Physikalische Schulversuche Strahlenoptik 7 Physikalische Schulversuche Physikalische Schulversuche Siebenter Teil Strahlenoptik Herausgegeben von Georg Sprockhof! Verfaßt von Helmut Roth 6. Auflage Volk und Wissen Volkseigener Verlag Berlin 1979 Verfaßt von Dr. Helmut Roth Redaktion: Willi Wörstenfeld r © Volk und Wissen Volkseigener Verlag, Berlin 1979 Die 1. bis 5. Auflage erschien unter der Bestellnummer 022107 Lizenz-Nr. 203 • 1000/79 (SN 022147-1) LSV 0644 Einband: Hanfred Behrendt Zeichnungen: Heinrich Linkwitz v Typografische Gestaltung: Atelier VWV Printed in the German Democratic Republic Gesamtherstellung: VEB Druckerei „Thomas Müntzer", 582 Bad Langensal Schrift: 9/10p Extended Monotype Redaktionsschluß: 28. 4.1978 Bestellnummer: 7071631 DDR 9,80 M Inhalt Einleitung.............................. 11 1. Hilfsmittel für die Durchführung optischer Versuche — Optische Abbildungsverfahren...................... 15 1.0. Allgemeine Vorbemerkungen................. 15 1.1. Lichtquellen........................ 18 1.1.1. Glühlampen ........................ 18 1.1.2. Kohlebogenlampen.........\........... 19 1.1.3. Spektralröhren........................ 20 1.1.4. Spektrallampen....................... 20 1.1.5. Ultraviolettlampen ..................... 21 1.2. Unterrichtsmittel für die Optik................■ . 21 1.2.1. Optische Bänke....................... 21 1.2.2. Geräte zur ebenen geometrischen Optik ............ 25 1.2.3. Einsatz optischer Geräte.................. 27 1.3. Selbstanfertigung von optischen Aufbauteilen und Geräten..... 29 1.3.1. Seibetanfertigung von Zusatzteilen zur optischen Bank...... 29 1.3.2. Selbstanfertigung von Zusatzteilen für die Geräte zur ebenen geometrischen Optik...................... 37 1.3.3. Selbstanfertigung von Zusatzteilen zur Verwendung in Verbindung mit dem Tageslichtschreibprojektor.............. 39 1.3.4. Selbstanfertigung von optischen Geräten für Schüler- und Hausexperimente ........................ 40 1.3.5. Verspiegeln von Glas..................... 41 < 1.4. Optische Abbildungsverfahren................. 42 1.4.1. Erzeugung divergenten Lichtes — Schattenwurf....... . 42 1.4.2. Erzeugung parallelen Lichtes................. 43 5 # Inhalt 1.4.3. Reelle Abbildung selbstleuchtender oder beleuchteter flächenhafter Objekte.......................... 44 1.4.4. Reelle Abbildung durchleuchteter flächenhafter Objekte..... 44 1.4.5. Häufig verwendete Projektionsanordnungen .......... 47 2. Geradlinige Ausbreitung» Reflexion, Brechung und Totalreflexion des Lichtes....................... 51 2.0. Methodische Bemerkungen.................. 51 2.1. Geradlinige Ausbreitung des Lichtes.............. 54 2.1.1. Untersuchung der Lichtdurchlässigkeit von Körpern....... 54 2.1.2. Demonstration der geradlinigen Ausbreitung des Lichtes..... 55 2.1.3. Demonstration des Übergangs vom Lichtbündel zum Lichtstrahl . 57 2.1.4. Demonstration der Schattenwürfe............... 58 2.1.5. Demonstration des Strahlenverlaufes beim Schattenwurf..... 60 2.1.6. Demonstration der Entstehung von Sonnen- und Mondfinsternis , . 60 2.1.7. Demonstration des Strahlenverlaufes bei der Entstehung von Sonnen-und Mondfinsternis..................... 62 2.1.8. Nachweis der geradlinigen Ausbreitung des Lichtes und Erzeugung von Bildern mit Hilfe einer Lochkamera............ 63 2.1.9. Fotografieren mit Hilfe einer Lochkamera........... 65 2.2. Reflexion des Lichtes am ebenen Spiegel ........ 66 2.2.1. Demonstration der Reflexion des Lichtes an Spiegeln und matten Flächen.......................... 66 2.2.2. Herleitung bzw. Bestätigung des Reflexionsgesetzes....... 67 2.2.3. Demonstration der Lage von einfallendem und reflektiertem Strahl bei der Reflexion am ebenen Spiegel.............. 69 2.2.4. Beobachtung der Bilder an einem ebenen Spiegel........ 70 2.2.5. Demonstration des Strahlenverlaufes bei der Bildentstehung am ebenen Spiegel....................... 72 2.2.6. Demonstration der Reflexion des Lichtes an Winkelspiegeln .... 73 2.2.7. Beobachtung von Bildern an Winkelspiegeln........... 74 2.3. Reflexion des Lichtes an gewölbten Spiegeln........... 75 2.3.1. Demonstration des Strahlenverlaufes an einem Hohl- bzw. Wölbspiegel ........................... 75 2.3.2. Demonstration der Reflexion von Parallel-, Brennpunkt-, Mittelpunkt- und Scheitelstrahlen am Hohl- bzw. Wölbspiegel..... 77 2.3.3. Demonstration des Strahlen verlauf es bei der Abbildung eines Punktes mit Hilfe eines Hohl- bzw. Wölbspiegels............ 78 2.3.4. Erzeugung reeller Bilder mit Hilfe eines Hohlspiegels....... 79 2.3.5. Bestätigung der Abbildungsgleichung und der Gleichung für den Abbildungsmaßstab bei der Bilderzeugung mit Hilfe eines Hohlspiegels.......................... 81 2.3.6. Beobachtung von virtuellen Bildern am Hohl-bzw. Wölbspiegel . . 82 2.3.7. Demonstration von Bau und Wirkungsweise eines Autoschein-werfers........................... 83 6 Inholt 2.4. Brechung und Totalreflexion des Lichtes............ 84 2.4.1. FreihandverBuche zur Demonstration der Brechung des Lichtes . . 84 2.4.2. Demonstration der Brechung des Lichtes beim Übergang von einem lichtdurcb*lässigen Stoff in einen anderen......... 86 2.4.3. Herleitung bzw. Bestätigung des Brechungsgesetzes....... 87 2.4.4. Demonstration der Totalreflexion des Lichtes.......... 90 2.4.5. Demonstration der Wirkungsweise eines Lichtleiters ...... 92 2.5. Durchgang des Lichtes durch planparallele Platten und Prismen. . . 93 2.5.1. Demonstration der Parallel Verschiebung des Lichtes an einer planparallelen Platte....................... 93 2.5.2. Demonstration des Strahlenverlaufes an einer planparallelen Platte . 94 2.5.3. Demonstration des Strahlenverlaufes durch ein Prisma...... 95 2.5.4. Demonstration der Totalreflexion an einem gleichschenklig-rechtwinkligen Prisma.....,................. 98 2.5.5. Demonstration des Strahlenverlaufes bei der Totalreflexion am gleichschenklig-rechtwinkligen Prisma............. 99 3. Durchgang des Lichtes durch Linsen sowie Bau und Wirkungsweise optischer Geräte.................... 101 3.0. Methodische Bemerkungen.................. 101 3.1. Durchgang des Lichtes durch Linsen und Abbildung mit Hilfe von Linsen............................ 105 3.1.1. Demonstration des Strahlenverlaufes in Linsen.......... 105 3.1.2. Demonstration der Sammelwirkung von Linsen ......... 108 3.1.3. Demonstration der Abhängigkeit der Brennweite einer Linse von der Linsenkrümmung..................... 109 3.1.4. Demonstration des Einflusses der Umgebung auf die Linsenwirkung ............................ 110 3.1.5. Demonstration der Brechung von Parallel-, Brennpunkt- und Mittelpunktstrahlen an Sammel- und Zerstreuungslinsen....... 111 3.1.6. Demonstration des Strahlen verlauf es bei der reellen Abbildung eines Punktes durch eine Sammellinse............. 112 3.1.7. Erzeugung reeller Bilder mit Hiffe einer Sammellinse....... 113 3.1.8. Herleitung bzw. Bestätigung der Linsengleichung und der Gleichung für den Abbildungsmaßstab............... 116 3.1.9. Vergleich der virtuellen Bilder von Sammel- und Zerstreuungslinsen............................ 117 3.1.10. Beobachtung der virtuellen Bilder an Sammel- und Zerstreuungslinsen............................ 