Die Lochkamera
Worum geht es?
Die Lochkamera erzeugt aus nichts als einem kleinen Loch ein echtes Bild. Jeder Punkt der Kerze schickt Licht in alle Richtungen, doch durch das Loch passt aus jeder Richtung nur ein schmales Bündel. Oben landet unten, links landet rechts. Das Bild steht kopf, und zwar zwingend, wenn Licht geradlinig läuft. Aus derselben Geometrie folgt die Bildgrößen-Beziehung , die erste Abbildungsformel der Optik.
Warum macht man dieses Experiment?
Die Lochkamera trennt zwei Dinge, die später ständig verwechselt werden: die Bild-Entstehung (sie braucht nur Geometrie) und die Bild-Helligkeit (sie braucht die der nächsten ). Wer den Lochgrößen-Zielkonflikt „scharf oder hell“ selbst erlebt hat, versteht, wozu eine Linse überhaupt gut ist. Sie ist die Antwort auf ein Problem, das man hier zuerst haben muss.
Die physikalische Idee
Variante 1 baut die Kamera (Dose oder Schuhkarton, Nadelloch, Transparentpapier-Schirm), richtet sie auf eine Kerze und deutet Umkehrung und Lochgrößen-Effekt per Strahlenkonstruktion. Variante 2 misst nach: Bei fester Kameratiefe wird der Kerzenabstand variiert, und die Bildgröße muss dem Strahlensatz folgen.
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
- Geradlinige Lichtausbreitung (Experiment)
- Schattenkonstruktion (Experiment)
Wissenschaftliche Einordnung
Die camera obscura war Jahrhunderte vor der Fotografie im Einsatz: Ibn al-Haytham nutzte sie um 1020 für die erste experimentell begründete Theorie des Sehens, Renaissance-Maler als Zeichenhilfe. Die erste Fotografie der Geschichte (Niépce 1826, acht Stunden Belichtung!) entstand in einer Lochkamera-Verwandten. Der Lichtmangel des kleinen Lochs war buchstäblich ihr Zeitproblem.
Versuchsziel
Was möchtest du untersuchen?
Aktuelles Versuchsziel
Bildgröße und Abstand: die erste Abbildungsformel
Untersuche, wie die Bildgröße vom Kerzenabstand abhängt, und prüfe die Beziehung .
Gemessen
- — Gegenstandsweite (in )
Abstand Kerze-Loch: die variierte Größe.
- — Bildgröße (in )
Auf dem Transparentschirm mit dem Lineal abgegriffen: die abhängige Größe.
Bekannt
- — Gegenstandsgröße (Kerzenhöhe) (in )
Einmal gemessen: 5,0 cm Flamme plus Kerzenkörper-Marke.
- — Bildweite (Kameratiefe) (in )
Feste Dosenlänge 20 cm: Loch bis Schirm.
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Die geprüfte Abbildungsbeziehung: der Strahlensatz an den sich im Loch kreuzenden Geraden.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Miss die Bildgröße der 5,0 cm hohen Kerzenflamme bei den Gegenstandsweiten 25, 50 und 100 cm (Kameratiefe fest 20 cm) und prüfe die Vorhersage B = G·b/g.
2Vorbetrachtung
Vom Strahlensatz zur Abbildungsformel
Die Geraden von Flammenspitze und Kerzenfuß kreuzen sich im Loch. Links davon spannen sie mit der Kerze ein Dreieck der Höhe und der Grundlinie auf, rechts mit dem Bild eines der Höhe und der Grundlinie . Beide Dreiecke haben am Loch denselben Scheitelwinkel und sind deshalb zueinander ähnlich (Strahlensatz aus der Mathematik).
Nach aufgelöst wird daraus eine Vorhersagemaschine. Für und erwarten wir bei ein Bild von , bei eines von und bei eines von . Halber Abstand, doppeltes Bild.
3Geräte / Stoffe
Flammenhöhe vor Beginn messen und die Kerze windgeschützt aufstellen (eine flackernde Flamme ändert G); Bildgröße auf dem Transparentpapier mit angelegtem Lineal ablesen, Zugluft vermeiden.
Lochkamera (Dose, Nadelloch, Transparentschirm)
Die ganze Kamera: Das Loch wählt aus jedem Kerzenpunkt genau ein schmales Bündel aus.
Kerze auf Halter
Heller, klar geformter Gegenstand mit erkennbarem Oben und Unten.
Wechsel-Frontplatte mit großem Loch
Für den Zielkonflikt-Test: mehr Licht, weniger Schärfe.
