Physikalisches Schulversuchspraktikum. Wintersemester 2000 / Versuche zur Optik in der Unterstufe

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1 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wintersemester 2000 / 2001 Versuche zur Optik in der Unterstufe Matrikelnummer: Studienkennzahl: 412 / 406 Name: Angela Grafenhofer Abgabetermin:

2 Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeines zur Optik 2. Lernziele 3. Versuche in der Unterstufe 3.1. Brechung des Lichtes (Wasser/Luft) 3.2. Brechung des Lichtes (Glas/Luft) 3.3. Abhängigkeit der Lichtbrechung vom Einfallswinkel 3.4. Totalreflexion 3.5. Grenzwinkel der Totalreflexion 3.6. Lichtleiter 3.7. Strahlengang durch eine planparallele Platte 3.8. Strahlengang durch ein Prisma 3.9. Strahlengang durch ein Ablenk- und Umkehrprisma Konvexlinse Konkavlinse Fernrohr 2

3 1. Allgemeines zur Optik: Die Optik ist die Lehre vom Licht, also von denjenigen elektromagnetischen Wellen, die mit dem menschlichen Auge wahrgenommen werden können. Deren Wellenlänge liegt zwischen 380 Nanometer (= 3, m) und 780 Nanometer (= 7, m ). Die an diesen Wellenlängenbereich angrenzenden unsichtbaren Bereiche Infrarot und Ultraviolett sind ebenfalls Gegenstände der Optik. 2. Lernziele: Nachdem die Schüler der 4. Klasse schon das Kapitel Lichtausbreitung und Reflexion gehört haben, sollte grundlegendes Wissen über die Bildentstehung durch Lichtbrechung erworben und angewendet werden. Außerdem sollten die Schüler ihren Wortschatz erweitern und die neuen Begriffe richtig verwenden. Folgendes sollte der Schüler aus dem Unterricht mitnehmen: Die Richtungsänderung eines Lichtstrahles beim Übergang von einem optischen Medium in ein anderes nennt man Brechung oder Refraktion des Lichtes. Das Einfallslot bildet mit dem einfallenden Strahl den Einfallswinkel, mit dem gebrochenen Strahl den Brechungswinkel. Ein Lichtstrahl wird um so stärker gebrochen, je kleiner der Winkel ist, mit dem er auf die Grenzfläche trifft. Geht ein Lichtstrahl von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium über, so wird er zum Lot gebrochen. Beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium wird der Lichtstrahl vom Lot gebrochen. Der Einfallswinkel, bei dem der Brechungswinkel 90 beträgt, heißt Grenzwinkel. Bei noch größerem Einfallswinkel wird das Lichtbündel vollständig (total) an der Grenzfläche reflektiert. 3

4 Diese Totalreflexion kann nur beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium erfolgen, wenn der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel ist. Die Schüler sollten wissen, wie eine Fata Morgana und die im Sommer vor allem auf Asphaltstraßen häufig beobachtbaren Spiegelungen entstehen. Die Schüler sollten wissen, was ein Lichtleiter ist und wo er verwendet wird. Mit Prismen können Lichtstrahlen durch Totalreflexion umgelenkt werden. Die Schüler sollten den Strahlengang durch eine planparallele Platte, ein Ablenk- oder Umkehrprisma beschreiben können. Eine Sammellinse erzeugt von einem Gegenstand außerhalb ihrer Brennweite ein reelles und umgekehrtes Bild. Dieses ist je nach der Gegenstandsweite verkleinert, gleich groß oder vergrößert und liegt außerhalb der Brennweite. Befindet sich der Gegenstand innerhalb der Brennweite, so entsteht ein virtuelles, aufrechtes und vergrößertes Bild. Dieses liegt auf derselben Seite wie der Gegenstand. Parallel zur Achse einfallende Lichtstrahlen vereinigen sich nach dem Durchgang durch eine Sammellinse in einem Punkt auf der Achse, dem Brennpunkt oder Focus F. Sein Abstand hängt von den Krümmungsradien der Linse und von der optischen Dichte des Materials ab. Lichtstrahlen, die parallel zur Achse auf eine Konkavlinse fallen, werden erstreut, und zwar so, als ob sie vom Zerstreuungspunkt kämen. Eine Konkavlinse erzeugt von einem Gegenstand stets ein virtuelles, aufrechtes und verkleinertes Bild. Es liegt immer auf derselben Seite wie der Gegenstand. Fernrohre dienen zur Betrachtung weit entfernter Gegenstände. Die Schüler sollten das Keplersche und das Galileische Fernrohr kennen und den Strahlengang erklären können. 4