119 3.1.11. Bestimmung der Brennweite von dünnen Sammellinsen ..... 120 3.1.12. Bestimmung der Brennweite von dünnen Zerstreuungslinsen . . . 122 3.2. Nachweis der Fehler bei der Abbildung mit Hilfe von Linsen .... 124 3.2.1. Demonstration der hauptsächlichen Fehler bei der Abbildung durch Linsen . ,,...................... 124 7 # Inhalt 3.2.2. Demonstration der chromatischen Aberration einer Sammellinse . . 125 3.2.3. Nachweis der chromatischen Aberration einer dünnen Sammellinse 126 3.2.4. Demonstration der Entstehung der chromatischen Aberration einer Sammellinse......................128 3.2.5. Demonstration der sphärischen Aberration einer Sammellinse . . . 129 3.2.6. Demonstration der Entstehung der sphärischen Aberration einer Sammellinse........................130 3.2.7. Demonstration des Astigmatismus schiefer Bündel........131 3.2.8. Demonstration der astigmatischen Abbildung eines Kreuzgitters . . 132 3.2.9. Demonstration der Komafiguren durch Randstrahlen......133 3.2.10. Demonstration der Entstehung der Koma ...........134 3.2.11. Demonstration der Bildfeldwölbung..............135 3.2.12. Demonstration der tonnen- und kissenförmigen Verzeichnung bei der Abbildung durch Sammellinsen bei falscher Pupillenlage. . . .136 3.3. , Demonstration von Bau und Wirkungsweise von Projektor, fotogra- fischer Kamera und menschlichem Auge.............138 3.3.1. Demonstration von Bau und Wirkungsweise eines Projektors für durchsichtige Bilder.................... 138 3.3.2. Demonstration der Anwendung der Durchlichtprojektion im Tageslichtschreibprojektor und im Vergrößerungsgerät.........141 3.3.3. Demonstration des Strahlenverlaufes in einem Projektor.....142 3.3.4. Demonstration von Bau und Wirkungsweise eines Projektors für undurchsichtige Bilder.................... 143 3.3.5. Demonstration von Bau und Wirkungsweise einer fotografischen Kamera.......................... . 145 3.3.6. Demonstration des Strahlenverlaufes in einer fotografischen Kamera........... •.................146 3.3.7. Demonstration des Einflusses der Brennweite eines Kameraobjektives auf den Bildausschnitt...............148 3.3.8. Demonstration von Bau und Wirkungsweise des menschlichen Auges...........................149 3.3.9. Demonstration des Strahlenverlaufes im menschlichen Auge .... 151 3.3.10. Demonstration der Akkommodation der Augenlinse.......153 3.3.11. Demonstration der Korrektur von Fehlsichtigkeit........154 3.3.12. Demonstration des Strahlenverlaufes bei der Korrektur von Fehlsichtigkeit ..........................156 3.3.13. Ermittlung der Abhängigkeit des Sehwinkels von der Gegenstandsentfernung .........................158 3.4. Demonstration von Bau und Wirkungsweise optischer Geräte zur Nah- und Fernbeobachtung .................161 3.4.1. Freihandversuche zum Erlernen des Gebrauchs der Lupe.....161 3.4.2. Demonstration der Wirkungsweise und der Vergrößerung einer Lupe............................162 3.4.3. Ermittlung der Vergrößerung einer Lupe............164 3.4.4. Demonstration der Wirkungsweise eines Diapositivbetrachters . . . 165 3.4.5. Demonstration der Vergrößerung einer Lupe mit Hilfe des Tageslichtschreibprojektors ....................166 8 Inhalt # 3.4.6. Demonstration des Strahlenverlaufes beim Gebrauch der Lupe . . 166 3.4.7. Demonstration von Bau und Wirkungsweise eines Keplerschen Fernrohres .........................167 3.4.8. Demonstration des Strahlen verlauf es in einem Keplerschen Fernrohr........., . .................170 3.4.9. Demonstration von Bau und Wirkungsweise eines Fernrohres mit Umkehrlinse.........................172 3.4.10. Demonstration von Bau und Wirkungsweise eines Prismenfernrohres...........................174 3.4.11. Demonstration der subjektiven Beobachtung mit einem Fernrohr . 175 3.4.12. Ermittlung der Vergrößerung eines Fernrohres.........176 3.4.13. Demonstration von Bau und Wirkungsweise eines Galileischen Fernrohres.........................178 3.4.14. Demonstration des Strahlen Verlaufes in einem Galileischen Fernrohr 179 3.4.15. Demonstration von Bau und Wirkungsweise eines Spiegeltele-skopes.............'..............180 3.4.16. Demonstration des Strahlenverlaufes in einem Spiegelteleskop . . . 182 3.4.17. Demonstration von Bau und Wirkungsweise eines Mikroskopes . . 183 3.4.18. Demonstration des Strahlenverlaufes in einem Mikroskop.....185 3.4.19. Ermittlung der Vergrößerung eines Mikroskopes.........187 3.4.20. Demonstration von Bau und Wirkungsweise eines Spektralapparates............................188 4. Spektrale Zerlegung des Lichtes und Farbmischung.....191 4.0. Methodische Bemerkungen..................191 4.1. Spektrale Zerlegung des Lichtes ................193 4.1.1. Demonstration der spektralen Zerlegung des Lichtes.......193 4.1.2. Demonstration des Strahlenverlaufes bei der spektralen Zerlegung des Lichtes..........................198 4.1.3. Demonstration der Entstehung eines Regenbogens........199 4.1.4. Demonstration des Strahlenverlaufes bei der Entstehung eines Regenbogens........................ 201 4.1.5. Nachweis der Unzerlegbarkeit der Spektralfarben ........201 4.1.6. Vergleich von Stoffen unterschiedlicher spezifischer Dispersion . . 202 4.1.7. Demonstration der Wirkungsweise von achromatischen Prismen und Geradsichtprismen ......................203 4.1.8. Nachweis des ultravioletten Lichtes im Spektrum einer Bogenlampe bzw. einer Quecksilberdampflampe ...............204 4.1.9. Nachweis des ultraroten Lichtes im Spektrum einer Bogenlampe bzw. einer Glühlampe.....................207 4.1.10. Demonstration der Reflexion von ultrarotem Licht und Vorführung der Durchlässigkeit von Stoffen für Wärmestrahlen.......208 4.1.11. Beobachtung von diskontinuierlichen Emissionsspektren.....210 4.1.12. Demonstration von Absorptionsspektren fester, flüssiger und gasformiger Stoffe......................212 9 # Inhalt 4.1.13. Beobachtung der Absorption von Natriumlicht durch Natriumdampf ..........................213 4.1.14. Nachweis der Fraunhoferschen Linien im Sonnenspektrum .... 214 4.1.15. Demonstration der Umkehrung der Natriumlinien........215 4.2. Farbmischung........................217 4.2.1. Demonstration der Vereinigung aller Spektralfarben zu Weiß .... 217 4.2.2. Demonstration der additiven Farbmischung einzelner Spektralfarben zu Weiß .......................220 4.2.3. Vereinigung der Restfarben eines Spektrums...........221 4.2.4. Demonstration der additiven Farbmischung...........222 4.2.5. Demonstration der subtraktiven Farbmischung.........225 4.2.6. Beleuchtung farbiger Körper mit farbigem Licht und fluoreszierender Stoffe mit UV-Licht........."............226 4.2.7. Demonstration farbiger Schatten...............227 5. Ausgewählte Versuche zur Fotometrie.......... . 229 5.0. Methodische Bemerkungen..................229 5.1. Fotometrie....................... .230 5.1.1. Subjektiver Vergleich der Lichtstärken zweier Lichtquellen .... 230 5.1.2. Objektiver Vergleich der Lichtstärken zweier Lichtquellen..... 233 5.1.3. Experimentelle Ermittlung des Lambertschen Entfernungsgesetzes . 234 5.1.4. Experimentelle Ermittlung der Lichtverteilungskurve einer Glühlampe........................... 