Ph- bericht: optische geräte
Physik- Bericht
Optische Geräte
Das Auge
Um überhaupt von optischen Geräten sprechen zu können, muss das Auge verstanden werden. Es besteht aus der Iris, der Linse und einer Netzhaut. Mit der Iris wird wie beim Photoapparat die “Blende” eingestellt, damit man immer genug, aber auch nicht zuviel Licht ins Auge kommt. Die Linse ist dazu da, das Bild genau scharf auf die Netzhaut zu projizieren. Eigentlich steht das Bild auf der Netzhaut auf dem Kopf, aber der Mensch “dreht” es im Gehirn wieder um, so dass wir das Gefühl haben, alles sei richtig.
Jedoch können da auch Probleme auftreten, wenn die Linse nicht richtig fokussiert.
Wenn jemand kurzsichtig ist, dann wird das Bild nicht auf die Netzhaut, sondern vor der Netzhaut scharf gestellt, was dann mit einer Zerstreuungslinse wieder eingestellt werden kann.
Umgekehrt bei der Weitsichtigkeit. Dabei werden die gesehenen Bilder hinter die Netzhaut projiziert. Auf die gleiche Weise, nur nun mit einer Sammellinse kann dieses Problem auch behoben werden.
Die deutlichste Sehweite des Menschen ist a=250 mm (Normwert). Ein Objekt im Abstand a erscheint unter dem Winkel a.
Eine Lupe besteht aus einer Sammellinse mit Brennweite f<a. Man bringt das Objekt in die vordere Brennebene. Schaut man mit entspanntem, d.h. auf unendlich eingestelltem Auge in die Lupe hinein, so wird auf der Netzhaut ein scharfes Bild entworfen. Der Betrachter sieht das Objekt vergrössert unter dem Winkel ß.
Die Vergrösserung ist V=ß:a=a:f. Der Augenabstand verändert nur das Gesichtsfeld, nicht die Vergrösserung. Typische Vergrösserungen sind V=3x bis 10x.
Das holländische oder galilei’sche Fernrohr
Das Fernrohr wurde in Holland erfunden. Sein Erfinder steht nicht genau fest. jedoch wird die Erfindung dem holländischen Brillenmacher Hans Lippershey zugeschrieben.
Als Jahr wird 1608 genannt. Im Jahr 1609 ist die erste Ausstellung eines Teleskops durch Galileo Galilei belegt.
Das Objektiv (Brennweite f 1) ist eine Sammel-, das Okular (f2<0) eine Zerstreuungslinse. Die Vergrösserung ist V=f1:(-f2). Als Anwendung sei das Opernglas genannt
Versuch: Wir bauen uns ein Fernrohr mit verschiedenen Linsen. Es ist uns möglich, verschiedenste Ausschnitte scharfzustellen.
Wir haben nun schon eine beträchtliche Vergrösserung erreicht: Beschriftungen von Geräten sind auf eine Distanz von 5m problemlos zu lesen.
Feststellung: Es ist uns nicht möglich, beliebig grosse Ausschnitte auszuwählen, denn irgendwann "kippt" das Bild um. Es steht dann auf dem Kopf und ist sehr klein. Wir haben den Brennpunkt so verschoben, dass die verlangte Konstellation nicht mehr gewährleistet ist.
Das Astronomische oder keplersche Fernrohr
Johannes Kepler entdeckte das Prinzip des astronomischen Fernrohrs mit zwei konvexen Linsen. Keplers Idee wurde beim Bau eines Teleskops durch den deutschen Jesuiten und Astronomen Christoph Scheiner 1630 angewandt.
Die Abweichung vom Idealbild brachte jedoch gewisse Schwierigkeiten mit sich: Astronomische Fernrohre hatten eine beachtliche Länge bis zu 60 Meter.
Das Objektiv erzeugt ein reelles Zwischenbild (ZB), welches mit einer Lupe (Okular) betrachtet wird. Das Bild steht für den Betrachter auf dem Kopf, was aber bei astronomischen Himmelsbetrachtungen nicht stört. Dafür können in der Zwischenbildebene Fadenkreuze o.ä. angebracht werden.