5 3. Versuche in der Unterstufe: 3.1. Brechung des Lichtes (Wasser/Luft): Versuchsaufbau: Man fülle ein Gefäß mit Wasser. Daraufhin stelle man einen Löffel oder einen Trinkhalm hinein. Dann beachte man die Halme oder den Löffel direkt von oben und schräg von oben. Versuchsergebnis: Die Halme oder Löffel scheinen an der Grenze zwischen Luft und Wasseroberfläche geknickt zu sein. Die Halme wirken in den Gläsern kürzer, als sie tatsächlich sind. Versuchserklärung: Wenn Lichtstrahlen von einem durchsichtigen Stoff wie z.b. Luft kommen und schräg auf einen anderen durchsichtigen Stoff wie z.b. Wasser auftreffen, so werden sie reflektiert oder gebrochen. Fallen sie gerade darauf, so gibt es keine Brechung. Sonst erfolgt die Brechung genau an der Grenze zwischen den beiden durchsichtigen Stoffen. Sie ist um so stärker, je geneigter die Lichtstrahlen auftreffen. Weiter hängt die Stärke der Brechung von den Materialien der beiden Medien ab. Somit werden unsere Augen bei diesem Versuch getäuscht: Wir meinen, der Halm wäre geknickt. 5

6 Nun folgt ein weiterer Versuch der ohne großen Aufwand durchgeführt werden kann: Versuchsdurchführung: Man lege ein Geldstück auf den Boden einer Konservendose. Nun schaue man schräg über den Dosenrand hinweg auf den Dosenboden. Man sollte die Münze gerade nicht mehr sehen. Nun behält man seine Blickrichtung bei und lässt langsam Wasser in die Dose. Versuchsergebnis: Die Münze wird plötzlich auf dem Dosenboden sichtbar. Versuchserklärung: Die Lichtstrahlen können wegen des undurchsichtigen Dosenrandes unser Auge nicht erreichen, da sie sich geradlinig fortpflanzen. Wird jedoch Wasser eingefüllt, so werden die Lichtstrahlen an der Wasseroberfläche gebrochen und fallen in unser Auge. 6

7 Wir sehen die Münze, jedoch nicht an ihrem Lageplatz auf dem Gefäßboden, sondern etwas angehoben. Dieser Punkt liegt dort, wo sich die Lichtstrahlen in der gedachten Verlängerung schneiden. Dadurch scheint der Gegenstand an einer anderen Stelle zu sein als er in Wirklichkeit ist. Der Grund ist die Brechung des Lichtes beim Übergang von einem Ausbreitungsmittel in ein anderes. Je mehr Wasser in das Gefäß gefüllt wird, desto mehr erscheint der Boden des Gefäßes angehoben zu werden, und um so höher scheint das Geldstück zu steigen. Durch Ablassen des Wassers kannst du die Münze wieder verschwinden lassen. Die ersten beiden Versuche können als Schülerversuche oder von der Lehrperson selbst durchgeführt werden, um Interesse am Thema Lichtbrechung zu wecken. Daraufhin können folgende Versuche durchgeführt werden: Die Versuchsbeschreibung befindet sich auf der nächsten Seite. Die Richtungsänderung eines Lichtstrahles beim Übergang von einem optischen Medium in ein anderes nennt man Brechung. Durch den einfallenden Strahl, das Lot und den gebrochenen Strahl lässt sich eine Ebene legen, die normal auf die Grenzflächen der beiden Medien steht. Das Einfallslot bildet mit dem einfallenden Strahl den Einfallswinkel, mit dem gebrochenen Strahl den Brechungswinkel. Ein Lichtstrahl, der normal auf die Grenzfläche zweier optisch verschiedener Medien auftrifft, wird nicht gebrochen. 7

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10 3.2. Brechung des Lichtes (Glas/Luft): 10