236 6. Ausgewählte Blackbox-Versuche zur geometrischen Optik 238 6.0. Methodische Bemerkungen...................238 6.1. Blackbox-Versuche zur geometrischen Optik...........239 6.1.1. Blackbox-Versuche zur Reflexion...............239 6.1.2. Blackbox-Versuche zur Brechung...............240 6.1.3. Blackbox-Versuche zum Durchgang des Lichtes durch Linsen . . . 240 6.1.4. Blackbox-Versuche mit teleskopischem Strahlengang ....... 241 6.1.5. Blackbox-Versuche mit Input-Output-Übereinstimmung.....242 6.1.6. Blackbox-Versuch zur Brechung und Totalreflexion des Lichtes am gleichseitigen Prisma...................245 Register..............................246 10 Einleitung 1. Das vorliegende Buch ist eine Neubearbeitung des bereits mehrfach aufgelegten 7. Teils der Physikalischen Schulversuche. Es enthält im ersten Kapitel Hinweise zu den Unterrichtsmitteln für die Durchführung von Versuchen zur geometrischen Optik, Empfehlungen zur Selbstanfertigung einfacher Zusatzteile für die Aufbaugeräte zur Optik und eine Zusammenstellung einiger für den Physikunterricht wichtigen optischen Abbildungsverfahren. Im zweiten Kapitel sind Versuche zur geradlinigen Ausbreitung, zur Reflexion und zur Brechung des Lichtes aufgeführt. Versuche zum Durchgang des Lichtes durch Linsen sowie zum Bau und zur Wirkungsweise optischer Geräte bringt das dritte Kapitel. Im vierten Kapitel sind Versuche zur spektralen Zerlegung des Lichtes und zur Farbmischung beschrieben. Im fünften Kapitel sind Versuche zur Fotometrie und im letzten Kapitel einige Blackbox-Versuche zusammengestellt. 2. Die methodischen Grundsätze, die für die anderen Teile des Werkes bestimmend waren, wurden beibehalten. Gegenüber früheren Ausgaben werden in diesem Buch den einzelnen Versuchen „Methodische Hinweise" vorangestellt. Wie die anderen Teile der Buchreihe will auch dieser Teil nicht als Lehrbuch verstanden sein. Er wendet sich nicht an Schüler, sondern an die Physiklehrer selbst und setzt die Kenntnis der physikalischen Fakten und Zusammenhänge voraus. Aufgabe des Buches soll es sein, den Physiklehrern eine Hilfe bei der Auswahl und Durchführung von Experimenten zu geben. Wer sich darüber hinaus über bestimmte physikalische Einzelheiten und Zusammenhänge genauer informieren will, muß zu den bekannten Lehrbüchern für die Physik greifen. Wurden einzelnen Versuchsbeschreibungen Herleitungen beigefügt, so geschah es, um dem Leser Hinweise über die methodische Behandlung zu geben. Auch die den einzelnen Versuchsbeschreibungen beigefügten Meßwerttabellen sollen lediglich zeigen, wie man den betreffenden funktionalen Zusammenhang aus den Versuchsergebnissen unter Anwendung der experimentellen Methode gewinnen kann und welche Genauigkeit mit den angegebenen Versuchsanordnungen erreichbar ist. Selbstverständlich müssen die im Unterricht gefundenen Meßwerte nicht mit den im Beispiel angeführten Werten übereinstimmen. Im übrigen stammen die im Buch angegebenen Werte sämtlich aus durchgeführten Versuchsreihen. 3. Auch in diesem Buch wird jedes Kapitel durch „Methodische Bemerkungen" eingeleitet. Dabei wird auf grundlegende allgemeinmethodische Fragen nicht eingegangen, weil das nicht der Aufgabenstellung dieses Buches entspricht. Die „Methodischen Bemerkungen" in diesem Buch beziehen sich vielmehr auf die in den betreffenden Kapiteln behandelten Versuche, sie geben Hin- 11 #_Einleitung weise allgemeiner Art, die für das Gelingen der Versuche zu beachten sind und die dem Lehrer bei der Auswahl und Durchführung der Experimente nützlich sein können. 4. Der sachliche Inhalt, auf den sich die Experimente beziehen, geht über die Anforderungen der zehnklassigen allgemeinbildenden polytechnischen Oberschule und teilweise auch der Abiturstufe hinaus. Dadurch kann das Buch auch von Arbeitsgemeinschaften, im fakultativen Unterricht der Erweiterten Oberschule, an Berufsschulen, Fachschulen und teilweise auch an Hochschulen und Universitäten, besonders in der Ausbildung von Fachlehrern für Physik, genutzt werden. Das Buch will den Benutzern keinesfalls einen ganz bestimmten methodischen Weg aufzwingen. Diesem Umstand wird dadurch Rechnung getragen, daß zu ein und demselben Sachverhalt meist mehrere Varianten angegeben werden und die Versuche nicht nach methodischen, sondern nach fachlichen Gesichtspunkten gegliedert sind, so daß sich die Reihenfolge der Darstellung der Experimente in diesem Buch keinesfalls mit der Reihenfolge der unterrichtlichen Behandlung deckt. Es bleibt weitgehend dem Physiklehrer überlassen, aus den zusammengestellten Experimenten entsprechend seiner fachlichen und erzieherischen Zielsetzungen eine zweckmäßige Folge von Lehrer- und Schülerexperimenten auszuwählen. Dabei sollte aber unbedingt beachtet werden, daß das Buch zwar alle in den Lehrplänen für die zehnklassige allgemeinbildende polytechnische Oberschule und die Abiturstufe als verbindlich aufgeführten Experimente zur geometrischen Optik berücksichtigt, darüber hinaus aber weit mehr Versuche zu jeder Unterrichtseinheit anbietet, als im Unterricht überhaupt demonstriert werden können. Dem Lehrer soll eine große Palette möglicher physikalischer Experimente vorgelegt werden, aus der er gemäß seinen Bildungs- und Erziehungsabsichten und unter Beachtung der Möglichkeiten der ihm zur Verfügung stehenden Unterrichtsmittel diejenigen Versuche auswählen kann, die sich am besten eignen und mit hoher Effektivität im Unterricht einzusetzen sind. Es wäre falsch, den Schülern etwa alle im vorliegenden Buch zu einem Stoffgebiet beschriebenen Versuche vorzuführen. Wenige, aber gut vorbereitete und durchgeführte und von den Schülern in allen Einzelheiten verstandene Versuche sind wirkungsvoller als eine Fülle mit unzureichenden Mitteln ausgeführter Versuche. 5. Bei der Auswahl und der Beschreibung der Versuche war der Verfasser bemüht, in erster Linie die Experimente darzustellen, die mit solchen Unterrichtsmitteln durchgeführt werden, wie sie im allgemeinen an den Schulen vorhanden sind. Dem Gedanken der Durchführung der Versuche unter Verwendung von Aufbauteilen wird schon von der Konstruktion der wichtigsten Unterrichtsmittel zur geometrischen Optik entsprochen, die vorwiegend als Aufbaugeräte vorliegen. Trotz der großem Leistungsfähigkeit der von der Lehrmittelindustrie der DDR entwickelten Lehrer- und Schülerexperimentiergeräte zur Optik, wird in einer Reihe von Versuchen auf selbstgefertigte Einzelteile zurückgegriffen. Das geschieht vorwiegend aus methodischen Gründen. Dabei werden zur Selbstanfertigung hauptsächlich sehr einfach herzustellende Ergänzungsteile zu den handelsüblichen Unterrichtsmitteln vorgeschlagen. Gleichzeitig sollen damit den Lesern Anregungen gegeben werden, die Einsatzmöglichkeiten der an den Schulen vorhandenen Unterrichtsmittel erheblich zu erweitern. 12 Einleitung 0 Auch auf ganz einfache Versuche und Ereihandversuche wird großer Wert gelegt, um Anregungen für effektive Schülerexperimente und besonders auch für Hausexperimente zu geben. 