Bildentstehung in Auge und Kamera

Experiment zur Bildentstehung mit einem Computer-Bilschirm als Lichtquelle. Bild: DLR (CC-BY 3.0).
Experiment zur Bildentstehung mit einem Computer-Bilschirm als Lichtquelle. Bild: DLR (CC-BY 3.0).
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Warum steht das Bild auf der Netzhaut im Auge auf dem Kopf? Diese Frage soll mit Hilfe des folgenden Experimentes geklärt werden. Die Schülerinnen und Schüler wechseln die Beobachtungsperspektive und beschreiben, was sie vom Schirm aus durch die Blende sehen können.

Arbeitsmaterial

Schlagwörter

(lineare) Lichtausbreitung, phänomenologische Optik, Blende, Bildentstehung bei der Abbildung mit Blenden

Benötigte Materialien

Für die Blende, den Schirm und die Pappe mit den Guckloch lassen sich gut alte Pappreste verwenden.Bild: DLR (CC-BY 3.0)
Für die Blende, den Schirm und die Pappe mit den Guckloch lassen sich gut alte Pappreste verwenden.
Bild: DLR (CC-BY 3.0)

- 3 verschiedenfarbige Lichtquellen (z.B. rot, grün, blau)

- große Blende aus Karton (Öffnung ca. 3 cm Durchmesser)

- Schirm aus weißem Karton

- DINA4 Pappe mit Loch (ca. 2-3cm)


 

Überblick

Im Fokus dieser Nachbereitung steht die Beschreibung von eigenen Beobachtungen. Die Schülerinnen und Schüler sollen ohne Verwendung eines Modells von Licht nur das beschreiben, was sie tatsächlich sehen (phänomenologische Optik).

Skizze des Aufbaus. Bild: DLR
Skizze des Aufbaus. Bild: DLR

Um das zu realisieren, wurde der Aufbau aus dem DLR_School_Lab reduziert. Statt einer Linse soll nun zuerst die Bildentstehung mit einer Blende untersucht werden. Das gewonnene Verständnis bietet dann die Grundlage für weitere Versuche mit Linsen.

Vor der Durchführung des Experimentes stellen die Schülerinnen und Schüler eine Hypothese auf, wie das Bild auf dem Schirm aussieht. Sie sollen dabei ihre Erfahrungen und Beobachtungen des Experimentes zum Strahlengang im Auge im DLR_School_Lab nutzen. Die Hypothese wird mit Hilfe des Experimentes geprüft. Als selbstleuchtende Gegenstände dienen drei farbige Lichtquellen. Auf dem Schirm sieht man die Anordnung der Lichtquellen um 180° gedreht bzw. auf dem Kopf.

Aufbau des Experimentes  Bild: DLR
Aufbau des Experimentes Bild: DLR

Um erfahrbar zu machen, warum das Bild auf dem Kopf steht begibt sich der Schüler direkt ins Experiment. Beobachtet werden sollen die Lichtquellen vom Schirm aus durch die Blende. Vom roten Bereich auf dem Schirm aus kann man durch die Blende nur die rote Lichtquelle sehen, weil das Licht sich geradlinig ausbreitet. Die beiden anderen Lichtquellen werden durch die Blende verdeckt. Das gleiche gilt für den blauen und grünen Bereich.

Bezug zum DLR_School_Lab-Besuch

Das Experiment Stahlengang im Auge vom DLR_School_Lab-Besuch. Bild: DLR
Das Experiment Stahlengang im Auge vom DLR_School_Lab-Besuch. Bild: DLR

Im Experiment zum Strahlengang im Auge im DLR_School_Lab haben die Schülerinnen und Schüler entdeckt, dass das Bild auf der Netzhaut im Auge auf dem Kopf steht. Dies wurde mit Hilfe eines F-Dias und einer Linse veranschaulicht. Warum steht das Bild auf dem Kopf? Diese Frage soll mit Hilfe des folgenden Experimentes geklärt werden.