Es ist V=f 1:f2
Versuch: Zuerst wählen wir sl=150mm und s2=50mm. Nach langem verschieben geben wir den Versuch auf. Die Differenz scheint uns etwas klein und wir suchen uns nun das Linsenpaar s1=500mm und s2=100mm. Der Versuch klappt hervorragend, nur sind wir zuerst etwas beunruhigt, dass das Bild auf dem Kopf steht. Für dieses Fernrohr ist der Laborraum zu klein. Wir stellen das Fernrohr auf Holzklötze und entdecken die Welt ausserhalb des Fensters.
Es ist uns problemlos möglich, kleinste Ritzen in der Mauer zu entdecken. Das Schwierigste daran ist, das Auge des Betrachters ruhig zu halten, um auf den vergrösserten Ausschnitt zu konzentrieren
Das terrestrische Fernrohr
Ein terrestrisches Fernrohr ist ein Keplerfernrohr mit zusätzlicher Umkehrlinse V=f1:f3. Als Anwendung seien Zielfernrohre oder Feldstecher genannt. In Feldstechern wird das Bild durch Spiegelungen in Prismen aufgerichtet.
Versuch: Wir bauen dieses Fernrohr mit den Linsen sl=50O, s2=100 und s3=50. Erst als wir den Abstand 2*f, einstellen, entsteht ein Fernrohr.
Wir versuchen, den Kopf eines Vogels vor dem Fenster einzufangen, scheitern jedoch, da wir bei einer derartig grossen Vergrösserung enorme Mühe bekommen, das Objekt zu fixieren.
In einem weiteren Versuch bauen wir ein terrestrisches Fernrohr mit den Linsen s~=500, s2=150 und s3=100. Auch dieses Teleskop bietet
uns eine hervorragende Vergrösserung. Wir versuchen damit die Form der sich bildenden Wassertropfen am Wasserhahn zu untersuchen. Es gibt eine eindrückliche, weil nicht alltägliche, Perspektive.
Nochmals stellen wir fest, dass das grösste Problem ist, ruhig zu stehen bzw.
zu sitzen und stets den selben Abstand zum Teleskop zu halten. So erhalten wir grössere Ausschnitte, wenn wir nicht zu nahe mit dem Auge herangehen, bekommen aber Mühe, den Kopf still zu halten. Zu Beginn war es für uns schwierig, durch alle drei Linsen gleichzeitig hindurch zu schauen.
Das Mikroskop
Mikroskope wurden wie die Fernrohre um 1600 in Holland entwickelt. Das Objekt wird sehr nahe vor die Brennebene des kurzbrennweitigen Objektivs gestellt Das reelle Zwischenbild (ZB) rückt in die Ferne, wird stark vergrössert und durch eine Lupe (Okular) betrachtet.
Versuch: Wir bauen verschiedenste Modelle und erreichen mit der Kombination s1= 100 und s2=500 die stärkste Vergrösserung.
Auf einem fest angebrachten Blatt können wir von einer 11- Punkt- Schrift gerade l/2 eines kleinen "O" ‘s erkennen.
Wir denken daran, nochmals Wassertropfen zu beobachten, scheitern aber daran, dass wir das Mikroskop nicht genug nahe an das Objekt heranführen können.
Bemerkungen
'Wir hatten riesigen Spass, die Welt aus einer unüblichen Perspektive zu erleben Es war höchst eindrücklich zu sehen, wie mit einfachsten Mitteln derartig grosse Vergrösserungen erschaffen werden können. Für Menschen, die im allgemeinen sich nicht mit der Optik beschäftigen, sind diese Vergrösserungen schon ein Erlebnis.
Besonders eindrücklich war das Mikroskop. Es führte uns in eine völlig neue Dimension, denn es war klar besser als jegliche Lupen, die wir bisher kannten und war aber auch nicht so stark wie die Mikroskope aus dem Biologieunterricht.
Das Vergrössern einer Schrift war insofern interessant, als wir Texte aus einer völlig neuen Perspektive betrachten konnten. Im Biologieunterricht hingegen ist alles so klein, dass wir von blossem Auge es nicht erkennen können und somit keinen direkten Vergleich haben.
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