Objektive, Filter und Sensoren wie funktioniert die Fotograie? VORANSICHT. Mit Expertenpuzzle zu den physikalischen Eigenschaften des Lichts!

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1 6. Wie funktioniert die Fotograie? 1 von 32 Objektive, Filter und Sensoren wie funktioniert die Fotograie? Doris Walkowiak, Görlitz Wie entstehen in der Kamera Bilder? Wovon hängt es ab, ob diese korrekt belichtet und scharf sind? Spätestens seit dem Siegeszug der digitalen Fotograie ist es jedem Schüler mit relativ wenig Aufwand möglich, Fotos zu erstellen. Dabei spielt es zunächst einmal keine Rolle, ob die Aufnahmen mit einem Handy, einer Kompaktkamera oder einer teuren Spiegelrelexkamera gemacht wurden. Sobald man aber Wert auf qualitativ gute Bilder legt, kommt man um die physikalischen Hintergründe nicht mehr herum. Mit Expertenpuzzle zu den physikalischen Eigenschaften des Lichts! Klasse: Dauer: Ihr Plus: Fotopraxis 9 Einzelstunden 3 Doppelstunden Geonext-Dateien zur Bildentstehung an Linsensystemen und zum Zusammenhang zwischen Blende und Verschlusszeit Digitale Spiegelrelexkamera Der Beitrag im Überblick Inhalt: Licht und seine Eigenschaften Linsen, Objektive, Filter Belichtung digitale Bilder und ihre Entstehung Präsentation von Fotos Fotopraxis (Unschärfen und Belichtung) D. Walkowiak

2 2 von Wie funktioniert die Fotograie? Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Das Thema Fotograie interessiert die meisten Schüler Es fällt häuig schwer, die Schüler für den Unterricht im Fach Physik zu motivieren. Vielfach bestimmen Vorurteile wie Physik macht keinen Spaß, Physik ist schwer oder Das brauche ich später sowieso nie wieder die Grundstimmung. Das Thema Fotograie eignet sich dazu, dies zu ändern. Greifen Sie alltägliche Phänomene aus dem Bereich der Optik auf. Die Schüler erkennen bei der Beschäftigung mit diesem Beitrag zum Thema Fotograie die diesen Alltagsphänomenen zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeiten und lernen, diese Gesetzmäßigkeiten anzuwenden. Dies schließt sowohl technische Grundlagen als auch künstlerische und ethische Aspekte mit ein, wodurch Sie insbesondere auch das Interesse der Mädchen am Physikunterricht fördern. So spielen z. B. die Welleneigenschaften des Lichts beim Einsatz von Filtern und dem Verständnis ihrer Wirksamkeit eine wichtige Rolle. Auf diesem Wissen baut der kreative und zielgerichtete Einsatz solcher Filter auf und ermöglicht damit effektvolle und qualitativ hochwertige Fotos. Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts Vorwissen Der Teil 2 zur Technik des Fotograierens greift einige wenige Themen des Teils 1 (vgl. RAAbits Physik I/E Reihe 8, Februar 2012) auf und vertieft diese. Die meisten Inhalte werden aber neu oder unter einem anderen Blickwinkel betrachtet. Beide Beiträge sind voneinander völlig unabhängig, sie ergänzen sich aber. Insbesondere die Fotopraxis aus Teil 1 vermittelt wichtige Grundlagen der Fotograie, welche im Teil 2 nicht noch einmal wiederholt werden. Die Materialien zeigen den Schülern, wie sich physikalisches Wissen aus dem Bereich der Optik in der Fotograie anwenden lässt. Die entsprechenden Kenntnisse werden vorausgesetzt. Setzen Sie die Arbeitsblätter deshalb am Ende des Stoffgebietes oder im Rahmen von Projekttagen (oder fächerübergreifendem Unterricht) ein. Material M 1 dient der Wiederholung bzw. Vermittlung der theoretischen Grundlagen. Alle anderen Materialien können die Schüler losgelöst voneinander, beliebig gruppiert und in anderer Reihenfolge bearbeiten. Zu den Geonext-Dateien Zur Simulation à der Bildentstehung an Linsensystemen und à zum Zusammenhang zwischen Blende und Verschlusszeit stehen html-dateien zur Verfügung. Diese müssen sich mit der Datei geonext.jar im selben Verzeichnis beinden. Dann lassen sie sich direkt starten und werden bei installierter Java-Umgebung automatisch im Standardbrowser geöffnet. Um die Lauffähigkeit der Beispieldateien sicherzustellen, ist es sinnvoll, die jeweils aktuellen Versionen von Java und Geonext zu installieren. Zum Expertenpuzzle M 1 In der Stammgruppe jeder arbeitet für sich Als Erstes teilen Sie die Klasse in Stammgruppen (max. 4 Schüler) ein. Jeder Schüler erhält ein anderes Thema und den Arbeitsauftrag, sich über dieses Thema zu informieren und zwar allein. Die Schüler wiederholen ihre Kenntnisse zu einem der aufgeführten Themen. Sie informieren sich über die ihnen noch nicht (oder nicht mehr) bekannten Inhalte mithilfe des Lehrbuch und/oder des Internets.