11 Beim Übergang des Lichtes von Luft in Glas ist der Brechungswinkel stets kleiner als der Einfallswinkel. Der Strahl wird zum Einfallslot hin gebrochen (Brechung zum Lot). Die Größe der Ablenkung wächst mit dem Einfallswinkel. Wie bei der Reflexion ist auch bei der Brechung der Lichtweg umkehrbar. Beim Übergang eines Strahles von Glas in Luft ist der Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel. Der Strahl wird also vom Lot weg gebrochen (Brechung vom Lot). Versuche haben ergeben, dass die Brechung des Lichtes auf die unterschiedliche Geschwindigkeit des Lichtes in den einzelnen Medien zurückzuführen ist. Von zwei Medien nennt man jenes das optisch dichtere, in dem die Lichtgeschwindigkeit kleiner ist. Das andere Medium heißt das optisch dünnere. Nachstehend sind einige optische Medien nach steigender optischer Dichte geordnet: Leerer Raum, Luft, Wasser, Alkohol, Kronglas, Flintglas, Diamant. Optisch dichtere Stoffe müssen aber nicht eine größere Dichte haben. So hat Alkohol (Dichte 0,9 kg/dm 3 ) eine größere optische Dichte als Wasser (Dichte 1 kg/dm 3 ). Geht ein Lichtstrahl von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium über, so wird er zum Lot gebrochen. Beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium wird der Lichtstrahl vom Lot gebrochen. 11

12 3.3. Abhängigkeit der Lichtbrechung vom Einfallswinkel: Nachdem die Schüler erkannt haben, dass die Lichtbrechung von den verwendeten Medien abhängt, sollte nun auf die Abhängigkeit von den Einfallswinkeln eingegangen werden. 12

13 Da in der Unterstufe noch nicht mit Winkelfunktionen gearbeitet werden kann, sollte man sich darauf konzentrieren, wie sich die Lichtstrahlen verhalten. Der Einfallswinkel sollte laufend verändert werden, sodass die Schüler den Zusammenhang beobachten können. Ein Lichtstrahl wird um so stärker gebrochen, je kleiner der Winkel ist, mit dem er auf die Grenzfläche trifft. 13

14 3.4. Totalreflexion: Folgender Versuch zeigt die Totalreflexion beim Übergang des Lichtes von Wasser in Luft. 14

15 Dieser Effekt kann beim Tauchen beobachtet werden, wenn man aus der Tiefe die Wasseroberfläche beobachtet. Folgendes Bild zeigt ebenfalls Totalreflexion an der Wasseroberfläche: Die Wasseroberfläche erscheint von unten betrachtet wie ein guter Spiegel. Nun folgt ein weiterer Versuch der sowohl die Brechung des Lichtes beim Übergang von Wasser in Luft als auch die Totalreflexion zeigt: 15

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17 Totalreflexion kann jedoch auch bei Übergang von Glas in Luft beobachtet werden: Das zeigt der Versuch auf der folgenden Seite. Der Einfallswinkel, bei dem der Brechungswinkel 90 beträgt, heißt Grenzwinkel. Er ist für alle Glassorten kleiner als 42. Bei noch größerem Einfallswinkeln wird das Lichtbündel vollständig (total) an der Grenzfläche reflektiert. Diese Totalreflexion kann nur beim Obergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium erfolgen, wenn der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel ist. 17

18 3.5. Grenzwinkel der Totalreflexion: 18

19 Die Abbildung zeigt einen Übergang von Glas in Luft. Dabei tritt an der Grenzfläche teilweise Reflexion auf. Vergrößert man den Einfallswinkel im optisch dichteren Medium (Glas), so strebt der Brechungswinkel im optisch dünneren Medium (Luft) gegen den Grenzwert 90. Dieser Einfallswinkel, bei dem der Brechungswinkel 90 beträgt, heißt Grenzwinkel. Für noch größere Einfallswinkel tritt dann Totalreflexion auf. 19

