Abbildung an der optischen Bank
Worum geht es?
Auf der optischen Bank werden Gegenstandsweite , Bildweite und Brennweite sauber messbar. Ihre Beziehung ist die Linsengleichung , und wir prüfen sie über eine ganze Messreihe. Dazu kommen die Bildarten-Landkarte (wann verkleinert, wann vergrößert, wann virtuell?) und der Abbildungsmaßstab : das komplette Regelwerk der Linsenabbildung.
Warum macht man dieses Experiment?
Dies ist das quantitative Herzstück der Optik. Wer die Linsengleichung einmal selbst gemessen hat, kann jedes optische Gerät durchrechnen: Wo muss der Beamer stehen, warum stellt die Kamera „scharf“, wie entwirft das Auge sein Netzhautbild? Und die Kehrwert-Form der Gleichung gibt einen Vorgeschmack darauf, wie die Physik Formeln baut, die auf den ersten Blick unhandlich und auf den zweiten perfekt sind.
Die physikalische Idee
Vier Stufen an einem Aufbau: (1) Die Brennweite der präzise bestimmen, den Schlüsselwert für alles Weitere. (2) Zu vier Gegenstandsweiten die scharfe Bildweite suchen und die Prüfsumme bilden. (3) Den ganzen Schienenbereich abfahren und die Bildarten kartieren. (4) Bildgrößen messen und die Maßstabsformel prüfen.
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
- Sammellinse und Brennweite (Experiment)
- Abbildungsmaßstab an der Lochkamera (Experiment)
Wissenschaftliche Einordnung
Kepler legte 1611 in der „Dioptrice“ die Strahlenkonstruktion der Linsenabbildung vor, die Grundlage für das nach ihm benannte Fernrohr. Die Kehrwert-Form der Linsengleichung stammt von Halley und wurde von Gauß 1841 zur allgemeinen Abbildungstheorie ausgebaut. Bis heute rechnet jede Objektiv-Software mit ihren Nachfahren.
Versuchsziel
Was möchtest du untersuchen?
Aktuelles Versuchsziel
Die Landkarte der Bildarten
Kartiere systematisch, welche Bildart (Größe, Orientierung, reell/virtuell) zu welchem Bereich der Gegenstandsweite gehört.
Gemessen
- — Gegenstandsweite (in )
Wird durch alle vier Zonen der Landkarte gefahren.
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Liefert zu jeder Zone die Vorhersage von Bildweite und (über b/g) Bildgröße.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Fahre den Gegenstand von g = 50 cm schrittweise bis g = 5 cm an die heran und protokolliere in jeder Zone (g > 2f, g = 2f, f < g < 2f, g ≤ f) Bildort, Größe und Orientierung.
2Vorbetrachtung
Die Landkarte vorab aus der Gleichung: Mit cm heißen die Grenzen cm () und cm (). Die Vorhersagen je Zone: Für liegt zwischen und , also ist und das Bild verkleinert. Bei ist es gleich groß. Für gilt , also : Das Bild ist vergrößert und rückt schnell hinaus. Bei gibt es kein reelles Bild mehr, sondern die Lupe. Alle reellen Bilder stehen kopf, weil sich die Hauptstrahlen in der kreuzen. Die Messfahrt prüft die komplette Karte in einem Durchgang.
3Geräte / Stoffe
Die Zonenübergänge langsam anfahren, denn die spannenden Beobachtungen (das Bild rast hinaus, der Umschlag zur Lupe) liegen an den Grenzen.
Optische Bank mit Skala
Alle Weiten und Positionen an einer Skala, die Voraussetzung für saubere Messreihen.
Leuchtobjekt (Pfeil, 2,0 cm)
Definierte Gegenstandsgröße und -richtung, damit Bildumkehr und Maßstab ablesbar werden.
Sammellinse f = 10 cm
Der Prüfling, dieselbe durch alle vier Varianten hindurch.
Mattscheibe
Fängt reelle Bilder von beiden Seiten sichtbar auf.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Zahlenstrahl der Gegenstandsweite mit den Marken f und 2f, darüber je Zone eine Miniatur des Bildtyps.
Die Bildkonstruktion mit den Hauptstrahlen: Parallelstrahl (knickt durch F), Mittelpunktstrahl (läuft gerade durch), Brennpunktstrahl (wird parallel). Ihr Schnitt liefert Bildort und Bildgröße, und die Linsengleichung fasst genau diese Geometrie in Zahlen.
Aufbau: Optische Bank (Schiene mit Zentimeterskala), Kerze oder LED-Leuchtobjekt (Pfeil, Höhe 2,0 cm) auf Reiter, f = 10 cm im Halter, Mattscheibe/Schirm auf Reiter; abgedunkelter Raum.
