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 dieser Aufbau mit einer einfach zu bauenden Lochkamera und den damit gewonnenen Bildern verglichen.

Didaktischer Rahmen

Fachdidaktische Zielsetzung

Bei diesem Experiment sollen Schülerinnen und Schüler

(10) Die Schülerinnen und Schüler sollen die Bildentstehung bei einer Lochkamera qualitativ berschreiben können.

Nötige Vorkenntnisse

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

Mögliche Schülerschwierigkeiten

Schülervorstellungen, die hier relevant werden

Gibt es in der Literatur (z.B. Schecker, Horst; Wilhelm, Thomas; Hopf, Martin; Duit Reinders (Hrsg.) (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Berlin: Springer-Verlag GmbH) bereits erforschte Schülervorstellungen, die bei diesem Experiment relevant werden könnten? Beschreibe die Schülervorstellungen mit eigenen Worten und beschreibe warum sie hier relevant sind. GGf. kannst du auch einen Lösungsansatz beschreiben.

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

Auswertung

In den nachfolgenden Abbildungen ist eine Aufnahmereihe zu sehen, die mit aus einer Lochkamera abfotografiert wurde bei unterschiedlich weiten Blenden-Schirm-Abständen.

Fotos

Am Ende des Dokuments kommt eine Galerie aller Bilder, die zu diesem Experiment unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind. Im Allgemeinen lohnt es sich häufig auch, bereits bestehende Texte und deren Syntax zu betrachten:
<div class="row"> <div class="large-4 large-centered columns"> <ul class="example-orbit" data-orbit> <li> [[Datei:Bild.png|slide 1]] <div class="orbit-caption"> Bildbeschreibung </div> </li> </ul> </div> </div>

• 

      Abbildungen an einer Lochkamera.
  

• 

       Versuchsaufbau seitlich
  

• 

       Versuchsaufbau frontal.
  

Literatur

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