Bildkonstruktion am Hohlspiegel (Artikelnr.: P )

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Bildkonstruktion am Hohlspiegel (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-10 Lehrplanthema: Optik Unterthema: Reflexion und Brechung Experiment: Bildkonstruktion am Hohlspiegel Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Leicht 10 Minuten 10 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Lineal (ca. 30 cm) Weißes Papier (DIN A4) Zirkel Schlagwörter: Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusätzliche Informationen Der Schüler soll mit diesem Versuch ein Verfahren kennenlernen, mit dessen Hilfe die Konstruktion des Bildes am Hohlspiegel bei vorgegebenem Gegenstand möglich wird. Hierzu werden ausgewählte Lichtbündel und deren charakteristischer Verlauf genutzt. Der Versuch ist anspruchsvoll hinsichtlich der Fähigkeiten und experimentellen Fertigkeiten der Schüler. Er ist jedoch bei sorgfältiger Justierung und genauer experimenteller Arbeit mit einem sehr hohen Erkenntnisgewinn beim Schüler verbunden, vor allem wenn entsprechende Demonstrationsexperimente mit der optischen Bank in Ergänzung durchgeführt werden. Mit diesem Versuch kann das Wesen des physikalischen Experiments deutlich aufgezeigt werden; durch die gezielte Vorgabe der Experimentierbedingungen (Gegenstandsweite, Gegenstandsgröße, Brennweite) erhält man ein Ergebnis mit neuem Informationsgehalt. Durch die Variation der Bedingungen lassen sich einerseits physikalische Gesetzmäßigkeiten ableiten, andereseits ist auch der umgekehrte, deduktive Weg möglich. Die Konstruktion der Bilder mithilfe ausgewählter Lichtstrahlen und die anschließende experimentelle Überprüfung bieten für eine interessante Gestaltung des Unterrichts breiten Spielraum. Mit dem Versuch wird an einem Beispiel (Geometrische Konstruktionen) die Rolle der Mathematik für die physikalische Erkenntnis deutlich. Anmerkung Dem Schüler ist vor der Versuchsdurchführung zu erläutern, dass Gegenstände in unserer Umwelt nur gesehen werden, weil das Licht einer Lichtquelle (z.b. Sonne) von ihnen reflektiert wird und in das Auge gelangt. Ähnlich ist es bei der Bildentstehung am Hohlspiegel. Ein reelles Bild kann immer nur dann entstehen, wenn die von einem Gegenstandspunkt ausgehenden Lichtbündel sich nach der Reflexion wieder in einem Punkt vereinigen. Um diese Bildpunkte zu konstruieren genügt es deshalb aus der unendlichen Vielzahl der Lichtbündel zwei auszuwählen und ihren Weg vom Gegenstandspunkt bis zum Bildpunkt zu verfolgen. Der Einfachheit halber wählt man hierfür einzelne Lichtbündel ( Hauptstrahlen ) aus, zur Kontrolle dient ein drittes Lichtbündel. Hinweise zum Aufbau und zur Durchführung Bei diesem Versuch sollte besonderes Augenmerk auf die genaue Stellung der Leuchtbox (z.b. parallel zur optischen Achse) in den einzelnen Versuchsschritten gelegt werden.

2 Lehrer-/Dozentenblatt Es biete sich daher an, vorher eine dünne Hilfslinie, z.b. parallel zur optischen Achse, zu zeichnen. Unter diesen Bedingungen ist eine hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu erwarten.

3 BildkoestruktioetamtHohlspiegelt(Artikeler.:tP ) AufgabetuedtMaterial Aufgabe WarumtsiehttmaetsichtieteieemtpolierteetLöffeltumgekehrttuedtverkleieert? Untersuche die Bildentstehung an einem Hohlspiegel mithilfe ausgewählter Lichtbündel.

4 Material Positioe Material Besteller. Meege 1 Leuchtbox, Halogen 12 -/20 W mit Einspalt/ Zweispalt-Blende 1 3 Metallspiegel konkav-konvex, verchromt PHYWE Netzgerät DC: , 2 A / AC: 6 -, 12 -, 5 A Zusätzliches Material Lineal (ca. 30 cm) 1 Weißes Papier (DIN A4) 1 Zirkel 1

5 AufbautuedtDurchführueg Aufbau Achtueg! Achte darauf, dass der Hohlspiegel stets mit der Mitte der inneren Krümmung auf S liegt und seine Lage beim Bewegen der Leuchtbox nicht verändert. Aufbau Bereite ein Blatt Papier wie in Abb. 1 vor. Die Abstände FS und MF betragen jeweils 7,2 cm, der Kreisbogen um M hat den Radius MS. Zeichne in 18 cm Abstand vom Punkt S mit rotem Stift einen senkrechten, 2 cm langen Pfeil auf die optische Achse und bezeichne ihn mit G (Gegenstand). Zeichne einen dünnen Bleistiftstrich genau parallel zur optischen Achse als Hilfslinie ein, der durch die Spitze des Gegenstandpfeils G verläuft. Abb. 1 Setze die Einspaltblende in die Leuchtbox auf der Linsenseite ein. Stelle die Leuchtbox und den Hohlspiegel auf das Blatt Papier. Abb. 2 Durchführueg Schließe die Leuchtbox an das Netzgerät an (12 - ~).