5Durchführung
Die Stationen sind 50, 30, 25, 20, 15, 12, 10, 8 und 5 cm. An jeder Station den Schirm nachführen und die Bildart notieren; an den Grenzen bei 20 und 10 cm besonders fein vorgehen.
6Beobachtung
| Zone | Bild |
|---|---|
| (50, 30, 25 cm) | reell, kopfstehend, verkleinert; rückt bei Annäherung langsam hinaus und wächst |
| (20 cm) | reell, kopfstehend, genau gleich groß bei b = 20 cm |
| (15, 12 cm) | reell, kopfstehend, vergrößert; bei 12 cm schon b = 60 cm, das Bild groß und lichtschwach |
| (10 cm) | kein Bild in Schienenreichweite, nahezu paralleles Bündel |
| (8, 5 cm) | kein Schirmbild; Blick durch die Linse: aufrecht, vergrößert, virtuell (Lupe) |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
7Auswertung
Die Karte stimmt Zone für Zone: Verkleinerung jenseits , Gleichstand bei , Vergrößerung zwischen den Brennmarken, Parallelbündel bei , Lupe darunter. Jede Grenze liegt genau bei den vorhergesagten Marken. Die Linsengleichung ist also nicht nur eine Zahlenprüfung (Variante 2), sondern eine Gebietskarte: Wer kennt, weiß ohne Rechnung, welches Gerät er vor sich hat.
Die Geräte-Zuordnung: Bei arbeiten Kamera und Auge (großes Motiv auf kleinem Sensor). Bei liegt die 1:1-Abbildung (Makrofotografie, Kopiergeräte alter Bauart). Zwischen und arbeiten Beamer und Diaprojektor (kleines Panel auf großer Wand, darum sitzt das Panel knapp über der Brennweite). Und bei ist es die Lupe. Vier optische Geräteklassen sind vier Parkplätze auf einer einzigen Geraden, sortiert allein durch die Gegenstandsweite.
Der Preis der Vergrößerung: Bei cm war das Bild groß, aber dunkel, denn dieselbe Lichtmenge verteilt sich auf die vielfache Fläche. Beamer brauchen deshalb starke Lampen. Die Landkarte enthält also auch die Energie-Seite der Abbildung.
8Fazit
Vier Zonen, geordnet durch f und 2f: verkleinert, gleich groß, vergrößert, Lupe, mit genau getroffenen Grenzen. Die Landkarte der Bildarten macht aus der Linsengleichung eine Gerätekunde: Kamera, Kopierer, Beamer und Lupe sind Orte auf einer Schiene.
9Fehlerbetrachtung
Kartierungsfehler entstehen an den Grenzen:
Grenze g = 2f nur grob angefahreneher zufällig
- Ursache
Gleichgroß-Urteil per Augenmaß.
- Auswirkung
Zonengrenze um Zentimeter verschoben protokolliert.
- Verbesserung
Millimeterpapier-Vergleich wie in Variante 1.
Schiene endet vor dem Bildeher systematisch
- Ursache
Nahe g = f wächst b über die Banklänge hinaus.
- Auswirkung
„Kein Bild“ notiert, wo nur die Schiene zu kurz ist.
- Verbesserung
Wand als Verlängerungs-Schirm nutzen; Befund korrekt als „außerhalb der Reichweite“ protokollieren.
Lupenbeobachtung mit angestrengtem Augeeher systematisch
- Ursache
Das Auge gleicht unbemerkt Unschärfen aus.
- Auswirkung
Der Lupen-Bereich wirkt größer als g < f.
- Verbesserung
Entspannt aus Abstand durch die blicken, Grenzen mehrfach prüfen.
Das Wichtigste
- Die Linsengleichung
: Die Kehrwerte der drei Weiten hängen zusammen. Je näher der Gegenstand, desto weiter rückt das Bild hinaus, bis es bei ins Unendliche entweicht.
- Die Bildarten-Landkarte
: verkleinert (Kamera) · : gleich groß, · : vergrößert (Beamer) · : kein reelles Bild, sondern Lupe. Vier Zonen, eine Gleichung.
- Der Maßstab
, wie bei der Lochkamera (Mittelpunktstrahl!): Bild- zu Gegenstandsgröße verhält sich wie Bild- zu Gegenstandsweite.
- Symmetrie
g und b sind in der Gleichung vertauschbar. Zu jedem scharfen Aufbau existiert der gespiegelte mit getauschtem g und b. Kamera-Stellung und Beamer-Stellung sind dasselbe Bild, nur rückwärts durchlaufen.