Maßband und Lineal
Gegenstands- und Bildgrößen für die Messvariante.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Die zwei ähnlichen Dreiecke links und rechts vom Loch, G, g, B, b beschriftet; die Formel steht als Verhältnisgleichung daneben.
Aufbau: Lochkamera (lichtdichte Dose oder Karton, Länge ca. 20 cm, Rückwand aus Transparentpapier, Nadelloch ~1 mm in der Frontmitte), Kerze auf Halter, dunkles Tuch über Kamera und Kopf, Lineal und Maßband; für den Lochvergleich eine zweite Frontplatte mit 3-mm-Loch.
5Durchführung
Je Abstand: Kerze mit Maßband positionieren, Bild scharf beobachten, B dreimal ablesen und mitteln; Reihenfolge 50, 25, 100 cm, zum Schluss Kontrollmessung wieder bei 50 cm.
6Beobachtung
| in | vorhergesagt | gemessen |
|---|---|---|
| 25 | ||
| 50 | ||
| 100 |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
7Auswertung
Die Formel trifft auf einen Millimeter: Halbierung des Abstands verdoppelt die Bildgröße, Verdopplung halbiert sie. ist konstant (, , , jeweils und im Rahmen der Millimeter-Ablesung gleich). Der Strahlensatz regiert die Abbildung. Damit ist die erste quantitative Formel der Optik etabliert: rein geometrisch, ohne jede Eigenschaft des Lichts außer seiner Geradlinigkeit.
Was die Formel schon jetzt kann: Sie misst Unzugängliches. Beispiel Sonne: Ihr Lochkamera-Bild hat bei etwa Durchmesser. Mit Millionen Kilometern liefert die umgestellte Formel Millionen Kilometer Sonnendurchmesser. Eine Konservendose vermisst einen Stern; der Strahlensatz macht es möglich.
Ausblick: Dieselben Größen kehren beim Linsen-Experiment wieder. Dort kommt mit der Brennweite eine dritte Länge dazu (Linsengleichung), aber die Lochkamera-Beziehung bleibt darin als Abbildungsmaßstab erhalten.
8Fazit
Die Bildgröße folgt genau der Beziehung ; das Produkt ist über die ganze Reihe konstant. Die Lochkamera-Abbildung ist reiner Strahlensatz, die geometrische Grundlage aller späteren Abbildungsformeln.
9Fehlerbetrachtung
Millimeter-Messungen an einem lichtschwachen Bild: Hier sind die Fehler handfest:
Flackernde Flammeeher zufällig
- Ursache
Zugluft ändert die Flammenhöhe G während der Reihe.
- Auswirkung
B streut mit, und die Verhältnisprüfung leidet.
- Verbesserung
Windschutz, mehrfach ablesen und mitteln (so durchgeführt), Kontrollmessung am Ende.
Unscharfer Bildrand (Lochgröße)eher systematisch
- Ursache
Jeder Punkt ist ein lochgroßer Fleck; der Rand von B ist eine Zone, keine Linie.
- Auswirkung
Systematisch etwas zu große B-Ablesung (etwa eine Lochbreite).
- Verbesserung
Von Randmitte zu Randmitte messen; kleines Loch verwenden.
g bis zur Dosenwand statt bis zum Loch gemesseneher systematisch
- Ursache
Bequemer Maßbandanschlag an der Front.
- Auswirkung
Bei kleinen g ein Prozentfehler von einigen Prozent.
- Verbesserung
Stets bis zur Lochebene messen.
Das Wichtigste
- Warum ein Bild entsteht
Ohne Loch träfe das Licht jedes Kerzenpunkts überall auf die Rückwand: gleichmäßige Helligkeit, kein Bild. Das Loch lässt je Kerzenpunkt nur ein schmales Bündel durch. Jedem Schirmpunkt entspricht damit ein Gegenstandspunkt, und genau das ist ein Bild.
- Warum es kopfsteht
Die Geraden von Flammenspitze und Kerzenfuß kreuzen sich im Loch. Oben landet unten, links landet rechts: Bildumkehrung als direkte Folge der Geradlinigkeit.
- Die Größenformel
: Bild- zu Gegenstandsgröße verhält sich wie Kameratiefe zu Gegenstandsweite. Das ist der Strahlensatz an den sich kreuzenden Geraden.
- Der Zielkonflikt
Kleines Loch: scharf, aber dunkel. Großes Loch: hell, aber unscharf, weil jeder Punkt zum Fleck wird. Die Lochkamera kann nie beides. Genau dieses Problem löst später die .