6 Abb. 3 Überprüfe die richtige Lage des Hohlspiegels, indem du das schmale Lichtbündel zunächst entlang der optischen Achse einfallen lässt. Abb. 4 -erschiebe nun die Leuchtbox bis das schmale Lichtbündel genau parallel zu optischen Achse entlang der Hilfslinie und durch die Spitzen des Pfeils (gedachter Gegenstand) verläuft. Abb. 5 Beobachte das vom Hohlspiegel reflektierte Lichtbündel und markiere mit je zwei Kreuzchen den -erlauf von einfallendem und reflektiertem Lichtbündel. Notiere deine Beobachtungen in der Tabelle auf der Ergebnisseite. Drehe dann die Leuchtbox bis das Lichtbündel durch die Pfeilspitze von G und den Punkt F (Brennpunkt) verläuft.

7 Abb. 6 Beobachte wieder das vom Hohlspiegel reflektierte Lichtbündel und markiere je zweimal (andere Farbe oder Markierung verwenden) den -erlauf von einfallendem und reflektiertem Lichtbündel. Notiere deine Beobachtungen im Protokoll. Schalte das Netzgerät aus und nimm die Leuchtbox und den Hohlspiegel vom Papier. -erbinde die zusammengehörenden Markierungen, so dass der -erlauf der Lichtbündel vor und nach der Reflexion am Hohlspiegel deutlich wird. Wie verlaufen die beiden reflektierten Lichtbündel zueinander? Notiere deine Beobachtungen im Protokoll.

8 Protokoll: Bildkoestruktioe am Hohlspiegel Ergebeis - Tabelle 1 (2 Puekte) Notiere Deine Ergebnisse in Tabelle 1. Verlauf des einfallenden Lichtbündels Verlauf des reflektierten Lichtbündels parallel zur optischen Achse BParallelstrahl) durch den Brennpunkt F BBrennpunktstrahl) 1 ±0 1 ±0 Ergebeis - Beobachtuegee (10 Puekte) Notiere Deine Beobachtungen zum Verlauf der beiden reflektierten Lichtbündel zueinander.

9 Auswertueg - Frage 1 (10 Puekte) Der Kreuzungspunkt der beiden reflektierten Lichtstrahlen ist das Bild der Spitze des Gegenstandspfeils. Zeichne die senkrechte Verbindung von diesem Kreuzungspunkt zur optischen Achse ein. Bezeichne diesen Pfeil mit B. Auswertueg - Tabelle 1 (6 Puekte) Vergleiche diesen Bildpfeil B mit dem Gegenstandspfeil G. Was kannst du zur Größe, Lage und Entfernung vom Punkt S feststellen? Notiere deine Ergebnisse in der folgenden Tabelle. Gegenstandspfeil G Bildpfeil B Größe Lage zur optischen Achse Entfernung vom Scheitelpunkt S 1 ±0 1 ±0 1 ±0

10 Auswertueg - Frage 2 (10 Puekte) Formuliere auf der Basis der Ergebnisse in der Tabelle einen Satz, aus dem Lage, Größe und Entfernung des Bildes hervorgehen, wenn sich der Gegenstand außerhalb der doppelten Entfernung FS vom Hohlspiegel befindet. Auswertueg - Frage 3 (10 Puekte) Warum sieht man sich in einem polierten Löffel umgekehrt und verkleinert?

11 Auswertueg - Frage 4 (10 Puekte) Zeichne eine Gerade von der Spitze des Gegenstandspfeiles G durch den Punkt M bis zum Spiegel BMittelpunktstrahl). Was siehst du? Begründe dieses Ergebnis. Auswertueg - Frage 5 (10 Puekte) Warum genügt es von Gegenständen, die auf der optischen Achse stehen, nur von der Spitze des Gegenstandes zwei ausgezeichnete Lichtstrahlen zur Konstuktion des Bildes heranzuziehen?

12 Auswertueg - Zusatzaufgabe (10 Puekte) Für die Bildentstehung am Hohlspiegel gilt die Gleichung: 1 f = 1 b + 1 g Bf = 7,2 cm = Brennweite, b = Bildweite BlEntfernung BS), g = Gegenstandsweite BEntfernung GS)). Überprüfe mit dieser Gleichung deine Messergebnisse in Tabelle 1 von Frage der Auswertung.