Bildkonstruktion an Konvexlinsen (Artikelnr.: P )

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Bildkonstruktion an Konvexlinsen (Artikelnr.: P065400) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-0 Lehrplanthema: Optik Unterthema: Linsengesetze Experiment: Bildkonstruktion an Konvexlinsen Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Mittel 0 Minuten 0 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Weißes Papier (DIN A4) Lineal (ca. 30 cm) Schlagwörter: Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusatzinformation Die Schüler sollen bei diesem Versuch mit Hilfe ausgewählter Lichbündel und deren charakteristischen Verlaufs durch eine Konvexlinse die Konstruktion eines Bildes bei vorgegebener Gegenstandslage ausführen. Der Versuch ist anspruchvoll hinsichtlich der Fähigkeiten und experimentellen Fertigkeiten der Schüler. Er ist jedoch bei sorgfältiger Justierung und genauer experimenteller Arbeit mit einem hohen Erkenntnisgewinn beim Schüler verbunden. Dies vor allem, wenn entsprechende Experimente mit der Optischen Bank durchgeführt werden. Parallel zu der schrittweisen Konstruktion des Bildpunktes, welcher sich erst nach vollständiger Versuchsdurchführung ergibt, erfolgt eine Festigung der Kenntnisse über den Verlauf ausgewählter Lichtbündel an einer Konvexlinse. Mit dem Versuch wird an zwei Beispielen (Geometrische Konstruktionen und Bestätigung der Linsengleichung) die Rolle der Mathematik für die physikalische Erkenntnis deutlich. Anmerkung Dem Schüler ist vor der Versuchsdurchführung zu erläutern, dass ein reelles Bild immer nur dann entstehen kann, wenn die von einem Gegenstandspunkt ausgehenden Lichtbündel sich nach der Reflexion oder Brechung 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 die ausgezeichneten Lichtbündel ("Hauptstrahlen") aus, zur Kontrolle dient ein drittes ausgezeichnetes Lichtbündel. Wird die Lage des Gegenstandspfeiles so gewählt, dass er senkrecht auf der optischen Achse "steht", ist es zur eindeutigen Bildkonstruktion ausreichend, nur die Gegenstandsspitze abzubilden. Hinweise zu Aufbau und Durchführung Bei diesem Versuch sollte besonderes Augenmerk auf die genaue Justierung der aneinandergelegten Plankonvexlinsen (Einfall eines Lichtbündels entlang der optischen Achse) und die präzise Stellung der Leuchtbox (z.b. parallel zur optischen Achse) bei den einzelnen Versuchsschritten gelegt werden. Es bietet sich daher an, vor der Durchführung evtl. dünne Hilfslinien von der Spitze des Gegenstandspfeiles ausgehend zu zeichnen. Unter diesen Bedingungen ist eine hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu erwarten. Die Verwendung von zwei Plankonvexlinsen, die mit der planen Fläche aneinander liegen, ist notwendig, um genügend kleine

2 Lehrer-/Dozentenblatt Brennweiten und damit eine Konstruktion des Bildes auf dem Schülerblatt (DIN A4) zu ermöglichen.

3 BildkoestruktioetaetKoevexlieseet(Artikeler.:tP065400) AufgabetuedtMaterial Aufgabe WelchetAufgabethattdietLiesetietueseremtAuge? Untersuche die Bildentstehung durch eine Konvexlinse mit Hilfe ausgewählter Lichtbündel.

4 Material Positioe Material Besteller. Meege, 2 Modellkörper, plankonvex, f = +00 mm , 4 Leuchtbox, Halogen 2 V/20 W Zusätzliches Material PHYWE Netzgerät DC: V, 2 A / AC: 6 V, 2 V, 5 A Weißes Papier (DIN A4) Lineal (ca. 30 cm)