3 6. Wie funktioniert die Fotograie? 3 von 32 In der Expertengruppe sich gemeinsam Wissen aneignen Die Stammgruppe wird vorübergehend aufgelöst und die Schüler bilden Expertengruppen. Das bedeutet, dass sich all diejenigen treffen, die dasselbe Thema bearbeitet haben. In der Expertengruppe besprechen die Schüler die Ergebnisse, die sie individuell erarbeitet haben. Sie unterstützen sich gegenseitig, um Experten für dieses Teilgebiet zu werden. Danach planen sie gemeinsam, wie sie das von ihnen erarbeitete Wissen an die Nicht- Experten in den anderen Gruppen weitergeben können, welche Hilfsmittel sie einsetzen und wie sie sich die Zeit einteilen. Außerdem überlegen sich die Experten eine Aufgabe, die sie den Nicht-Experten zur Kontrolle stellen können. Zurück in der Stammgruppe Wissen austauschen Anschließend gehen die Schüler zurück in ihre Stammgruppen. Diese setzen sich nun aus je einem Vertreter der verschiedenen Expertengruppen zusammen. Jeder Experte informiert die anderen über sein Teilgebiet. Dabei übernimmt er für seine Ergebnisse die Verantwortung. Die anderen Schüler notieren alle Ergebnisse. Anschließend stellt jeder Schüler Aufgaben zu seinem Teilgebiet, um zu überprüfen, ob die anderen den Stoff verstanden haben. Danach stellen einige Experten der gesamten Klasse ihre Inhalte in einem kurzen Vortrag (max. 15 min) vor.

4 6 von Wie funktioniert die Fotografie? Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie Sim = Simulation M 1 Ab V: 45 min D: 90 min Wiederholen Sie Ihr Wissen! Ein Expertenpuzzle M 2 Ab Analog zu digital Arten und Aufbau von Kameras M 3 SV, Sim Scharf oder nicht scharf? Die Brennweite einer Sammellinse V: 20 min D: 45 min Lineal (möglichst 1 m) Zubehör für die optische Bank: Leuchte Sammellinse Dia Schirm Befestigungsmaterial M 4 SV, Sim Wenn Linsen kombiniert werden Objektive V: 5 min D: 35 min optische Bank mit Lichtquelle und Dia Lineal (möglichst 1 m) 3 Linsen (z. B. f 1 = 50 mm, f 2 = 100 mm, f 3 = 100 mm) M 5 Ab, SV Auf den richtigen Durchblick kommt es an Filter V: 15 min D: 10 min LCD-Anzeige (Handy, Taschenrechner oder LCD-Monitor) 2 Polarisationsfilter Polfilterbrille M 6 Ab, Sim Wenn die Sonne lacht, nimm Blende acht! Belichtung M 7 Ab Wie und wo entsteht das Bild? M 8 Ab Präsentation von Fotos M 9 Ab, SV Fotopraxis Bildunschärfen M 10 Ab, SV Fotopraxis Belichtung Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 19.