20 3.6. Lichtleiter: In Bild a fällt Licht auf die ebene Stirnfläche eines dünnen Glasstabes. Das Licht wird immer wieder total reflektiert und kann den Stab trotz seiner Krümmung erst an der anderen Stirnfläche verlassen. Im Lichtkabel (Bild b) sind viele dünne Kunststofffasern durch eine schwarze Lackschicht getrennt und regelmäßig angeordnet. Entwirft man an einer der Stirnflächen durch eine Linse ein Bild, so wird am anderen Ende jede Faser eine entsprechende Helligkeit aufweisen, das Bild wird übertragen. Solche Lichtkabel können für medizinische Beobachtungen im Körperinneren eingesetzt werden (Magen, Darm, Atemwege,...). Ein Lichtkabel dient dabei zur Beleuchtung, ein anderes zur Bildübertragung. Das Bild wird vergrößert auf einem Bildschirm sichtbar gemacht. Magenuntersuchungen können somit bereits ohne Operation durchgeführt werden. Dem Patienten wird ein Lichtleiter (ein sogenanntes Gastroskopiegerät) durch die Speiseröhre in den Magen eingeführt. Der Arzt kann die Innenwände des Magens genau untersuchen und nach Magengeschwüren absuchen. Diese Untersuchungsart erspart dem Patienten eine schmerzhafte Operation. Sehr dünne Einzelfasern aus besonders gut lichtdurchlässigem Material (Quarz... ) werden zur Informationsübertragung mit Licht benützt. Ein solches Netz von Lichtwellenleitern ist im Ausbau begriffen und ersetzt Metallleitungen für Telephon und Fernsehen. 20

21 Dazu sollte folgender Versuch durchgeführt werden: 21

22 Lichtbrechung in der Atmosphäre: Die normale atmosphärische Brechung ist eine Folge der nach oben ständig sinkenden Dichte der Lufthülle. Das von einem Stern kommende Licht wird zum Lot hin gebrochen, da die tiefer liegenden Luftschichten größerer Dichte und auch größere optische Dichte haben. Der Stern erscheint uns daher in größerer Höhe über dem Horizont. Die Ablenkung ist umso größer, je näher ein Gestirn dem Horizont ist. Sie kann bis zu 0,5 erreichen. Wir sehen daher die Sonne schon 2 min vor ihrem tatsächlichen Aufgang und noch 2 min nach ihrem Untergang. 22

23 Bei starker Sonnenbestrahlung können sich Luftschichten in Bodennähe so stark erwärmen, dass ihre optische Dichte kleiner wird als die der darrüberliegenden Luftschichten. Das einfallende Licht wird dann vom Lot weg gebrochen, es kann schließlich Totalreflexion erfolgen. Das von G kommende Licht erreicht den Beobachter ähnlich wie nach der Reflexion an einer Wasseroberfläche. So entstehen die Fata Morgana und die im Sommer vor allem auf Asphaltstraßen häufig beobachtbaren Spiegelungen. 23

24 3.7. Strahlengang durch eine planparallele Platte: Mit dem folgenden Versuch sollte die Umkehrbarkeit des Lichtweges bei der Brechung veranschaulicht werden. Dieser Zusammenhang ist von großer Bedeutung: Die Brechung beim Übergang von Luft in Glas oder Wasser ist gleich groß wie die Brechung beim umgekehrten Vorgang. Das kann man mit Hilfe der planparallelen Platte sehen: Der Lichtstrahl, der schräg auf eine planparallele Platte auftrifft, wird zweimal gebrochen (beim Eintritt in die Platte zum Lot und beim Austritt vom Lot weg). Da die Brechung vom Lot und zum Lot um denselben Betrag erfolgt, wird der Lichtstrahl parallel verschoben. Man sieht somit, dass entsprechende Winkel paarweise gleich sind. Beim Übergang von Luft in Glas verändert sich auch die Lichtgeschwindigkeit von ca km/s auf ca km/s. Beim Austritt aus Glas in Luft verändert sich die Lichtgeschwindigkeit wieder zu km/s. Licht hat also nach dem Durchgang durch das Medium (hier Glas) dieselbe Geschwindigkeit wie vor dem Eintritt in das Medium. Auf der folgenden Seite sind die für diesen Versuch nötigen Materialien aufgelistet. Weiter ist die Versuchsdurchführung gegeben. 24

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26 3.8. Strahlengang durch ein Prisma: 26

27 3.9. Strahlengang durch ein Ablenk- und Umkehrprisma: 27

28 Folgende Abbildung zeigt, welche Aufgaben solche Prismen erfüllen können. Diese Prismen finden in vielen Geräten anstelle der empfindlichen Oberflächenspiegel Verwendung (Feldstecher, Spiegelreflexkamera). Die Rückstrahler bei Straßenbegrenzungen, Autos und Fahrrädern bestehen aus Prismen. Sie werfen das ankommende Licht zurück. 28