6. Damit den Lesern, die* nicht im Besitz der schon erschienenen Teile sind, die Benutzung des Buches erleichtert wird, sei auf folgende Einzelheiten hingewiesen: Jede Versuchsbeschreibung ist in sich abgeschlossen und mit einer laufenden Nummer versehen. Diese besteht aus drei durch Punkte getrennte Zahlen. Die erste Zahl gibt das Kapitel, die zweite den Abschnitt und die dritte den Versuch an. Das der Versuchsüberschrift oder bei mehreren Varianten der Geräteliste in eckigen Klammern beigefügte Zeichen [SE] bringt zum Ausdruck, daß der Versuch als Schülerexperiment geeignet ist. Selbstverständlich kann dieser Versuch auch als Lehrerexperiment ausgeführt werden. Durch ein der Überschrift beigefügtes Kennzeichen wird der Verdunklungsgrad angegeben, in dem sich der Exerimentierraum befinden muß, soll der Versuch gut beobachtbar sein. Es bedeuten: halbverdunkelter Raum, 0 vollständig verdunkelter Baum. Jede Versuchsbeschreibung beginnt mit der Aufzählung sämtlicher zum Versuch verwendeter Geräte und Unterrichtsmittel. Sie sind mit einer laufenden Nummer versehen, die — falls zur besseren Kennzeichnung erforderlich — auch in den Abbildungen wiederkehrt. Es wurde darauf verzichtet, die für den mechanischen Aufbau verwendeten Teile des Stativmaterials, die notwendigen Energiequellen und die Leiter zur Herstellung elektrischer Verbindungen einzeln in der Geräteliste aufzunehmen, weil es selbstverständlich erscheint, daß dieses Material an allen Schulen ausreichend vorhanden ist und vom Lehrer sachgemäß genutzt wird. Außerdem sind für den mechanischen Aufbau gleicher Versuchsanordnungen in den meisten Fällen verschiedene Varianten möglich. Die in der Geräteliste angegebenen Gerätedaten sind bis auf wenige Ausnahmen Richtwerte und nicht als verbindlich zu betrachten. Die Angaben dienen zur Orientierung. Die Geräte können durch andere gleichartige oder ähnliche ersetzt werden. Das hinter einem Gerät stehende Zeichen (f) bedeutet, daß dieses Gerät für die Selbstherstellung empfohlen wird. Die dahinter in Klammern stehende Nummer weist auf den Abschnitt des Buches hin, in dem die Selbstbauanleitung zu finden ist. Sämtliche Längen in den Gerätelisten und in den Abbildungen sind entweder in Metern oder in Millimetern angegeben. Die in die Versuchsbeschreibungen eingefügten „Methodischen Hinweise" beziehen sich auf die jeweiligen Versuche. Sie sollen die Auswahl der Experimente erleichtern, zu ihrer effektiven methodischen Gestaltung beitragen oder auf besondere erzieherische Potenzen der Experimente hinweisen. Zusätzliche Ausführungen, die über die Versuchsbeschreibung hinausgehen, erscheinen unter der Überschrift „Bemerkungen". Bei Hinweisen auf andere Versuche des Buches wird der Versuchsnummer das Zeichen V vorgesetzt, z.B. V 3.2.8. Bei Hinweisen auf „Methodische Bemerkungen" ist das Zeichen MB unter Hinzufügen der Nummer des Abschnitts, 13 O Einleitung z.B. MB 2.O.3., angegeben. Auf „Methodische Hinweise" verweisen die Zeichen MH, z.B. vergleiche MH Nr. 2 V 3.2.1.! Bei der Verwendung der Bezeichnungen für Größen aus der geometrischen Optik und der Bezeichnung von Punkten und Strecken in Skizzen zu Strahlenverläufen hält sich das Buch an die Empfehlungen der Normblätter. Abweichungen gibt es in den Bezeichnungen für den Einfallswinkel et, den Reflexionswinkel oc' und den Brechungswinkel ß sowie in der Kennzeichnung des Krümmungsmittelpunktes für den Hohlspiegel mit 2 F, eines Gegenstandspunktes mit G und eines Bildpunktes mit B. 14 1. Hilfsmittel für die Durchführung optischer Versuche — Optische Abbildungsverfahren 1.0. Allgemeine Vorbemerkungen 1.0.1. Will man in der Schule optische Versuche durchführen, so muß man vor allem über eine Lichtquelle von hinreichender Leuchtkraft verfügen. Zerstreutes Tageslicht reicht für die meisten Versuche nicht aus; es läßt meist nur subjektive Beobachtungen zu. Direktes Sonnenlicht ist nicht immer und nicht überall vorhanden; es erfordert außerdem die Verwendung eines Heliostaten, der aber den Versuchsauf bau unnötigerweise erschwert und die Schüler leicht ablenkt. Die Beschaffung einer leicht zu bedienenden lichtstarken Lichtquelle bildet heute kein Problem mehr, nachdem von der Glühlampenindustrie Glühpunkt- und Glüh' fadenlampen für Kleinspannungen von 6 V und 12 V bei einer Leistungsaufnahme von 5 W, 30 W, 50 W und 100 W geschaffen worden sind. Bei den Glühpunktlampen ist die Glühwendel so gewickelt, daß sie nur einen ganz kleinen Bereich ausfüllt und nahezu als eine punktförmige Lichtquelle gelten kann. Glühfadenlampen hingegen besitzen eine langgestreckte Wendel. Durch den Einbau dieser Lampen in ein lichtdichtes Gehäuse und durch das Ausstatten oder Kombinieren mit einem Kondensor entstehen Leuchten für divergentes, paralleles und konvergentes Licht von hinreichender Helligkeit. Sie sind in den meisten. Sammlungen vorhanden und werden in diesem Buch Optik- bzw. Experimentierleuchte genannt. Der große Vorzug dieser Lichtquellen ist darin zu sehen, daß sie ein geringes Gewicht haben, daß sie leicht und gefahrlos zu bedienen sind, daß sie schnell und sicher auf der optischen Bank montiert und mit Hilfe eines Stieles in jeder Lage an einem Stativ befestigt werden können. Infolgedessen sind sie zum Durchführen optischer Schulversuche ausgezeichnet geeignet. Dadurch soll aber keineswegs die Bedeutung einer guten Bogenlampe für den physikalischen Unterricht geschmälert werden. Man wird sie bei Versuchen bevorzugen, bei denen es auf eine besondere Helligkeit ankommt, so bei allen Versuchen zur Wellenoptik und bei den meisten Versuchen zur Earbenzerlegung. Die Kleinbogenlampen, die heute für Schulzwecke geliefert werden, sind hinsichtlich ihrer äußeren Abmessungen und ihres Gewichtes durchaus den besonderen Bedürfnissen der Schule angepaßt. Sie zünden bei einer Spannung von etwa 60 V, die rasch auf etwa 40 V absinkt; die Betriebsstromstärke beträgt nicht mehr als 5 A. Diese Kleinbogenlampen sind über einen passenden Widerstand oder einen Transformator bzw. eine Drossel unmittelbar an das Gleichspannungs- bzw. Wechselspannungsnetz anzuschließen und fast ebenso leicht zu handhaben wie die vorher erwähnten Optikleuchten. Es sei noch kurz auf die Forderung nach parallelem Licht eingegangen, die nur noch große Bedeutung bei der Verwendung der optischen Scheibe besitzt. Sie 15 • 1.0.1. ist strenggenommen nur zu erfüllen, wenn es sich um eine Lichtquelle von verschwindend kleiner Ausdehnung handelt und wenn die Lichtquelle im Brennpunkt einer von Linsenfehlern freien Linse steht. Die Lichtstrahlen, die die Linse verlassen, laufen dann nahezu parallel. Bei einer Lichtquelle von einer merklich wahrnehmbaren, wenn auch sehr geringen Ausdehung, zum Beispiel bei dem Krater einer Bogenlampe oder bei der Glühwendel einer Glühpunktlampe, liegen die Verhältnise anders. Die von den einzelnen Punkten der Lichtquelle herkommenden Lichtstrahlen sind zwar nach dem Durchlaufen der Linse* auch parallel. ■ Im ganzen betrachtet aber divergieren sie etwas; die Grenzfläche des aus der Linse austretenden Lichtbündels ist nicht zylindrisch, sondern kegelförmig. Auf die zylindrische Begrenzung des Lichtbündels, wenigstens innerhalb der Strecke der Versuchsanordnung, kommt es aber in der Regel mehr an als darauf, daß die einzelnen Lichtstrahlen zueinander parallel laufen. Dies kann man dadurch erreichen, daß man die Linse ein klein wenig von der Lichtquelle fortrückt. Man kann auf diese Weise in einer Entfernung von 1 m ... 