5 6. Wie funktioniert die Fotografie? 7 von 32 M 1 Wiederholen Sie Ihr Wissen! Ein Expertenpuzzle THEMA 1 Modelle in der Physik (z. B. Lichtstrahl), Reflexion und Brechung, Totalreflexion THEMA 2 Bildentstehung an Linsen (Allgemeines, Abbildungsgleichung mit Herleitung, Abbildungsmaßstab) THEMA 3 Das Sehen (Aufbau des Auges, Bildentstehung, Farbempfindung, räumliches Sehen) THEMA 4 Welleneigenschaften des Lichts (Dispersion, Interferenz, Beugung, Huygens) THEMA 5 Spektrum des Lichts (Einordnung ins elektromagnetische Spektrum, Farben, Farbtemperatur, UV und IR) Lampe / Laser Strahlteiler D. Walkowiak THEMA 6 Farbsysteme (RGB, CMY, Farbaddition, -subtraktion), Anwendungen

6 8 von Wie funktioniert die Fotografie? Das Expertenpuzzle Folie 1 Thema 1 Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel Brechungsgesetz: sin α = c 1 sin β c 2 Thema 2 Abbildungsgleichung Thema 3 Iris Hornhaut Netzhaut Linse Sehnerv Glaskörper

7 6. Wie funktioniert die Fotografie? 9 von 32 Das Expertenpuzzle Folie 2 Thema 4: Beugung am Doppelspalt Thema 5: Spektrum des Lichts Thema 6 CMY RGB

8 6. Wie funktioniert die Fotograie? 11 von 32 M 3 Scharf oder nicht scharf? Die Brennweite einer Sammellinse Aufgabe Bestimmen Sie die Brennweite einer Sammellinse mit drei verschiedenen Verfahren. Schülerversuch Vorbereitung: 20 min Durchführung: 45 min Materialien Lineal (möglichst 1 m) Zubehör für die optische Bank: Leuchte Sammellinse Aufgaben zur Vorbereitung Schirm Befestigungsmaterial Dia 1. Wie kann man die Brennweite einer Sammellinse direkt messen? Fertigen Sie dazu eine Skizze an und schreiben Sie die Geräte auf, die Sie benötigen. 2. Planen Sie ein Experiment zur Bestimmung der Brennweite mithilfe der Abbildungsgleichung. Welche Größen müssen Sie messen? Skizzieren Sie den Versuchsaufbau und schreiben Sie die benötigten Geräte auf. 3. Informieren Sie sich zur Bestimmung der Brennweite nach Bessel. Beschreiben Sie das Verfahren, notieren Sie die dazugehörige Gleichung und die zu messenden Größen. Versuchsdurchführung 1. Messen Sie den Abstand zwischen der Ebene, in der der Mittelpunkt der Linse liegt, und Brennpunkt. Achten Sie dabei auf parallelen Lichteinfall. 2. Bestimmen Sie die Brennweite mithilfe der Abbildungsgleichung. Führen Sie die Messung mehrmals durch und bilden Sie den Mittelwert. 3. Bestimmen Sie die Brennweite mit dem Verfahren nach Bessel. Führen Sie die Messung mehrmals durch und bilden Sie den Mittelwert. Auswertung 1. Vergleichen Sie die drei Verfahren hinsichtlich ihrer Messgenauigkeit. Führen Sie dazu auch eine Fehlerbetrachtung durch (zufällige und systematische Fehler). 2. Informieren Sie sich bei Ihrer Lehrkraft über die Brennweite der Linse. Berechnen Sie für die Verfahren 2 und 3 den relativen Fehler in Prozent. Zur Info: Relativer Fehler x Der relative Fehler verdeutlicht die Abweichung Δx vom Messwert x x im Verhältnis zu diesem. Er wird in Prozent angegeben. In unserem Fall ist der Messwert x die Brennweite der Linse. Die Abweichung Δx berechnet sich aus der Differenz zwischen gemessener und tatsächlicher Brennweite.

