EXP:Lochkamera

Dieses Experiment soll qualitativ die Zusammenhänge zwischen der Größe der Lochblende und der Schärfe des Bildes bei einer Lochkamera aufzeigen. Darüber hinaus wird qualitativ der Einfluss des Abstandes zwischen Lochblende und Schirm anhand einer Selbstbauvariante einer Lochkamera untersucht. Zuletzt werden die Lochkameravarianten und deren Einsatzzweck im Unterricht miteinander verglichen.

Didaktischer Rahmen

Fachdidaktische Zielsetzung

Bei diesem Experiment sollen Schülerinnen und Schüler lernen, die Bildentstehung bei einer Lochkamera qualitativ beschreiben zu können .

Nötige Vorkenntnisse

Die Schülerinnen und Schüler sollten grundlegende Phänomene der Lichtausbreitung mithilfe des Lichtstrahlmodells beschreiben können .

Mögliche Schülerschwierigkeiten

Schülervorstellungen, die hier relevant werden

Eine Schülervorstellung, die bei diesem Versuch zum Tragen kommen könnte, ist: "Das Bild bei einer Lochkamera steht nicht auf dem Kopf, da keine Linse verbaut ist." Unterstützt wird diese Annahme davon, dass Schülerinnen und Schüler nicht die gelernte Konstruktionsweise einer Abbildung an einer Linse anwenden können, da eine Lochblende keine Brennpunkte hat. Ebenso sieht man auch ein Bild nicht auf dem Kopf, wenn man mit seiner Hand einen Tunnel formt und die Öffnung kleiner werden lässt. Eine mögliche Lösung wäre, hier den Schülerinnen und Schülern konsequent das Lichtstrahlenmodell mit einer infinitessimalen kleinen Lochblende anwenden zu lassen.

Abildungen einer Lochkamera in Abhängigkeit des Blendendurchmessers. Fotografiert und erstellt von Christian Mühlhuber.

Allgemein

Klassenstufe	Klasse 7/8
Kategorie	Optik
Einordnung in den Bildungsplan von BW	3.2.2 Optik und Akustik, (10)

Klassifikation

Quantitativ/Qualitativ	Qualitativ
Demo-/Schülerexperiment	Demo- und Schülerexperiment
Unterrichtsphase	Einstieg / Erarbeitung
Einzelversuch/Versuchsreihe	Versuchsreihe

Versuchsanleitung (Kamera)

Benötigtes Material

• Spiegelreflexkamera Canon EOS 77D
• Canon EF-Bajonett auf SM2-Gewinde Adapter
• 2" und 1" Lens-Tubes
• 2" auf 1" Lens-Tube-Adapter
• Lochblenden mit verschiedenen Durchmessern
• Optische Bank
• Reiter für die optische Bank
• Post
• Gewindeadapter: M6-Gewinde auf 1/4'-Gewinde
• Dia mit Diahalterung
• Lampe und Diffusorschirm

Versuchsaufbau (Kamera)

Schritt 1

Bringen Sie die Reiter für die Kamera, die Diahalterung, das Diffusortuch und die Lampe auf der optischen Bank an.

Schritt 2

Montieren Sie die Diahalterung, das Diffusortuch und die Lampe so, dass die Öffnung der Lampe und das Dia auf einer Höhe sind.

Schritt 3

Schrauben Sie den M6-1/4"-Gewindeadapter mit der 1/4-Zoll Seite in das bei der Kamera vorgesehene Gewinde auf der Unterseite. Schrauben Sie zudem auf das herausschauende M6-Gewinde des Gewindeadapters einen Post auf.

Schritt 4

Bringen Sie am Canon EF-Bajonett auf SM2-Gewinde Adapter ein 2-Zoll Lens-Tube an und schrauben am Ende den 2" auf 1" Lens-Tube-Adapter auf.

Schritt 5

Bauen Sie die Lochblenden in 1"-Filterhalterungen ein und schrauben Sie einen Filter in den Lens-Tube-Adapter.

Schritt 6

Stecken Sie das zusammengebaute "Objektiv" auf die Kamera und montieren diese auf dem dafür vorgesehenen Reiter.

Versuchsaufbau für die Verwendung der Canon EOS 77D als Lochkamera.

Versuchsaufbau für die Verwendung der Canon EOS 77D als Lochkamera - Frontalansicht.

Versuchsdurchführung

Für die Aufnahme der Bilder mit der Kamera wurde bei ISO100 eine passende Belichtungszeit $t_0$ von 0,2 s für die erste Blende mit einem Durchmesser $d_0$ von 1 mm gewählt. Die weiteren Belichtungszeiten $t_1$ und $t_2$ wurden berechnet über das Verhältnis der Blendenöffnungen zu den Verschlusszeiten. Die Fläche der Blendenöffnung berechnet sich über

$A_0=\frac{\pi d_0^2}{4}(1).$

Bildet man das Verhältnis

$\frac{A_0}{A_i}=\frac{t_0}{t_i},$

so ergibt sich mit Gleichung (1)

$\frac{d_0^2}{d_i^2}=\frac{t_0}{t_i},$

womit für weitere Belichtungszeiten folgt:

$t_i={\left(\frac{d_0}{d_i}\right)}^2\cdot t_0(2).$

Für die Blende mit einem Durchmesser von 0,5 mm ergibt sich somit eine Belichtungszeit $t_1$ von 0,6 s und für die Blende mit einem Durchmesser von 200 µm folgt ein $t_2$ von 4 s.