Bezug zum Rahmenlehrplan

Im Rahmenlehrplan Naturwissenschaften des Landes Berlin findet man diesen Aspekt im Themenfeld Welt des Großen – Welt des Kleinen für Klasse 5/6 wieder. Schülerinnen und Schüler beschreiben Beobachtungen zu Lichtphänomenen aus Natur und Technik. Der inhaltliche Schwerpunkt dieser Nachbereitung ist die lineare Ausbreitung des Lichts.

Hintergrundwissen

Von einer Lichtquelle breitet sich das Licht geradlinig in alle Richtungen aus. In der geometrischen Optik wird die Richtung der Ausbreitung als Strahl dargestellt. Von jedem Punkt eines beleuchteten Gegenstandes gehen Lichtstrahlen in alle Richtungen aus. Sich kreuzende Lichtstrahlen durchdringen sich dabei ungestört.

Mit einer Blende kann man das Licht daran hindern sich in alle Richtungen auszubreiten. Das Bündel von Lichtstrahlen, das geradlinig durch eine Blende fällt, bildet dahinter auf einem Schirm einen Bildfleck. Die Größe des Bildflecks ist abhängig vom Abstand zwischen Blende und Schirm, der Größe der Blende und dem Abstand zur Lichtquelle. Ist die Lichtquelle unendlich weit entfernt, entspricht die Größe des Bildflecks auf dem Schirm der Größe der Blende.

Hinweise

Die Schüler beobachten den Lichtweg nicht nur aus der gewohnten seitlichen Perspektive, sondern auch vom Schirm aus. Bild: DLR
Die Schüler beobachten den Lichtweg nicht nur aus der gewohnten seitlichen Perspektive, sondern auch vom Schirm aus. Bild: DLR

Schülerinnen und Schülern fällt die Beschreibung einer Beobachtung häufig schwer. Sie nutzen häufig Modellvorstellungen bei der Beschreibung („Ich sehe, wie die roten Lichtstrahlen in meine Augen kommen“). Achten Sie darauf, dass die Schüler in ihren Beobachtungen nur das beschreiben, was sie tatsächlich sehen können („Ich sehe die rote Lampe“).

Für die Beschreibung des Lichts werden verschiedene Modelle verwendet. In der geometrischen Optik wird der Weg des Lichts durch Strahlen dargestellt. Das Strahlenmodell des Lichts hat wie jedes andere Modell Grenzen und kann Fehlvorstellungen hervorrufen. Wichtig ist es, den Schülerinnen und Schülern deutlich zu machen, dass das Strahlenmodell nur ein Modell ist, welches einige Eigenschaften des Lichts gut beschreibt.

Die Pappe und das Tuch verringern das Streulicht des Computers. Auf dem Bildschirm ist eine Grafik mit drei farbigen Kreisen zu sehen. Bild: DLR (CC-BY 3.0)
Die Pappe und das Tuch verringern das Streulicht des Computers. Auf dem Bildschirm ist eine Grafik mit drei farbigen Kreisen zu sehen. Bild: DLR (CC-BY 3.0)

Um von der Beobachtung auf die geradlinige Lichtausbreitung schließen zu können, muss den Schülerinnen und Schülern der Sehvorgang deutlich sein. Wir sehen selbstleuchtende Gegenstände, weil Licht vom Gegenstand aus in unser Auge fällt. Nicht leuchtende Gegenstände können wir sehen, wenn Licht auf diesen Gegenstand fällt. Dieses Licht wird vom Gegenstand gestreut und fällt dann in unser Auge. Stellen Sie vor Bearbeitung des Experiments sicher, dass der Sehvorgang von allen verstanden wurde, diese bildet die Basis für alle optischen Experimente.

Sozialform

Das Experiment eignet sich gut für eine Gruppenarbeit, da die einzelnen Materialien im Experiment gehalten werden müssen. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass durch die Rotation der Mitglieder aktiv der Perspektivwechsel vollzogen werden kann.

Weiterführende Ideen

Das Experiment lässt sich gut mit Experimenten zur Lochkamera verknüpfen. Der Aufbau eignet sich auch für ein Experiment zur additiven Farbmischung. Weiterführend können gut Experimente zu Linsen oder zum Farbensehen folgen.

Zum Nach- und Weiterlesen