1,5 m hinter der Linse einen Lichtfleck erzeugen, der denselben Durchmesser hat wie die Linse. Sämtliche Lichtstrahlen verlaufen dann zwischen der Linse und dem Bild der Lichtquelle innerhalb eines Zylinders, womit die Forderung nach parallelen Strahlen im übertragenen Sinne erfüllt ist (vgl, Abb. 1.4.2./1). 1.0.2. Für den Unterricht in der Optik ist die optische Bank ein oft benutztes Hilfsmittel. Eine optische Bank ist für solche Versuche erforderlich, bei denen sich die optische Achse der Versuchsanordnung trotz Verschiebens der zu ihr gehörenden Einzelteile nicht verändern darf. Dies ist nur zu erreichen, wenn alle Zubehörteile der optischen Bank aufs genaueste justiert sind. Erfüllt die optische Bank diese Forderung, so hat sie für ein gutes Gelingen sehr vieler Versuche eine hohe Bedeutung. Es ist nicht zu leugnen, daß in der grundsätzlichen und uneingeschränkten Verwendung der optischen Bank für optische Schulversuche gewisse Gefahren liegen. Die Schüler können leicht zu der Meinung veranlaßt werden, man könne optische Erscheinungen nur an der optischen Bank beobachten. Es könnte ihnen darüber der Sinn für das Beobachten optischer Erscheinungen in ihrer Umwelt und in der Natur verlorengehen. Man wird die optische Bank nur dort verwenden, wo sie methodisch günstig ist. Das ist z.B. der Fall bei Versuchen zur Demonstration der Bildentstehung an gewölbten Spiegeln und an Linsen, zum Bau und zur Funktion der optischen Geräte sowie zur spektralen Zerlegung des Lichtes. Hingewiesen sei noch darauf, daß ein Lehrer beim Verwenden einer optischen Bank gewissermaßen Auf bauphysik treibt, weil er immer wieder aus den gleichen zur optischen Bank gehörenden Aufbauteilen vor den Augen seiner Schüler die einzelnen Versuchsanordnungen entwickelt. Ganz besonders deutlich kommt der Gedanke an die Aufbauphysik in dem System der Schülerexperimentiergeräte (SEG Ebene geometrische Optik, Geometrische Optik und Wellenoptik) und in der neuen optischen Bank des VEB Polytechnik Karl-Marx-Stadt zum Ausdruck. Es sei ausdrücklich betont, daß in diesem Buche die Versuche auf die eben erwähnten optischen Bänke für Lehrer- und Schülerexperimente abgestimmt sind. Trotzdem können alle in diesem Buch beschriebenen Versuche auch mit anderen Typen von optischen Bänken durchgeführt werden. Neben der optischen Bank sind in den letzten Jahren Gerätesätze zur Darstellung von Strahlengängen in einer Ebene entwickelt worden, und zwar für Demonstra- 16 1.0.4. # tionsversuche zur Arbeit in der vertikalen Ebene einer Manipermhafttafel und für Schülerexperimente in der horizontalen Ebene eines auf dem Tisch liegenden Zeichenblattes. Diese Gerätesätze verdrängen auf Grund ihrer Vielseitigkeit und Leistungsfähigkeit Weitgehend die optischen Scheiben, besonders die Scheibe nach Hartl. Ihr methodischer Vorteil liert darin, daß man die zeichnerischen Darstellungen des Strahlenverlaufs unmittelbar aus dem Experiment auf die Zeichenebene bringen kann. Sie sind besonders geeignet zur Herleitung des Reflexions- und Brechungsgesetzes und der sich daraus ergebenden Gesetzmäßigkeiten der Bildentstehung und gestatten, die Strahlenverläufe in optischen Geräten überzeugend zu demonstrieren. Die entsprechenden Versuche in diesem Buch sind ebenfalls auf diese Demonstrationsgeräte abgestimmt. 1.0.3. Im Abschnitt 1.3. werden Hinweise und Anregungen zur Selbstanfertigung von Zusatz- und Ergänzungsteilen zu den optischen Gerätesätzen für die Lehrerund Schülerexperimente gegeben. Es handelt sich dabei um Teile, die die Einsatzmöglichkeiten der handelsüblichen Geräte oft erheblich erweitern und mit verhältnismäßig einfachen Mitteln bei einigem handwerklichen Geschick ohne zu großem Arbeits- und Zeitaufwand selbst anzufertigen sind, z.B. um einfache Blenden aus Pappe, um durchscheinende und durchsichtige Objekte, die meist als Dia zu rahmen sind, um Blendscheiben und Blendrahmen zur Aufnahme optischer Bauteile, die meist aus Pappe anzufertigen sind. Das akkommodations-fähige Augenmodell verlangt allerdings größere handwerkliche Fertigkeiten in der Herstellung und sollte von einem Fachmann hergestellt werden, ebenso der vorgeschlagenen Polystyrolkörper für die Haftoptik. Alle anderen Zusätzteile für die ebene geometrische Optik sind einfach zu fertigen. Die zunehmende Bedeutung des Tageslichtschreibprojektors als Experimentierprojektor macht die Selbstherstellung einfacher Zusatzteile wie Spalte, Masken und Halterungen, fast ausschließlich aus Pappe, erforderlich, aber die neuartigen mit dem Tageslichtschreibprojektor vorzuführenden Versuche zur Optik lohnen diese Mühe. Wir beziehen uns in unseren Angaben für den Selbstbau auf die optischen Bänke und die Geräte zur ebenen geometrischen Optik vom VEB Polytechnik Karl-Marx-Stadt. Durch Änderung der Abmessungen und der Form sind die Zusatzteile aber leicht an die Normen anderer Gerätesätze anzupassen. 1.0.4. Im Abschnitt 1.4. überschreitet das Buch bewußt den engen Rahmen des Unterrichts in der Optik. Die dargestellten Abbildungsverfahren sind vielmehr über die Belange der Optik hinaus für den gesamten Physikuntericht von Bedeutung. Da man vielfach noch falschen Ansichten und Unkenntnis über die zweckmäßige Wahl von Strahlen verlaufen begegnet, glaubte der Verfasser des Buches, einiges über optische Abbildungsverfahren in das Buch aufnehmen zu müssen. Es wird Grundlegendes über die Erzeugung von divergentem Licht und über den Schattenwurf gesagt, auch mit dem Ziel, einige Hinweise für die Schattenprojektion zu geben. Die Erzeugung von parallelem Licht hat durch die Einführung der neuen Geräte zur ebenen geometrischen Optik etwas an Bedeutung verloren, ist aber bei Anwendung von optischen Scheiben älterer Bauweise noch sehr wichtig, es wird deshalb kurz auf die Erzeugung parallelen Lichtes eingegangen. Hauptsächlich werden Verfahren zur reellen Abbildung flächenhafter selbstleuchtender und beleuchteter sowie durchleuchteter Objekte beschrieben, wobei auch Hinweise auf den Strahlengang für Lichtzeigerprojektion und auf die Fraun- 2 [022147] 17 • 1.0.4. hofersche Anordnung gegeben werden. Abschließend werden einige häufig im Unterricht angewendete Projektionsanordnungen zusammengestellt. 1.1. Lichtquellen Von den zahlreichen Lichtquellen für, technisch-wissenschaftliche Zwecke sind im folgenden nur diejenigen angegeben, die für den Unterricht im Stoffgebiet Optik Bedeutung haben. 1.1.1. Glühlampen Für Optik- und Experimentierleuchten sowie für Projektionseinrichtungen geringer Leistung sind Glühpunktlampen sehr geeignet. Sie besitzen eine Wendel, die auf sehr kleinem Raum zusammengedrängt ist und einen kleinen, nahezu quadratischen Leuchtfleck bildet {Abb. l.l.l./la). Optikleuchten werden heute auch mit den lichtstarken Halogendampflampen ausgerüstet, bei denen das Verdampfen des Glühfadenmetalls durch Halogendämpfe eingeschränkt wird. Zur Erzeugung schmaler Lichtbündel und Lichtspuren, wie es für die ebene geometrische Optik von Bedeutung ist, werden die Haft- oder Heftleuchten, aber auch die Optikleuchten mit Glühfadenlampen ausgerüstet. Sie besitzen eine langgestreckte, dünne Wendel (Abb. l.l.l./lb). Abb. l.l.l./l Glühwendel einer Glühpunkt- (a) und einer Glühfadenlampe (b) Projektoren größerer Leistung sind mit Projektionslampen bestückt, bei denen die Wendel mehrfach hin und her geführt ist und eine senkrechte Leuchtfläche bildet. Alle Glühlampen sind mit einem genormten Sockel ausgestattet, der entweder ein Schraubgewinde oder einen Steck- bzw. Bajonettverschluß trägt. Glühlampen für fotometrische Zwecke mit genau angegebenem Lichtstrom stehen im Handel nicht zur Verfügung. Für 220 V-Glühlampen kann man, vorausgesetzt, daß sie mit der vorgeschriebenen Spannung betrieben werden, den Lichtstrom etwa wie folgt angeben: Glühlampen von 15 W haben einen Lichtstrom von 135 Im ... 