29 3.10. Konvexlinsen: Ein Glaskörper, der von zwei Teilen einer Kugelfläche begrenzt wird, ist eine optische Linse. Eine dieser Kugelflächen kann auch durch eine ebene Fläche ersetzt werden. Verbindet man die Mittelpunkte der beiden Kugelflächen, so erhält man die Achse der Linse. Ist die Linse in der Mitte dicker als an den Rändern, so heißt sie Konvexlinse. In optischer Hinsicht ist sie eine Sammellinse, da sie hindurchgehendes Licht in einem Punkt sammelt. Folgende Abbildung zeigt einige Sammellinsen: Dabei handelt es sich um eine bikonvex, plankonvex und eine konkavkonvex Linse. Versuchsdurchführung: Lässt man auf das Glasprofil einer Konvexlinse achsenparallele Lichtstrahlen fallen, so entsteht folgendes Bild: 29

30 Versuchserklärung: Man kann sich einen linsenförmigen Glaskörper durch Prismen ersetzt denken, von denen die parallel zur Achse einfallenden Strahlen zu einem Punkt F hin abgelenkt werden. Parallel zur Achse einfallende Lichtstrahlen vereinigen sich nach dem Durchgang durch eine Sammellinse in einem Punkt auf der Achse, dem Brennpunkt oder Fokus F (genau gilt dies nur für dünne Linsen). Sein Abstand von der Linsenmitte heißt Brennweite. Die Brennweite hängt von den Krümmungsradien der Linse und von der optischen Dichte des Materials ab. Dazu können die Schüler zuhause folgenden Versuch durchführen, der ihnen eine wichtige Eigenschaft von Sammellinsen bewusst machen wird: Versuchsdurchführung: Man nimmt eine Lupe und hält man sie bei warmen Sonnenschein so über seine Hand, dass die Strahlen hindurchfallen können. Dann verändert man den Abstand zwischen der Haut und dem Glas so lange, bis man auf seiner Hand einen kleinen Lichtfleck sieht. Nun wartet man einige Minuten. Versuchsergebnis: Man spürt zuerst ein Kitzeln und dann ein Brennen, das immer unerträglicher wird. 30

31 Versuchsdurchführung: Man hält das Vergrößerungsglas über ein Stück weißes Papier, bis auch darauf ein kleiner Lichtfleck zu sehen ist. Dann wartet man einige Minuten. Versuchsergebnis: Das Papier fängt an, sich um den Lichtfleck braun zu färben, bald darauf beobachtet man eine leichte Rauchentwicklung. Schließlich brennt das Papier. Versuchserklärung: Glaskörper, die wie die Lupe geformt sind, d.h. in der Mitte dicker sind als am Rand, nennt man Linsen. Sie haben die Eigenschaft, die auf sie auftretenden parallelen Sonnenstrahlen abzulenken und sie hinter sich in einem Punkt, dem Brennpunkt zu sammeln. Da sich die Wärme aller einfallenden Sonnenstrahlen hier vereinigt, ist es im Brennpunkt sehr heiß. Das erklärt, weshalb unsere Haut zu brennen beginnt und das Papier sich entzündet, wenn beide im Brennpunkt liegen. Eine solche Linse wird Sammellinse genannt. In der Abbildung wird der Brennpunkt nicht mit B, sondern mit F abgekürzt. F steht für das lateinische Wort focus = Feuerstelle. 31

32 Linsen haben auf jeder Seite einen Brennpunkt. Die Brennpunkte liegen auf der optischen Achse und sind bei symmetrischen Linsen gleich weit von der Linsenmitte entfernt. Versuchsdurchführung: Zuerst gibt man eine punktförmige Lichtquelle in den Brennpunkt einer Sammellinse und macht den Strahlenverlauf sichtbar. Dann vergrößert man den Abstand der Lichtquelle von der Linse. Versuchserklärung: Von der Sammellinse geht paralleles Licht aus, wenn sich in einem ihrer Brennpunkte eine punktförmige Lichtquelle befindet. Liegt die Lichtquelle außerhalb der Brennweite, so vereinigt sich das Lichtbündel auf der anderen Seite der Linse zu einem reellen Bild der Lichtquelle. Auf den nächsten Seiten finden sich zwei Versuchsaufbauten, mit denen die wichtigsten Eigenschaften von Sammellinsen und der Verlauf der Strahlen herausgefunden werden kann: 32