5 AufbautuedtDurchführueg Aufbau Achtueg! Achte darauf, dass die beiden Plankonvexlinsen mit der planen Fläche genau aneinander auf der senkrechten Linie des Linienkreuzes liegen und ihre justierte Lage beim Bewegen der Leuchtbox nicht verändern. Bereite das Blatt Papier nach der Abbildung vor. Konstruiere in der Mitte ein rechtwinkliges Linienkreuz. Der Schnittpunkt der Linie sei M. Zeichne in jeweils 3 cm Abstand von M auf der senkrechten Linie je eine Markierung. Markiere jeweils in 5,8 cm Abstand von M die Punkte F und F' auf der optischen Achse. Zeichne in 3 cm Abstand links vom Punkt M mit rotem Farbstift einen senkrechten, cm langen Pfeil auf die optische Achse (Gegenstandspfeil G). Zeichne eine Hilfslinie parallel zur optischen Achse, die durch die Spitze des Gegenstandspfeils G verläuft. Abb. Lege die Plankonvexlinsen (aufgeraute seite nach unten) jeweils mit den planen Flächen genau an die senkrechte Linie des Linienkreuzes innerhalb der beiden Markierungen. Setze die Einspaltblende in die Leuchtbox auf der Linsenseite ein und stelle diese am Rand des Blattes Papier auf. Abb. 2 Durchführueg Schließe die Leuchtbox an das Netzgerät (2 V ~).

6 Abb. 3 Justiere deine Versuchsanordnung, so dass das entlang der optischen Achse einfallende schmale Lichtbündel nach dem Durchgang durch die zusammengesetzten Linsen weiter auf der optischen Achse verläuft. Abb. 4 Markiere mit dünnem Bleistiftstrich die Umrisse der Linse. Abb. 5 Verschiebe nun die Lichtbox, bis das schmale Lichtbündel genau parallel zur optischen Achse entlang der Hilfslinie verläuft. Markiere den Verlauf von einfallendem und gebrochenem Lichtbündel.

7 Abb. 6 Drehe dann die Leuchtbox, bis das Lichtbündel durch die Pfeilspitze von G und den Punkt F (Brennpunkt) verläuft. Markiere wieder den Verlauf des Lichtbündels vor und hinter der Linse. Abb. 7 Lasse zuletzt das Lichtbündel durch die Pfeilspitze von G in Richtung des Mittelpunktes M auf die Linse einfallen. Markiere wieder den Verlauf des Lichtbündels vor und hinter der Linse. Abb. 8 Schalte das Netzgerät aus und nimm die Leuchtbox und die Plankonvexlinsen vom Papier. Verbinde die zusammengehörenden Markierungen, so dass der Verlauf der Lichtbündel vor und hinter der Linse sichtbar wird.

8 Protokoll: Bildkoestruktioe ae Koevexliesee Ergebeis - Beobachtuegee (0 Puekte) Notiere Deine Beobachtungen zum Verlauf der Lichtbündel zueinander. Auswertueg - Frage (0 Puekte) Der Kreuzungspunkt der drei Lichtstrahlen hinter der Linse ist das Bild der Spitze des Gegenstandspfeiles. Zeichne die senkrechte Verbindung von diesem Kreuzungspunkt zur optischen Achse ein und bezeichne diesen Pfeil mit B. Skizziere hier deine Zeichnung.

9 Auswertueg - Tabelle (6 Puekte) Vergleiche diesen Bildpfeil B mit dem Gegenstandspfeil G. Was kannst du zur Größe, Lage und Entfernung vom Punkt M feststellen? Notiere deine Beobachtungen und Messungen in der Tabelle. Gegenstandspfeil G Bildpfeil B Größe Lage zur optischen Achse Entfernung vom Mittelpunkt M Auswertueg - Frage 2 (0 Puekte) Formuliere für den von Dir untersuchten Fall ( GM = 3 cm ist mehr als doppelt so groß wie FM = 5,8 cm) einen Satz, aus dem Lage, Größe und Entfernung des Bildes hervorgeht.

10 Auswertueg - Frage 3 (0 Puekte) Welche Aufgabe hat die Linse in unserem Auge? Auswertueg - Frage 4 (0 Puekte) Warum genügt es, von Gegenständen, die auf der optischen Achse "stehen", nur von der Spitze des Gegenstandes zwei ausgezeichnete Lichtstrahlen zur Konstruktion des Bildes heranzuziehen? Warum verwendet man häufig drei Lichstrahlen?

11 Auswertueg - Zusatzaufgabe (0 Puekte) Für die Bildentstehung an einer Konvexlinse gilt die Gleichung: /f = /g + /b (f = 5,8 cm - Brennweite, b - Bildweite (Entfernung BM) g -Gegenstandsweite GM). Überprüfe mit dieser Gleichung deine Messergebnisse in Tabelle.