140 Im, von 40 W 475 Im ... 480 Im, von 60 W 840 Im ... 860 Im und von 100 W Leistung 14501m ... 1600 Im. Bei Nitraphotlampen, die mit Überspannung brennen und infolgedessen eine verkürzte Lebensdauer haben, ist der Lichtstrom oft auf dem Sockel angegeben. Alle Lampen können zum Zwecke der größeren Lichtausbeute auf Kosten der Lebensdauer mit höherer als der Nennspannung betrieben werden. b » 18 i.i.2. e 1.1.2. Kohlebogenlampen Die elektrische Bogenlampe (Abb. 1.1.2./1) wird wegen ihrer großen Helligkeit als Lichtquelle für optische Schulversuche, insbesondere für solche an der optischen Bank, allgemein bevorzugt. Beim Betrieb einer Bogenlampe mit Gleichstrom entsteht ein ruhiger und heller brennender Krater als beim Verwenden von Wechselstrom. Deshalb wird man den Gleichstrom dem Wechselstrom vorziehen. Dem Lichtbogen ist ein Widerstand vorzuschalten, der die Stromstärke begrenzt und zugleich den Bogen beruhigt. Der Betrag des Widerstandes richtet sich nach der gewünschten Helligkeit. Man arbeitet meist mit einer Stromstärke von 5 A. Der Vorwiderstand beträgt bei einer Wechselspannung von 220 V etwa 30 Q. bis 40 Cl, er soll bis etwa 1 kW belastbar sein. Am Lichtbogen liegen dann etwa 40 V ... 60 V. Abb. 1.1.2./1 Kohlebogenlampe Abb. 1.1.2./2 Anordnung der Kohlen mit Gehäuse in einer Wechselstrombogenlampe Die Leuchtdichte verändert sich mit der Stromstärke nur wenig und beträgt etwa 18000 cd • cm-2. Der Krater wird mit zunehmender Stromstärke größer. Bei einer Stromstärke von 5 A hat er einen Durchmesser von etwa 3 mm. Die zwei Kohlen werden bei Gleichstrombetrieb so angeordnet, daß die positive Kohle waagerecht liegt, während die negative Kohle lotrecht steht. An der positiven Kohle bildet sich ein leuchtender Krater aus, der die eigentliche Lichtquelle ist. Da die positive Kohle schneller abbrennt als die negative, machte man sie früher etwa l1/2mal so dick wie die negative. Heute wählt man die positive Kohle dünner, dafür aber wesentlich länger als die negative. Sie wird dementsprechend schneller nachgeführt. Dadurch erzielt man einen ruhigeren Abbrand und die Begrenzung des Kraters auf einen engen Raum. Speist man die Bogenlampe mit Wechselstrom, so bilden sich auf beiden Kohlen Krater. Verwendet man zwei gleich dicke Kohlen, deren Durchmesser etwa dem der Gleichstrompositivkohlen entspricht, so werden diese wie in Abbildung 1.1.2./2 angeordnet. Die Kohlen können aber auch so wie bei der Gleichstrombogenlampe angeordnet sein. Dann wird für die horizontale Kohle, deren Krater 1 $ 112 die Lichtquelle ist, zweckmäßigerweise eine dochtlose Kohle mit einem Durchmesser von 4 mm Verwendet. Als lotrechte Kohle muß man eine Effektkohle mit einem Durchmesser von etwa 5 mm benutzen. Wechselstrombogenlampen können auch über einen Transformator an das Wechselstromnetz angeschlossen werden. Die Sekundärspannung beträgt 40 V ... 60 V. 1.1.3. Spektral röhren Spektralröhren sind besonders geformte Geißler sehe Röhren. Die Leuchtkraft der Füllgase reicht im allgemeinen nicht zur Projektion der auftretenden Linien-und Bandenspektren aus. Man betrachtet deshalb diese Spektren im Spektroskop, wobei man meist Spektralröhren der üblichen langgestreckten Form verwendet (Abb. 1.1.3./1). Abb. 1.1.3./1 Langgestreckte Spektralröhre Die Köhren werden mit einer Spannung von etwa 3000 V betrieben. Als Spannungsquellen sind Funkeninduktoren, Hochspannungstransformatoren und bei kurzzeitigem Betrieb auch Teslatransformatoren geeignet. Beim Verwenden eines Hochspannungstransformators ist, entsprechend der Belastbarkeit der Röhre (10 mA), der Röhre ein Widerstand vorzuschalten. Die Lehrmittelindustrie liefert Röhren mit folgenden Füllungen: H2, C02, N2, Na, He, A, Hg, Kr, Xe. Die Röhren werden mit gummiüberzogenen Klemmen gehalten oder zwischen Holtzschen Klemmen eingespannt. 1.1.4. Spektrallampen Spektrallampen werden zur Projektion von Linienspektren verwendet. Ihre Leuchtwirkung wird durch Stromdurchgang in einem gasgefüllten Glaskolben hervorgerufen. Die Gasfüllungen und die Lichtstärken einiger Lampentypen sind aus der folgenden Tabelle zu ersehen. Betriebs- . Licht- Vorwider- Typ Füllung Stromstärke stärke stand • in A in cd in Q. NAE24 Natrium 1,3 16 160 HQE50 Quecksilber (UV) 1,15 100 160 KAE18 Kalium 2 0,1 110 NEE 40 Neon 1,5 2 140 Die Lampen werden über eine Drossel oder einen Vorwiderstand an eine Wechselspannung von 220 V gelegt. Man kann sich eine Drossel mit Hilfe eines U-Kerns, 20 i.2.i. m einer Spule von 1500 Wdg. und eines durch eine Spannvorrichtung befestigten Joches herstellen. Der Kino-Einsteck-Sockel, mit dem diese Lampen ausgestattet sind, paßt in die Fassungen der Kleinbildprojektoren. Die Lampen sind stets lotrecht stehend anzuordnen. Bei den mit UV gekennzeichneten Lampen müssen die Augen der Beobachter vor den Strahlen geschützt werden. 1.1.5. Ultraviolettlampen Ein einfach zu betreibender Ultraviolettstrahler, mit dem Fluoreszenz, Phosphoreszenz und typische Farbänderungen von Gegenständen bei UV-Beleuchtung nachgewiesen werden können, ist die Type HQV 300. Die Lampe hat den Sockel und das Aussehen einer gewöhnlichen Glühlampe. Der Kolben aus Spezialglas läßt die UV-Strahlung ungehindert hindurchtreten, das sichtbare Licht dagegen kaum. Die Lampe wird an eine Wechselspannung von 220 V über eine Drossel, z.B. Spule von 1500 Wdg. mit U-Kern und Joch, angeschlossen; diese ist so bemessen, daß durch sie ein Strom mit einer Stärke von 0.7 A fließen kann. Beim Verwenden von Gleichstrom muß man der Lampe einen Widerstand von etwa 150 Q, vorschalten. Die Lampe hat eine elektrische Leistung von 75 W. Ihre Lichtausbeute im UV-Bereich ist größer als die von Glühlampen und Bogenlampen. Die mittlere Lebensdauer beträgt 1000 Stunden. Die Brennlage ist beliebig. Die Lampe bringt man in einem selbstgefertigten Gehäuse unter. 1.2. Unterrichtsmittel für die Optik 1.2.1. Optische Bänke Eine optische Bank muß bestimmte technische und methodische Anforderungen erfüllen, wenn sie mit Erfolg im Unterricht eingesetzt werden soll. Die Führungsschiene muß stabil und verwindungsfrei sein, so daß sich die optische Achse ohne große Justierarbeiten einhalten läßt. Die Aufbauteile müssen sich leicht auswechseln lassen, dabei muß ein sicherer Sitz erreicht und eine leichte Verschiebbarkeit längs der optischen Achse gewährleistet sein. Die optische Bank muß bezüglich der Länge der Schiene an die experimentellen Erfordernisse anzupassen sein, sich durch einfaches Zusammensetzen verlängern lassen und durch Anbringen einer Gelenkverbindung um eine Drehachse schwenken lassen, wobei möglichst genau in dieser Achse ein optisches Bauelement fixiert werden kann. Eine optische Bank sollte mit einer Leuchte versehen sein, die möglichst gute Justierbarkeit und Auswechselbarkeit der Lichtquelle erlaubt und durch die Wahl der Helligkeit der Lichtquelle die Sichtbarkeit vieler optischer Versuche auch im schwach verdunkelten Raum ermöglicht. Durch zweckmäßige Konstruktion der Reiter muß eine raumsparende Anordnung der Linsen, Blenden, Filter usw. gewährleistet sein. Eine gute Sichtbarkeit der Demonstrationsversuche wird auch im nichtansteigenden Klassenraum durch eine hoch über der Tischfläche liegende optische Achse erreicht. Schließlich fordert man auch eine einfache, 21 • 1.2.1. Abb. 1.2.1./1 Oben rechts: Optische Bank (Grundausstattung) ohne Schirm und Meßleisten vom VEB Polytechnik Karl-Marx-Stadt Abb. 1.2.1./2 Versuchsaufbau mit der optischen Bank, (a) vertikale und (b) horizontale Anordnung aber exakte Meßbarkeit der Entfernungen der Aufbauteile, um eine Reihe von Versuchen auch quantitativ auswerten zu können. Diese Grundgedanken sind in einer vom VEB Polytechnik Karl-Marx-Stadt entwickelten optischen Bank (Abb. 1.2.1./1) in geradezu idealer Weise verwirklicht. Die Bank besteht aus einem verwindungsfreien Stahlrohr mit Sechskantprofil und wird in waagerechter Gebrauchslage von zwei Füßen getragen. Die Schiene kann unter Verwendung von 13 mm-Stativmaterial auch in lotrechter Stellung gebraucht werden (Abb. 1.2.1./2a). Eine Schwenkverbindung ermöglicht Strahlenverläufe mit abgewinkelter optischer Achse (Abb. 1.2.1./2b). Die magnetisch an den Reitern haftende Meßleiste ermöglicht durch ihre schwarz weiß abgestufte Teilung gute Sichtbarkeit und Ablesbarkeit. Hohe Klemmreiter dienen zur Befestigung der Aufbauteile an der Führungsschiene. Sie können mit einem Exzenterhebel schnell und sicher an der Sechskantschiene festgeklemmt werden. In zwei Schlitzen und einer 13 mm-Bohrung mit Einsatz lassen sich bis zu drei Einzelteile auf einem Reiter anordnen. Reiter mit Bauelementen sind längs der optischen Achse verschiebbar. Zur zusätzlichen Erhöhung der Stabilität können mehrere Reiter durch einen 13 mm dicken Stativstab fixiert werden, außerdem lassen sich dadurch auch weitere Aufbauteile mit Hilfe von Stativmaterial befestigen. Kleine Klemmreiter dienen zur Befestigung der Schwenk Verbindung, der Aufstellung des Bildschirms und unter Verwendung des Verlängerungsstücks eines Prismentischs und anderer Bauelemente. Das Grundgerät ist mit einer Optikleuchte mit Glühpunktlampe (12 V/50 W) ausgerüstet, für besonders lichtstarke 1.2.1.# Versuche kann bei guter Kühlung eine Glühpunktlampe (12 V/100 W) bzw. über ein Adapterstück eine Halogendampflampe (12 V/100 W) verwendet werden. Die Lampe läßt sich durch Rändelschrauben sehr einfach justieren. Zur Abschirmung des Nebenlichtes sind Linsen, Spiegel und Blenden in große runde Blendscheiben gefaßt. Sie werden durch Klemmfedern in den Schlitzen der großen Klemmreiter gehalten. Alle schnell auswechselbaren Teile wie Spalte, Lochblenden, Farbfilter und Objekte sind im Format 50.mm x 50 mm gehalten und können im Schiebe- oder Klemmschacht der Optikleuchte oder einer Blendscheibe untergebracht werden. Die optische Achse dieser optischen Bank liegt 280 mm über der Tischfläche und gewährleistet dadurch und durch die günstigen Abmessungen der Aufbauteile eine ausgezeichnete Sichtbarkeit. Noch vorhandene ältere Typen von optischen Bänken, wie in Abbildung 1.2.1./3 dargestellt, erfüllen hinsichtlich Justierbarkeit, Genauigkeit, Lichtstärke und gute Sichtbarkeit nicht mehr die Ansprüche der modernen Experimentiertechnik, jedoch lassen sich mit ihnen eine große Anzahl der beschriebenen Versuche noch zufriedenstellend ausführen. Eine optische Bank für Schülerexperimente enthält das SEG Optik mit dem Grundgerät Geometrische Optik (Abb. 1.2.1./4). Sie übertrifft in ihrer Präzision die in Abbildung 1.2.1./3 dargestellte optische Bank älteren Typs. Die optischen Elemente sind in rechteckige Blendrahmen gefaßt und können mit einem kurzen 10 mm-Zapfen in die T-Füße gesteckt werden (Abb. 1.2.1./5). Ein T-Fuß kann bis zu drei Bauelemente aufnehmen. Die T-Füße haben auf ihrer Unterseite Nuten und können damit auf einem auf dem Tisch liegenden Stativstab geführt werden. Das Gerät ist mit einer Experimentierleuchte ausgerüstet, die eine Glühfadenlampe (6 V/5 W) als Lichtquelle besitzt, eine einsetzbare Kondensorlinse aufnimmt und in die Führungsnut vor dem Kondensor Loch- und Spaltblenden einzuschieben gestattet. Alle schnell auswechselbaren Teile wie Blenden, Farbfilter, Objekte sind im Format 50 mm x 50 mm gehalten und können im Schiebebzw. Klemmschacht eines Blendrahmens untergebracht werden. Abb. 1.2.1./3 Versuchsauf bau mit einer optischen Bank älteren Typs 23 1.2.1. Abb. 1.2.1./4 Schülerexperimentiergerät Geometrische Optik (oben links) Abb. 1.2.1./5 Horizontaler Versuchsaufbau mit dem Schülerexperimentiergerät Geometrische Optik (unten linkB) Abb. 1.2.1./6 Vertikaler Versuchsaufbau mit dem Schülerexperimentiergerät Geometrische Optik (rechts) Sollen einzelne Bauelemente starr fixiert werden oder wird ein lotrechter Versuchsaufbau erforderlich, können die Lichtquelle und die Blendrahmen auch mit Kreuzklemmen an einem Stativstab befestigt werden (Abb. 1.2.1./6). Auch für Versuche zur» Strahlenoptik macht sich ab und zu die Verwendung eines zusätzlichen T-Fußes, des Handapparates, des feinen Spaltes sowie der Farbfilter aus dem Zusatzgerät Wellenoptik des SEG Optik erforderlich. 1.2.2. # 1.2.2. Geräte zur ebenen geometrischen Optik Zur Demonstration der Strahlengänge bei der geradlinigen Ausbreitung, der Schattenwürfe, der Reflexion und der Brechung, der Strahlenverläufe durch Platten, Prismen und Linsen sowie in optischen Geräten zur Nah- und .Fernbeobachtung und neuerdings auch zur Vorführung von Versuchen mit Blackbox-Charakter hat sich die Lichtspurdarstellung in einer Ebene bewährt. Die für diese Zwecke entwickelten älteren Geräte, wie die runde optische Scheibe nach Hartl oder die optischen Scheiben als Zusatzgeräte zu optischen Bänken (Abb. 1.2.2./1), werden immer mehr verdrängt durch die großzügigeren und leistungsfähigeren Geräte zur Haftoptik. Durch die Entwicklung von Heftleuchten wurde diese Experimentiertechnik auch für Schülerexperimente erschlossen. Das in den letzten Jahren vom VEB Polytechnik Karl-Marx-Stadt entwickelte Gerät zur Haftoptik ist ein modernes, leistungsfähiges Unterrichtsmittel (Abb. 1.2.2./2). Die einzelnen Teile wie Haftleuchten, Linsenkörper, Blenden, Spiegel usw. werden mit armierten Manipermkernen bzw. mit Manigumflächen an einer Hafttafel verschiebbar und drehbar befestigt. Die magnetisch haftenden Aufbauteile lassen sich rasch durch andere auswechseln. Die großen quaderförmigen Haftleuchten erzeugen mittels ihrer Glühfadenlampe, einer Kondensorlinse und einem Spalt bei guter Parallelstellung von Wendel und Spalt und richtiger Justierung eine saubere, in sich paralelle Lichtspur über die ganze Länge einer ebenen Hafttafel. Ein divergentes Lichtbündel läßt sich mit der kleinen Haftleuchte erzeugen, die keine Kondensorlinse enthält. Bedingung für gute Sichtbarkeit der Lichtspuren ist in erster Linie eine ausreichend ebene Tafelfläche der Hafttafel. Die Tafel sollte einen möglichst hellen (z.B. mattgrauen) Anstrich aufweisen, damit