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37 Bildkonstruktion: Um Ort und Größe des Bildes zeichnerisch zu finden, verwenden wir jene Lichtstrahlen, von denen wir die Richtung der gebrochenen Strahlen kennen. Dies trifft zunächst auf den Parallelstrahl zu, der nach dem Durchgang durch die Linse zu einem Brennstrahl wird. Wegen der Umkehrbarkeit des Lichtweges wird daher ein Brennstrahl zu einem Parallelstrahl. Zuletzt untersuchen wir den Verlauf jenes Strahles, der durch den sog. optischen Mittelpunkt M der Linse geht. (M ist für symmetrische Linsen auch der geometrische Mittelpunkt). Dieser Strahl heißt Hauptstrahl. Wir erkennen, dass der Hauptstrahl aus seiner Richtung nicht abgelenkt wird. Für die Bildkonstruktion ersetzt man die dünne Linse durch eine Ebene, die brechende Ebene. In der Zeichnung erscheint sie als eine Gerade, die im optischen Mittelpunkt auf die optische Achse normal steht. 37

38 Letztes Bild zeigte eine Konstruktion eines reellen Bildes bei einer Sammellinse. Befindet sich ein Gegenstand zwischen einfacher und doppelter Brennweite der Linse, so erhält man ein vergrößertes, reelles und umgekehrtes Bild außerhalb der doppelten Brennweite. Folgende Konstruktion erhält man, wenn sich der Gegenstand außerhalb der doppelten Brennweite befindet: Befindet sich ein Gegenstand innerhalb der Brennweite einer Sammellinse, so laufen die von ihm ausgehenden Lichtstrahlen nach dem Durchgang durch die Linse auseinander. Es schneiden einander jetzt nur ihre Verlängerungen, und zwar auf der Gegenstandsseite. Wir erhalten dort ein virtuelles Bild der Lichtquelle. Folgende Abbildung zeigt, wie man das Bild wieder am einfachsten mit Hilfe von Haupt-, Parallel- und Brennstrahlen finden kann. 38

39 3.11. Konkavlinse: Ist eine Linse in der Mitte dünner als am Rand, so nennt man sie Konkavlinse. Sie ist eine Zerstreuungslinse. Man unterscheidet zwischen bikonvex, plankonvex und konvexkonkav: Versuchsdurchführung: Man befestigt an der optischen Scheibe das Glasprofil einer Konkavlinse und lässt darauf achsenparallele Lichtstrahlen fallen. Versuchsergebnis: Die parallel zur Achse einfallenden Strahlen laufen nach dem Durchgang durch eine Konkavlinse auseinander. Verlängert man die gebrochenen Strahlen nach hinten, so schneiden sie einander im sogenannten Zerstreuungspunkt Z. 39

40 Lichtstrahlen, die parallel zur Achse auf eine Konkavlinse fallen, werden zerstreut, und zwar so, als ob sie vom Zerstreuungspunkt kämen. Jede Zerstreuungslinse hat zwei Zerstreuungspunkte. Der Versuchsaufbau Sphärische Linsen auf Seite 35 und 36 zeigte bereits den Verlauf der Lichtstrahlen bei der Sammellinse. Dieser Versuch kann nun auch für die Zerstreuungslinse durchgeführt werden. Weiter gibt es auf der folgenden Seite einen Versuchsaufbau, der die wesentlichen Eigenschaften einer Zerstreuungslinse zeigt. Ein Beispiel für die Bildkonstruktion bei der Konkavlinse zeigt folgende Abbildung: Eine Konkavlinse erzeugt von einem Gegenstand stets ein virtuelles, aufrechtes und verkleinertes Bild. Es liegt immer auf derselben Seite wie der Gegenstand. Zusammenfassung: Konvexlinsen wirken als Sammellinsen. Sie erzeugen reelle, umgekehrte Bilder, wenn der Gegenstand außerhalb der Brennweite ist, und virtuelle, vergrößerte, aufrechte Bilder, wenn der Gegenstand innerhalb der Brennweite ist. Konkavlinsen wirken als Zerstreuungslinsen. Sie erzeugen stets virtuelle, verkleinerte und aufrechte Bilder. 40

