Physik beim Augenarzt Diagnose und Therapie von Sehfehlern

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1 1 von 26 Physik beim Augenarzt Diagnose und Therapie von Sehfehlern Monika Veismann, Dr. Henrike Schieferdecker, Bonn Volles Wartezimmer beim Augenarzt! Ella Kurzgut, Max Besserweit, Hannes Akkommod und Olivia Pupilla warten darauf, dass Ihre Schüler(innen) den Patienten die Ursachen für ihre Augenprobleme erklären und Vorschläge machen, wie man ihre Beschwerden z. B. mit einer Brille beheben kann. Strahlengang beim akkomodationsfähigen Auge kurzsichtig (Augapfel länger als gewöhnlich) Hannes Akkomod Olivia Pupilla normalsichtig weitsichtig weit entfernter Gegenstand Ella Kurzgut Max Besserweit Der Beitrag im Überblick Klasse: 7 Dauer: Ihr Plus: 2 Doppelstunden Große Motivation der Schüler durch ihre Rolle als Augenärzte Hoher Alltagsbezug Einsatz eines selbst entwickelten Augenmodells Handlungsorientierung durch Experimente und Präsentationen Inhalt: Ihre Schüler nutzen ihre Kenntnisse zur gradlinigen Lichtausbreitung und Bildentstehung an Linsen zur Entwicklung eines Augenmodells, zur Erklärung der Entstehung von Sehfehlern und zur Behandlung dieser Sehfehler.

2 2 von 26 Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Fachlicher Hintergrund Bei der Bildentstehung im Auge werden die einfallenden Lichtstrahlen durch ein optisches System, das aus Linse, Hornhaut, Kammerwasser und dem Glaskörper besteht, gebrochen und gelangen dann auf die Netzhaut. Auf der Netzhaut entsteht so ein reelles, verkleinertes und umgekehrtes Bild des betrachteten Gegenstandes. Um Gegenstände in unterschiedlicher Entfernung auf der Netzhaut scharf abzubilden, kann die Brechkraft der Linse variiert werden. Dies geschieht durch eine unterschiedliche Wölbung der Linse, die wiederum durch den Ziliarmuskel (einen Ringmuskel) reguliert wird. Bei diesem als Akkommodation bezeichneten Prozess kann die Brechkraft bzw. Brennweite der Linse so reguliert werden, dass das Bild des Gegenstandes auch bei unterschiedlicher Entfernung scharf auf der Netzhaut abgebildet wird: Bei der Betrachtung entfernter Gegenstände ist die Linse vergleichsweise flach und damit die Brennweite groß; bei der Nah- Akkommodation wölbt sich die Linse, wodurch die Brennweite geringer wird. Kurzsichtigkeit (Myopie) entsteht bei einem zu langen Augapfel oder bei einer für die Länge des Augapfels zu starken Brechkraft des optischen Systems. Weitsichtigkeit (Hyperopie) resultiert entsprechend aus einem zu kurzen Augapfel oder einer für die Länge des Augapfels zu geringen Brechkraft. Beide Formen der Fehlsichtigkeit lassen sich durch eine Brille mit Zerstreuungslinsen bei Kurz- bzw. Sammellinsen bei Weitsichtigkeit leicht korrigieren. Der Lichteinfall ins Augeninnere wird durch Verkleinerung bzw. Vergrößerung der von der Iris begrenzten Pupille reguliert, die somit als Blende fungiert. Während bei Dunkelheit die Pupille weit geöffnet ist, wird sie bei zunehmender Helligkeit mehr und mehr geschlossen, um einen zu starken Lichteinfall und damit eine mögliche Schädigung der Sehsinneszellen zu verhindern. In dieser Unterrichtseinheit verwenden wir ein sehr einfaches Modell für das Auge: Das optische System aus Linse, Hornhaut, Kammerwasser und Glaskörper wird durch eine Sammellinse ersetzt, die Netzhaut durch einen Schirm, als Pupille dient eine regulierbare Blende. Weit- und Kurzsichtigkeit wird nicht durch Änderung der Brennweite bzw. Brechkraft der Linse simuliert, sondern durch Veränderung des Abstandes zwischen Linse und Schirm. Didaktisch-methodische Hinweise Nach einer kurzen Wiederholung der Grundlagen zur Bildentstehung an Linsen (M 1) und des Aufbaus des Auges und der Netzhaut (M 2) zu Beginn der Stunde zeigen Sie eine typische Sehtafel (M 3), wie man sie von entsprechenden Untersuchungen beim Optiker oder Augenarzt kennt. Über den Bericht eigener Erfahrungen der Schüler mit dem Thema Augenarzt und Brille leiten Sie zum Thema der Unterrichtssequenz über, in der die Schüler als Augenärzte Fehlsichtigkeit diagnostizieren und behandeln sollen. Da keine echten Patienten zur Verfügung stehen, erarbeiten Sie zunächst gemeinsam mit den Schülern ein geeignetes Augenmodell. Dabei sollten den Schülern aus vorhergehenden Stunden die einzelnen Bestandteile des Modells bekannt sein. (So sollten Sie Blende und Schirm z. B. im Zusammenhang mit der Bildentstehung bei der Lochkamera und Sammelund Zerstreuungslinsen im Rahmen der Lichtbrechung besprochen haben.) Nach Klärung der notwendigen Bestandteile bauen die Schüler in einer ersten Erarbeitungsphase das Modell in Kleingruppen auf einer entsprechenden Unterlage (M 4) auf und erklären mithilfe dieses Modells die Bildentstehung beim normalsichtigen Auge. In der sich anschließenden zweiten Erarbeitungsphase untersuchen und behandeln die Schüler dann in Kleingruppen ihre Patienten. Hierzu erhalten Sie die benötigten Materialien zum Aufbau des Augenmodells, eine Unterlage, auf der die Positionen von Linse und Schirm vorgegeben sind (M 5 M 8), und eine Patientenakte (M 9 M 12), die dem Arbeitsblatt entspricht und Anleitungen sowohl zur Versuchsdurchführung als auch zur Dokumentation enthält.

3 4 von 26 Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allg. physikalische Kompetenz F 1, F 2, F 4 Die Schüler Inhaltsbezogene Kompetenzen beschreiben auf der Grundlage ihrer Kenntnisse zur gradlinigen Lichtausbreitung und zum Aufbau des menschlichen Auges die Bildentstehung auf der Netzhaut, Anforderungsbereich F 3, F 4, F 5 entwickeln ein Augenmodell, II, III F 2, F 4, E 1, E 3, E 5 E 7 E 7 beschreiben die Bildentstehung auf der Netzhaut mithilfe dieses Augenmodells, bauen ein Augenmodell aus Linse, Schirm und ggf. Blende auf, führen die Experimente zum normal-, kurzund weitsichtigen Auge durch, E 9 werten die erhobenen Daten aus, II, III F 4, E 1, E 3, E 9 F 3, F 4, K 1 E 7, E 9 K 5 erkennen, dass Kurz- bzw. Weitsichtigkeit auf eine zu große bzw. zu geringe Länge des Augapfels zurückgeführt werden kann, diskutieren den Einsatz von Sammel- bzw. Zerstreuungslinsen, um ein scharfes Bild auf Ebene der Netzhaut zu erreichen, K 1, K 2, K 6 F 2, E 3, K 2, K 6 F 4, F 5, K 1 überprüfen diese Hypothesen mit den entsprechenden Materialien, dokumentieren ihre Ergebnisse auf dem jeweiligen Arbeitsblatt, stellen der Klasse die gewonnenen Erkenntnisse vor, erklären physikalische Sachverhalte unter Verwendung der Fachsprache der Physik, wenden das zuvor erworbene Wissen auf neue Sachverhalte an. I II III II II II, III I I II II, III III Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, finden Sie auf der beiliegenden CD-ROM 35. Minimalplan Der Schwerpunkt der Unterrichtseinheit liegt auf dem Verständnis der Ursachen, Symptome und Behandlung von Kurz- und Weitsichtigkeit. Je nach Zusammensetzung der Lerngruppe und zur Verfügung stehenden Zeit erfolgt die Bearbeitung der Patienten Ella Kurzgut (M 5/M 9) und Max Besserweit (M 6/M 10) in arbeitsgleicher oder arbeitsteiliger Gruppenarbeit. Die beiden weiteren Materialien zu den Patienten Olivia Pupilla (M 8/M 12) und Hannes Akkommod (M 7/M 11) setzen Sie variabel ein: Während der Fall Olivia Pupilla leicht als Zusatzaufgabe behandelt werden kann, erfordert der Fall Hannes Akkomod eine intensivere Beschäftigung mit der Thematik. Sie behandeln dieses Thema entweder in einer separaten Einzelstunde mit der ganzen Klasse oder vergeben es z. B. als Thema für eine Kurzpräsentation an eine Schülergruppe.

4 5 von 26 Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch SW-Fo = (Schwarz-Weiß-)Folie(nvorlage) M 1 WH Linsen erzeugen Bilder frische dein Wissen auf! M 2 Fo Aufbau des Auges frische dein Wissen aus der Biologie auf! M 3 SW-Fo Teste deine Augen! Eine Sehtafel (Entfernung circa 5 m) M 4 SW-Fo Augenmodell M 5 Ab/SW-Fo Bauanweisung Auge Ella Kurzgut M 6 Ab/SW-Fo Bauanweisung Auge Max Besserweit M 7 Ab/SW-Fo Bauanweisung Auge Hannes Akkommod M 8 Ab/SW-Fo Bauanweisung Auge Olivia Pupilla M 9 Ab Patientenakte Ella Kurzgut V: 10 min D: 20 min Bauanweisung Auge Ella Kurzgut Schirm Kerze Streichhölzer M 10 Ab Patientenakte Max Besserweit V: 10 min D: 20 min Bauanweisung Auge Max Besserweit Schirm Kerze Ablageteller für abgebrannte Streichhölzer Sammellinse f = 15 cm Sammellinse f = 50 cm Zerstreuungslinse f = 50 cm Streichhölzer M 11 Ab Patientenakte Hannes Akkommod V: 10 min D: 15 min Bauanweisung Auge Hannes Akkommod Schirm Kerze Streichhölzer M 12 Ab Patientenakte Olivia Pupilla V: 10 min D: 15 min Bauanweisung Auge Olivia Pupilla Schirm Kerze Streichhölzer Ablageteller für abgebrannte Streichhölzer Sammellinse f = 15 cm Sammellinse f = 50 cm Zerstreuungslinse f = 50 cm Ablageteller für abgebrannte Streichhölzer Sammellinse f = 15 cm Sammellinse f = 5 cm Ablageteller für abgebrannte Streichhölzer Sammellinse f = 5 cm Blende mit veränderbarem Durchmesser M 13 SW-Fo Die Entstehung und Behandlung von Kurzsichtigkeit M 14 SW-Fo Die Entstehung und Behandlung von Weitsichtigkeit M 15 Ab Vervollständige die Strahlengänge! Hausaufgabe M16 LEK Augenarztprüfung teste dein Wissen! Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 22. WH Wiederholungsblatt; LEK Lernerfolgskontrolle

5 6 von 26 M 1 Linsen erzeugen Bilder frische dein Wissen auf! 1. Unterschiedliche Linsen Zeichne a) eine Sammellinse und b) eine Zerstreuungslinse in dein Heft und erkläre, wie sich die beiden Linsen unterscheiden. 2. Brennpunkt Verwende zur Erklärung die beiden Begriffe konvex und konkav. Übertrage die Zeichnung in dein Heft und zeichne beide Brennpunkte der Linse ein. 3. Hauptstrahlen Nenne die Hauptstrahlen und ihren Verlauf nach dem Linsendurchgang. werden zu. werden zu. 4. Bildkonstruktion bleiben. a) Übertrage die Zeichnung in dein Heft und konstruiere das Bild des Pfeils. F F b) Was ändert sich, wenn du den Pfeil weiter nach links rückst? c) Ergänze: Je größer die Gegenstandsweite ist, desto ist die Bildweite.

6 7 von 26 M 2 Aufbau des Auges frische dein Wissen aus der Biologie auf! Aufbau der Netzhaut

7 8 von 26 M 3 Teste deine Augen! Eine Sehtafel (Entfernung circa 5 m) B 8 Q O 3 E F 8 P F G F C O L E B 7 A T F 6 Q D 1 G 9 S 8 F 0 P G A E G T P S 1 F 3 8 H X

8 M 5 M 5 Bildebene Linsenebene f = 15 cm 11 Ella Kurzgut Normalsichtiges Auge 10 von 26 1) naher Gegenstand (Kerze in 45 cm) 2) entfernter Gegenstand (Fensterkreuz oder Wandbild) Bildweite Gegenstandsweite

9 14 von 26 M 9 Patientenakte Ella Kurzgut Die Patientin klagt über Schwierigkeiten beim Sehen von entfernten Gegenständen. Schülerversuch Vorbereitung: 10 min Durchführung: 20 min Materialien Bauanweisung Auge Ella Kurzgut Schirm Kerze Streichhölzer Ablageteller für abgebrannte Streichhölzer Sammellinse f = 15 cm Sammellinse f = 50 cm Zerstreuungslinse f = 50 cm Untersuchung (= Versuchsdurchführung) Baut den Versuch mit der Bauanweisung auf der Vorlage auf. Verwendet als Augenlinse die Sammellinse mit der Brennweite f = 15 cm. Führt dann die Untersuchungen durch. Protokolliert eure Ergebnisse, indem ihr eure Diagnose (1 5) in euer Heft übertragt. 1. Untersucht, ob die Patientin Ella Kurzgut nahe Gegenstände scharf erkennen kann. Stellt hierzu die Kerze mit einer Gegenstandsweite g = 45 cm vor die Linse. 2. Untersucht, ob die Patientin Ella Kurzgut entfernte Gegenstände scharf erkennen kann. Richtet hierzu das Modell auf einen entfernten Gegenstand (z. B. Fensterkreuz) aus. 3. Verschiebt den Schirm, sodass ein scharfes Bild entsteht. Bestimmt so die Bildweite b im Vergleich zur Länge des Augapfels. 4. Schiebt den Schirm wieder auf die Netzhaut des Patienten. Prüft nun, indem ihr nacheinander die beiden zusätzlichen Linsen (f = 50 cm bzw. f = 50 cm) vor die Augenlinse stellt, bei welcher der Linsen ein scharfes Bild auf der Netzhaut entsteht. Diagnose (= Versuchsbeobachtung und Versuchserklärung) 1. Patientin sieht das nahe Bild: unscharf scharf 2. Patientin sieht das ferne Bild: unscharf scharf 3. Länge des Augapfels:... cm Bildweite b:... cm Die Patientin hat einen zu langen/kurzen Augapfel. Dadurch entsteht das scharfe Bild vor/ hinter der Netzhaut, oder anders ausgedrückt: Die Bildweite b ist zu weit/kurz für die Länge des Augapfels. Nahe/Entfernte Gegenstände können allerdings scharf gesehen werden. Die Patientin ist: kurzsichtig weitsichtig 4. Ein scharfes Bild entsteht, wenn man eine Sammellinse (f = 50 cm) vor die Augenlinse stellt. 5. Begründung: Zerstreuungslinse (f = 50 cm) Ella Kurzgut Eine Sammellinse/Zerstreuungslinse vergrößert/verkleinert die Brennweite.

10 18 von 26 M 13 Die Entstehung und Behandlung von Kurzsichtigkeit Patientengespräch Ella Kurzgut Symptome Kurzsichtigkeit Weit entfernte Gegenstände werden Nahe Gegenstände werden gesehen. gesehen. Diagnose Die Bildweite ist zu zu der Netzhaut.. Dadurch entsteht das Bild, bzw. der Augapfel ist Zur Korrektur wird eine weit entfernter Gegenstand verwendet. Sie die Brennweite und damit auch die Bildweite des Auges. Das Bild ist wieder scharf. Behandlung weit entfernter Gegenstand

11 21 von 26 M 16 Augenarztprüfung teste dein Wissen! 1. Bestandteile des Auges Du möchtest deinen Patienten die Bildentstehung im Auge mithilfe eines Modells erklären. Ergänze die Tabelle! Stelle die Bestandteile von Auge und Modell einander gegenüber. Auge Modell Pupille Sammellinse Netzhaut Brille 2. Kurz- und Weitsichtigkeit Du möchtest deinen Patienten die wichtigsten Formen der Fehlsichtigkeit erklären. a) Erläutere hierzu die Begriffe Kurzsichtigkeit und Weitsichtigkeit. b) Welche Fehlsichtigkeiten liegen vor? A) B) A) B) weit entfernter Gegenstand c) Ergänze die Bilder durch jeweils geeignete Linsen, die die Fehlsichtigkeit beheben!

12 22 von 26 Erläuterungen und Lösungen Das Licht wird sowohl bei Eintritt in die Linse als auch bei Austritt gebrochen. Wir vereinfachen diesen Vorgang im gesamten Beitrag dahingehend, dass wir den Lichtstrahl nur an der Linsenebene brechen. M 1 Linsen erzeugen Bilder frische dein Wissen auf! Als Vorbereitung für die Unterrichtssequenz wiederholen die Schüler die Grundlagen der gradlinigen Lichtausbreitung und Bildentstehung an Linsen. Ihre Schüler können das Wiederholungsblatt sowohl in Einzel- als auch in Gruppenarbeit oder als Hausaufgabe bearbeiten. Das Material eignet sich auch als Vorlage für einen Test. Lösungen 1. Unterschiedliche Linsen Sammellinse: Zerstreuungslinse: Die Sammellinse ist konvex, die Zerstreuungslinse ist konkav. 2. Brennpunkt Die Brennpunkte der Sammellinse liegen rechts und links symmetrisch zueinander im gleichen Abstand zur Linsenebene. 3. Hauptstrahlen F F Brennstrahlen werden zu Parallelstrahlen. Parallelstrahlen werden zu Brennstrahlen. Mittelpunktstrahlen bleiben Mittelpunktstrahlen. 4. Bildkonstruktion a) Konstruktion des Bildes des Pfeils F F b) Das Bild entsteht näher an der Linse und ist kleiner. c) Ergänzung: Je größer die Gegenstandsweite ist, desto geringer ist die Bildgröße.

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