Beim Verschieben der Kamera auf der optischen Bank ergeben sich je nach Abstand zum Dia unterschiedliche Bildausschnitt, weshalb der Abstand so gewählt wurde, dass das ganze Dia durch den Live-View-Modus der Kamera zu sehen war. Es ergab sich somit eine Bildweite, die von der Blendenöffnung bis zur Sensormarkierung an der Kamera gemessen wurde, von 127 mm und eine Gegenstandsweite von 195 mm.

Auswertung

Im Nebenstehenden Bild ist zu sehen, dass die Schärfe des Bildes mit abnehmender Blendenöffnung zunimmt.

$\mathrm{i}\hslash \frac{\partial }{\partial t}|\psi (t)⟩=\hat{H}|\psi (t)⟩.$

Abildungen einer Lochkamera in Abhängigkeit des Blendendurchmessers. Fotografiert und erstellt von Christian Mühlhuber.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Treten beim Experiment häufiger Fehler auf? Bitte beschreibe sie hier.

Sicherheitshinweise

Bei diesem Experiment besteht Gefahr durch herunterfallende Experimentiermittel. Achten sie daher auf eine sichere Befestigung aller Bauteile auf der optischen Bank.

Versuchsanleitung (Selbstbauvariante)

Benötigtes Material

Zum Bau einer Lochkamera gibt es zahlreiche Anleitungen im Internet. Eine funktionierende Anleitung, die als Grundlage die Verpackung einer bekannten Chipsdose verwendet, wird zum Beispiel vom Landesmuseum Oldenburg auf YouTube vorgestellt .

Man kann zum Beispiel mit foglenden Materialien eine Lochkamera bauen:

• eine leere Chipsrolle
• schwarzen Tonkarton
• Transparentpapier
• Werkzeug (Schere, Stift, Tesafilm, Hammer, Nagel)

Versuchsaufbau

Bei einem ersten Test hat sich gezeigt, dass nur sehr helle Gegenstände auf dem Schirm der Lochkamera zu sehen sind. So konnte man zum Beispiel nur eine eingeschaltete Deckenlampe und die Sonne bei leicht bewöktem Himmel erkennen. Für das Experiment wurde daher eine Farbpalette auf einen Aufnahmetisch gestellt und mit zwei Studioblitzen beleuchtet. Hierbei wurden beide Blitze (200 Ws und 300 WS) bei voller Leistung betrieben und an der Kamera ein ISO-Wert von 6400 bei einer Blende von f/5 eingestellt.

Versuchsdurchführung

Wegen des sehr dunklen Kameradisplays wurden ein paar Testaufnahmen zur Ausrichtung der Lochkamera genommen. Anschließend wurde bei unterschiedlichen Abständen zwischen Lochblende und Schirm der Schirm der Lochkamera abfotografiert.

Auswertung

In den nachfolgenden Abbildungen ist eine Aufnahmereihe eines mit zwei Studioblitzen beleuchteten Aufnahmetisches bei unterschiedlich weiten Blenden-Schirm-Abständen zu sehen. Die Bilder waren bei der Aufnahme um 180° gedreht und wurden zur besseren Ansicht richtig ausgerichtet.

Auf den Bildern ist eine Zoomwirkung deutlich zu erkennen, die durch Erhöhrung des Abstand zwischen Lochblende und Schirm verursacht wird. Des weiteren ist die Struktur des Transparenzpapieres deutlich zu sehen, das wegen der Strukturierung die Auflösung der Bilder herabsetzt, jedoch lässt sich nicht feststellen, ob die Motivunschärfe durch den Lochblendendurchmesser oder durch das Transparenzpapier zustande kommt.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Zu geringe Motivhelligkeit

Die Selbstbauvariante bedarf sehr heller Motive, die zum Beispiel von Lampen oder draußen an einem sonnigen Tag beleuchtet werden. Ein Problem könnte hier daher werden, dass eine experimentelle Erkundung der Auswirkung des Abstandes zwischen Lochblende und Schirm von Schülerinnen und Schülern nicht durchgeführt werden kann.

Quantitative Unteruchung der Abbildungseigenschaften

Für eine quantitative Untersuchung der Abbildungseigenschaften einer Lochkamera wird unter anderem der Durchmesser der Lochblende benötigt, die in der Größenordnung einer Nagelspitze mit herkömmlichen Messmitteln wie einem Lineal nicht messbar sind. Auch der Zerstreuungskreisdurchmesser lässt sich ohne Markierungen auf dem Schirm nicht ermitteln. Eine Untersuchung der Eigenschaften einer Selbstbau-Lochkamera auf quantitative Weise wird im Schulunterricht daher vermutlich schwierig sein.

Fotos

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      Abbildungen an einer Lochkamera.
  

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       Versuchsaufbau seitlich
  

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       Versuchsaufbau frontal.
  

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       Beispielbild Selbstbauvariante.
  

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       Beispielbild Selbstbauvariante.
  

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       Beispielbild Selbstbauvariante.
  

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       Beispielbild Selbstbauvariante.
  

Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0