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42 3.12. Fernrohr: Nachdem die Schüler mit den Bildkonstruktionen einer Sammellinse und Zerstreuungslinse vertraut sind und diese beherrschen, kann man Linsenkombinationen betrachten. Ein interessantes Beispiel sind hier Fernrohre. Das astronomische oder Keplersche Fernrohr besteht, aus zwei Sammellinsen, dem Objektiv mit großer und dem Okular mit kleiner Brennweite. Die zwischen ihnen liegenden Brennpunkte F 1 und F 2 fallen bei Einstellung auf sehr weit entfernte Gegenstände zusammen. Das Objektiv erzeugt vom Gegenstand ein reelles, umgekehrtes, stark verkleinertes Zwischenbild B 1 außerhalb der Brennweite. Dieses Zwischenbild wird mit dem Okular wie mit einer Lupe betrachtet. Es entsteht ein virtuelles, umgekehrtes Bild B, das stark nähergerückt erscheint. Dadurch kommt es zur Vergrößerung des Sehwinkels. Für astronomische Beobachtungen stört das umgekehrte Bild nicht, wohl aber für Beobachtungen auf der Erde. Das Erdfernrohr besitzt zur Bildaufrichtung eine zusätzliche Sammellinse. Deswegen wird es sehr lang und unhandlich. Beim Prismenfernrohr werden die Bilder mit Hilfe von totalreflektierenden Prismen aufgerichtet. Meistens wird das Prismenfernrohr als Doppelglas hergestellt. Da hierbei die beiden Objektivlinsen weiter auseinanderliegen als die Augen, erscheinen die beobachteten Gegenstände sehr plastisch. 42

43 Beim Prismenfernrohr (Feldstecher) erfolgt die Bildaufrichtung durch zwei totalreflektierende Prismen. Die zweimalige Umlenkung des Lichtes bewirkt eine Verkürzung des Fernrohres. Aufrechte Bilder erhält man auch mit dem Galileischen oder Holländischen Fernrohr. Es hat als Objektiv eine Sammellinse mit großer Brennweite, als Okular eine Zerstreuungslinse mit kleiner Brennweite. Der rechte Brennpunkt F' des Objektivs und der rechte Zerstreuungspunkt Z' des Okulars fallen bei Einstellung auf sehr weit entfernte Gegenstände zusammen. Beim Galileischen Fernrohr werden die von einem Gegenstandspunkt kommenden Strahlen von der Sammellinse gebündelt. Bevor sie sich aber zu einem Bildpunkt vereinigen können, treffen sie auf die Zerstreuungslinse. Gelangen die von ihr auseinanderlaufenden Strahlen in unser Auge, so sehen wir im Schnittpunkt ihrer Verlängerungen ein scheinbares und aufrechtes Bild. Dieses Fernrohr wird meistens als Opernglas verwendet, da es klein und handlich ist. Man erzielt mit ihm nur relativ geringe Vergrößerungen. 43

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45 Als Gegenstand eignet sich bei diesem Versuch eine brennende Kerze. Durch diese beiden Versuche sehen die Schüler, wie Fernrohre funktionieren und wie die Bildkonstruktion von Linsenkombinationen aussieht. 45

46 Literaturverzeichnis: Für das Schreiben dieses Protokolls wurden die verschiedensten Versuchsunterlagen und die aufgelisteten Bücher verwendet. Bretschneider-Scholz: Die Physik in Versuchen Optik. Industrie Druck GmbH. Verlag Göttingen Gollenz-Konrad-Stuzka-Eder: Lehrbuch der PHYSIK. 4. Klasse. Verlag Hölder-Pichler-Tempsky. Wien: 1991 Ludick-Dopler-Hinterbuchinger-Reitinger: Begegnung mit PHYSIK. Verlag Veritas. Linz: 1991 Jaros-Nussbaumer-Kunze: Basiswissen 2. Verlag Hölder-Pichler- Tempsky. Wien: 1992 Schreiner: Physik 2. Verlag Hölder-Pichler-Tempsky. Wien: 1990 Gerhard Graeb: Das große Experimentierbuch für Kinder, Eltern und Erzieher. Moderne Verlags GmbH. München: