei-Fernrohr bezeichnet. Im Unterschied zum Keplerschen Fernrohr erhält man beim Galileischen Fernrohr ein aufrechtes Bild. Deshalb findet dieses Fernrohr Anwendung in Operngläsern und Fernrohren, mit denen man Naturbeobachtungen durchführt.

    Beachte: Weil Linsen immer auch zu Bildverzerrungen führen, baut man in Fernrohren jeweils Linsensysteme ein. Durch die Kombination verschiedener Linsen werden Linsenfehler jeder einzelnen Linse ausgeglichen.

    Lichtmikroskop

    Mikroskop

    Mit einem Mikroskop kann man von sehr kleinen Gegenständen ein großes Bild erzeugen. Dadurch wird der Betrachtungswinkel größer.

    Die folgende Zeichnung zeigt den Aufbau eines Mikroskops.

    Mikroskop
    Aufbau eines Mikroskops

    Das Mikroskop besitzt zwei Sammellinsen: das Objektiv und das Okular. Meistens sind mehrere Objektive verschiedener Brennweite auf dem Revolverkopf montiert, sodass man zu unterschiedlichen Vergrößerungen kommt.

    Vergrößerung und Auflösungsvermögen beim Mikroskop

    Man erkennt, dass es beim Mikroskop zu einer zweifachen Vergrößerung kommt. Das Zwischenbild ist bereits größer als der Gegenstand und das endgültige, virtuelle Bild ist nochmals größer.

    Strahlengang im Mikroskop
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