9 12 von Wie funktioniert die Fotograie? M 4 Wenn Linsen kombiniert werden Objektive Objektive bestehen aus mehreren Linsen, welche auf verschiedene Art und Weise miteinander kombiniert sind. Je nach Brennweite unterscheidet man in der Fotograie Weitwinkelobjektive (ca. 18 mm bis 35 mm), Normalobjektive (um 50 mm) und Teleobjektive (ab ca. 70 mm). Darüber hinaus teilt man Objektive in sogenannte Festbrennweiten und Zoomobjektive ein. Bei Letzteren wird durch Drehung am Zoom-Ring die Position der einzelnen Linsen untereinander verändert. Ein wesentliches Qualitätsmerkmal von Objektiven ist die Lichtstärke, welche bei Festbrennweiten in der Regel höher ist. Aufgabe Welchen Einluss hat die Brennweite auf den Bildausschnitt und die Größe des Bildes? Wann steht das Bild umgekehrt? Wie kann man durch die Kombination mehrerer Linsen das Bild verändern? Schülerversuch Vorbereitung: 5 min Durchführung: 35 min Materialien optische Bank mit Lichtquelle und Dia 3 Linsen (z. B. f 1 = 50 mm, f 2 = 100 mm, f 3 = 50 mm) Versuchsaufbau Lineal (möglichst 1 m) D. Walkowiak Durchführung Geben Sie sich einen festen Abstand zwischen Gegenstand und Schirm vor (z. B. 50 cm oder 80 cm) und behalten Sie diesen für alle Experimente bei. Der Gegenstand soll bei allen Experimenten außerhalb der doppelten Brennweite stehen. 1. Erzeugen Sie mit der ersten Sammellinse ein scharfes Bild. Beschreiben Sie dieses. 2. Wiederholen Sie den Versuch mit der anderen Sammellinse. Beschreiben Sie das Bild. 3. Welchen Einluss hat die Brennweite auf den Bildausschnitt und die Größe des Bildes? 4. Kombinieren Sie die beiden Sammellinsen so, dass ihr Abstand d größer als die Summe der beiden Brennweiten ist (d > f 1 + f 2 ). Verschieben Sie die dem Schirm zugewandte Linse und beschreiben Sie die Veränderungen. 5. Kombinieren Sie nun die Sammel- und die Zerstreuungslinse (Brennweite f 3 = 50 mm ist negativ!) und erzeugen Sie ein scharfes Bild. Beschreiben Sie die Veränderungen. 6. Zeichnen Sie zu 4. und 5. maßstabsgerecht den Strahlenverlauf.

10 14 von Wie funktioniert die Fotografie? M 6 Wenn die Sonne lacht, nimm Blende acht! Belichtung Wie entsteht ein korrekt belichtetes Bild? Welche Faktoren spielen dabei eine Rolle? Aufgaben 1. Von welchen Größen hängt die Belichtung eines Fotos ab und wie können diese Größen verändert werden? Bei der Belichtung wirken Blende und Verschlusszeit zusammen. Dies kann man sich wie das Füllen eines Glases mit Wasser aus einem Hahn vorstellen. 2. Beschreiben Sie die Bilderserie zum Füllen des Wasserglases. Übertragen Sie dies auf das Zusammenspiel zwischen Blende und Verschlusszeit. 1h 3 h 4 Die Blendengröße wird als Bruchteil der Brennweite angegeben. Blende 2 bedeutet also, dass der Durchmesser der Blende die Hälfte der Brennweite beträgt, bei Blende 8 ist es 1/8. Deshalb bedeutet eine größere Blendenzahl auch eine kleinere Blendenöffnung. Wie viel Licht dann tatsächlich in die Kamera fällt, hängt vom Objektivtyp ab. 3. Untersuchen Sie den Zusammenhang zwischen der Blende und der Verschlusszeit t und tragen Sie die Werte in folgende Tabelle ein. Öffnen Sie dazu die Datei Belichtung.html. 1 h 2 1 h 4 Blende 2,8 4 5, t [in s] 4. Welchen Einfluss hat die ISO-Zahl auf das Bild? Wann ist es sinnvoll, diesen Wert manuell zu verändern? 5. Was geben die Werte im Bild an? Bewerten Sie diese. D. Walkowiak

11 6. Wie funktioniert die Fotografie? 17 von 32 M 9 Fotopraxis Bildunschärfen Unschärfen im Bild müssen nicht immer etwas Schlechtes sein. Man unterscheidet im Wesentlichen zwischen Tiefenunschärfe und Bewegungsunschärfe. Die Tiefenschärfe kann man vor allem durch die Wahl der Blendenöffnung beeinflussen. Hier gilt: Je kleiner der Blendenwert, desto geringer die Tiefenschärfe. Fotos: D. geringe Tiefenschärfe (Blende 1,8) große Tiefenschärfe (Blende 8) Durch die geringere Tiefenschärfe tritt das Motiv besser in den Vordergrund. Bewegungsunschärfe entsteht, wenn die Verschlusszeit so groß ist, dass sich das Motiv während dieser Zeit an der Kamera vorbei bewegt und damit eine Spur auf dem Sensor erzeugt. Dies kann wie im nebenstehenden Bild erwünscht sein, um dem Foto mehr Dynamik zu verleihen. Bei schlechten Lichtverhältnissen ist es oft notwendig, eine längere Belichtungszeit zu wählen. Dies passiert meist automatisch. Dann kann es zu Verwacklungen kommen, die in der Regel unerwünscht sind. Hier kann auch eine höhere ISO-Zahl helfen. Walkowiak Aufgaben Bewegungsunschärfe beim London-Marathon 1 (Verschlusszeit 13 s) 1. Fotografieren Sie ein und dasselbe Motiv mit verschiedenen Blendeneinstellungen (Modus Av). Nutzen Sie dabei möglichst ein Stativ oder legen Sie die Kamera irgendwo auf. Vergleichen Sie die Bilder. 2. Fotografieren Sie denselben Bildausschnitt mit verschiedenen Brennweiten. Gehen Sie dabei einmal möglichst dicht an das Motiv heran (geringe Brennweite) und dann möglichst weit weg (große Brennweite). Vergleichen Sie die Bilder. 3. Experimentieren Sie mit verschiedenen Verschlusszeiten (Modus Tv). Fotografieren Sie Motive, die sich unterschiedlich schnell bewegen (Fußgänger, fahrende Autos, ). Welche Einstellung ist am besten? Nutzen Sie evtl. auch ein Stativ. 4. Testen Sie, bis zu welcher Verschlusszeit Sie noch verwacklungsfreie Bilder aus der Hand schießen können.

12 6. Wie funktioniert die Fotograie? 19 von 32 Erläuterungen und Lösungen M 1 Wiederholen Sie Ihr Wissen! Ein Expertenpuzzle Dieses Material dient zur Sicherung des Ausgangsniveaus. Die sechs Themen bilden das Grundwissen, welches für die Bearbeitung der nachfolgenden Materialien notwendig ist. Dafür sind insgesamt drei Einzelstunden einzuplanen eine zur Vorbereitung und zwei zur Präsentation der Ergebnisse. Sie können natürlich auch Themen weglassen oder hinzufügen. Wie das Expertenpuzzle funktioniert, ist im Theorieteil (Seite 2 und 3) beschrieben. Es würde an dieser Stelle zu weit führen, zu jedem der Themen ausführliche Inhalte anzugeben. Im Prinzip geht es darum, den in vorangegangenen Stunden oder Schuljahren behandelten Stoff aufzufrischen. Dies passiert zum einen aus dem Blickwinkel der Strahlenoptik (Themen 1 bis 3) und zum anderen unter Betrachtung der Welleneigenschaften des Lichts (Themen 4 und 5). Wirklich neu dürfte höchstens der Bereich Farben sein (Thema 6). Eventuell können die Schüler dazu auch das Material M 2 aus dem vorangegangenen Teil 1 der Technik des Fotograierens (RAAbits Physik I/E Reihe 8, 26. EL, Februar 2012) bearbeiten. Ausgewählte Lösungen zu Thema 5: Farbtemperatur: Je nach Tageszeit oder Art der Beleuchtung nehmen wir Farben unterschiedlich wahr. Um dies messbar zu machen, werden den einzelnen Spektralbereichen sogenannte Farbtemperaturen zugewiesen. zu Thema 6: Farbsubtraktion (CMY) Magenta + Cyan = Blau Magenta + Yellow = Rot Yellow + Cyan = Grün Cyan + Magenta + Yellow = Schwarz Farbaddition (RGB) Rot + Blau = Magenta Rot + Grün = Yellow Blau + Grün = Cyan Rot + Grün + Blau = Weiß Anwendung: Drucker Anwendung: Farb-Bildschirme

13 20 von Wie funktioniert die Fotograie? M 2 Analog zu digital Arten und Aufbau von Kameras Da das Wissen der einzelnen Schüler zum Thema Kamera sehr unterschiedlich ist, sollte nach einer kurzen Vorbereitungszeit ein reger Gedankenaustausch stattinden. Dabei kann es auch zu unterschiedlichen Meinungen kommen, z. B. wenn es darum geht, ob eine Digitalkamera genauso gut wie eine analoge Kamera ist. Um diese Unterrichtseinheit möglichst anschaulich zu gestalten, sollten die Schüler eigene Kameras in den Unterricht mitbringen und diese kurz vorstellen. Lösungen analoge Kamera Objektiv: Scharfstellen des Bildes durch Veränderung des Abstandes zwischen Linse(n) und Sensor bzw. der Positionen der Linsen untereinander Blende: Öffnung, mit der die Lichtmenge, die auf den Sensor fällt, verändert wird Verschluss: reguliert, wie lange das Licht auf den Sensor fällt Sensor: empfängt das optische Signal und wandelt es in elektronische Signale um Gehäuse: Schutzfunktion, Abschirmung des Lichts Webcam Handycam Kompaktkamera digitale Spiegelreflexkamera Wechselobjektive x x relativ teuer x x klein, handlich (x) 1 x x fast immer dabei x sehr einfaches Objektiv x x meist nur digitaler Zoom x x viele manuelle Einstellmöglichkeiten einfach zu handhaben x x hohe Bildqualität x x Film x Bildsensor x x x x vielfältige Fotoeffekte (Spaßprogramme) (x) 2 x Videofunktion (x) 3 x x (x) 4 meist nur geringe Aulösung Bilder können im Nachhinein bearbeitet werden x (x) 2 x x x x 1 Eine Webcam ist zwar klein, aber unhandlich, da sie in der Regel durch ein Kabel mit dem PC verbunden ist. 2 abhängig vom Typ 3 nur im Zusammenhang mit einem PC x 4 erst bei neueren Kameratypen

14 6. Wie funktioniert die Fotograie? 21 von 32 digitale Spiegelrelexkamera analoge Spiegelrelexkamera digitale Webcam digitale Handycam digitale Kompaktkamera M 3 Scharf oder nicht scharf? Die Brennweite einer Sammellinse Planen Sie für die Vorbereitung, Durchführung und Auswertung des Experimentes eine Doppelstunde ein. Stellen Sie den Schülern die Materialien für die optische Bank (Leuchte, Sammellinse, Dia, Schirm, Befestigungsmaterial) und ein mindestens 1 m langes Lineal zur Verfügung. Diese Materialien sollten die Schüler gezielt anfordern (siehe Aufgaben zur Vorbereitung). Lösungen für die Aufgaben zur Vorbereitung 1. Wichtig für dieses Experiment ist, dass das Licht parallel einfällt. Dies erreichen Sie entweder durch die Nutzung einer weit entfernten Lichtquelle (Sonne) oder durch eine Leuchte, bei der sich der Abstand zwischen interner Linse und Lampe regulieren lässt. Auf jeden Fall sollte die Lichtquelle möglichst weit weg vom Schirm stehen. Versuchsskizze: D. Walkowiak Geräte: Sammellinse, Lineal, Schirm