werden die Lichtspuren besser sichtbar als auf den dunkel- Abb. 1.2.2./1 Optische Scheibe nach Hartl Abb. 1.2.2./2 Gerätesatz zur Haftoptik 25 • 1.2.2. ■ Abb. 1.2.2./3 Versuchsaufbau mit dem Gerätesatz zur Haftoptik grünen Tafeln (Abb. 1.2.2./3). Man kann aber auch so arbeiten, daß man zum Hervorheben besonderer Stellen des Strahlenverlaufs auf der Hafttafel dünnen weißen Zeichenkarton mit Manipermsteinen anbringt. Der große Vorteil der Anwendung der Geräte zur Haftoptik besteht darin, daß die Lichtspuren an der Tafel sofort mit Kreide nachgezogen werden können. Werden noch die Umrisse der wirksamen optischen Bauteile skizziert, können unmittelbar aus dem Versuch Tafelzeichnungen gewonnen werden. Die Skizzen sind auch mit Hilfe von Lineal und Winkelmesser sofort quantitativ auswertbar. Damit übertrifft die Haftoptik die bisher verwendeten optischen Scheiben erheblich und schränkt deren Einsatz im Unterricht ein. Ebenfalls vom VEB Polytechnik Karl-Marx-Stadt hergestellt wird das Teilgerät Ebene geometrische Optik des SEG Optik (Abb. 1.2.2./4). Dieses Gerät entspricht in seiner Funktion und seinem Einsatz dem Gerätesatz zur Haftoptik, allerdings erfolgt die Anordnung auf einem auf der Tischfläche liegenden Blatt Zeichenkarton, direkt im Heft oder auf dem Arbeitsblatt des Schülers (Abb. 1.2.2./5). Die mit einer auswechselbaren Blende und einer einsetzbaren Kondensorlinse ausgerüstete Heftleuchte erzeugt mit der kleinen Glühfadenlampe je nach Lampenstellung parallele, divergente und konvergente Lichtspuren oder aber auch ein volles Lichtbündel. Abb. 1.2.2./4 Schülerexperimentiergerät Ebene geometrische Optik i.2.3. m Flachglaskörper, Spiegelkombination, Kreisscheibe mit Winkelteilung und Kü-vette ergänzen den Gerätesatz. Er bietet wie das Gerät zur Haftoptik die Möglichkeit des Nachzeichnens des Strahlenganges und der Gewinnung und Ausmessung von Skizzen direkt aus dem Experiment. Die Heftoptik hat wegen ihrer einfachen und überzeugenden Experimentierweise weitgehend die „Stecknadeloptik" verdrängt. Trotzdem werden in diesem Buch noch eine Reihe von Versuchen als Versuche zur „Stecknadeloptik" beschrieben, einmal weil damit gezeigt wird, auf welch einfache Art und Weise sogar quantitative Beziehungen mit relativ hoher Genauigkeit ermittelt werden können und zum anderen, um Anregungen für Hausexperimente zu geben (Abb. 1.2.2./6). 1.2.3. Einsatz optischer Geräte \ Neben der Verwendung von optischen Bänken und Aufbaugeräten zur ebenen geometrischen Optik sollten auch handelsübliche optische Geräte im Unterricht zum Einsatz gelangen, einmal um mit ihrer Hilfe physikalische Erkenntnisse zu gewinnen, zum anderen, um neben der Demonstration der Wirkungsweise und des Aufbaus eines optischen Gerätes auch das fertige Gerät vorzuführen 27 1.2.3. und schließlich, um die vorzügliche optische Güte einiger Geräte für den Unterricht nutzbar zu machen und durch den fertigen Aufbau die Vorbereitungsarbeiten für den Lehrer rationeller zu gestalten. ' Obwohl, wie in V 3.4.20. dargestellt, mit den Mitteln der Aufbauphysik aus einer optischen Bank sowohl für Lehrer- als auch für Schülerexperimente ein gebrauchsfähiger Spektralapparat zusammenzusetzen ist, ersetzt er hinsichtlich der Präzision und der Leistungsfähigkeit natürlich keinen handelsüblichen Spektralapparat, nicht einmal das einfache Schulspektroskop. Es ist also empfehlenswert, für Versuche zur Spektraluntersuchung einen Spektralapparat zu benutzen {Abb. 1.2.3./la). Viele Versuche zur spektralen Zerlegung des Lichtes lassen sich sehr einfach mit einem Handspektroskop ausführen {Abb. 1.2.3./lb). Abb. 1.2.3./1 Schulspektralapparat (a) und Handspektroskop (b) Wegen der großen Lichtstärke und der Möglichkeit, eine Reihe von Versuchen schnell und einfach aufbauen zu können, verwenden erfahrene Physiklehrer häufig dann, wenn es um einen Strahlengang zur reellen, vergrößerten Abbildung eines Objektes geht, fertige Projektionsgeräte, wie z.B. den Kleinbildprojektor und neuerdings den Tageslichtschreibprojektor. Natürlich sind die damit zu verwirklichenden Strahlengänge auch mit Hilfe einer optischen Bank realisierbar, die Verwendung des fertigen Gerätes bringt aber neben der meist besseren Lichtausbeute und Sichtbarkeit den Vorteil einer rationelleren experimentellen Vorbereitung. Die in diesem Buch an vielen Stellen aufgenommenen Versuchsanordnungen unter Verwendung des Tageslichtschreibprojektors und des Kleinbildprojektors sollen deren Einsatzmöglichkeiten auch bei Versuchen, wo deren Verwendung nicht so klar auf der Hand liegt, zeigen und den Lehrer zum vielseitigen Einsatz dieser Geräte anregen. 28 1.3.1. # 1.3. Selbstanfertigung von optischen Aufbauteilen und Geräten / f 1.3.1. Selbstanfertigung von Zusatzteilen zur optischen Bank Lichtquellen. Für eine Reihe von Versuchen ist die Optikleuchte ungeeignet, es empfiehlt sich deshalb, für bestimmte Zwecke auch andere Lichtquellen zu benutzen. Zur Demonstration von Bau und Wirkungsweise eines Projektors (V 3.3.1.) ist eine Glühpunktlampe (30 V/5 A) auf einem 13 mm Stativstab geeignet. Man klebt an die Lampenfassung mit Zweikomponentenkleber eine M 8-Mutter und kann dann leicht den Stativstab einschrauben (Abb. 1.3.1./la). Zur Messung der Lichtstromverteilung einer Glühlampe (V 5.1.4.) wird eine Glühpunkt- oder Glühfadenlampe einfach mit zwei starren angelöteten Drähten versehen, wie die Abbildung 1.3.1./lb zeigt. Die Befestigung erfolgt dann mit Hilfe von Stativmaterial. Eine Blendscheibe mit einer Lampenfassung oder mit einem bzw. neun befestigten Glühlämpchen wird beispielsweise für die Versuche 2.1.8. und 5.1.3. benötigt. Die Scheibe wird aus 1 mm dickem Kunststoff angefertigt, und ein kurzer 13 mm Rundstab aus Metall oder Holz wird angenietet oder angeleimt. Es genügt aber auch, die Scheibe straff in den Schlitz des 13 mm-Einsatzes der Klemmreiter zu schieben (Abb. 1.3.1./2a, b und c). Eine halbe Blendscheibe mit drei Glühlämpchen nach Abbildung 1.3.1./2d eignet sich gut als selbstleuchtendes Objekt zur Erzeugung von Hohlspiegelbildern (V 2.3.4.). Abb. 1.3.1./1 Selbstgefertigte Halterungen für Glühpunkt-bzw. Glühfadenlampen zum Einschrauben eines kurzen Stativstabes (a) und mit angelöteten Zuleitungsdrähten (b) Abb. 1.3.1./2 Selbstgefertigte Blendscheiben mit Lampenfassungen E 27 (a), E 10 (b,c) und halbe Blendscheibe (d) 29 # 1.3.1. Abb. 1.3.1./3 Selbstgefertigte Blenden zum Einschieben in den Schiebeschacht (a, b und c) und Blendscheiben mit ringförmigen (d, e) und kreisförmigen (f) Öffnungen Blenden und Blendensehutz. Lochblenden, wie sie z.B. für die V 2 1.8., 2,1.9. und 3.2.9. benötigt werden, stellt man aus dünnem, schwarzem Fotopapier oder geschwärztem Film her. Man sticht in das Material mit einer glühenden Nadel ein feines Loch ein und rahmt es dann als Dia (Abb. 1.3.1./3a). Größere Löcher schlägt man mit einem Locheisen in kräftige Pappe ein oder bohrt man in Kunststoffscheiben (Abb. 1.3.1./3b), die entweder im Format 50 mm X 50 mm oder bei einem Lochblendstreifen 50 mmx 100 mm (Abb. 1.3.1./3 c) zum Einschieben in den Schiebeschacht eines Blendrahmens gefertigt werden. Sie können auch als Blendscheiben mit einem Durchmesser von 135 mm bzw. als Blendrahmen (90 mm x 105 mm) für das Schülerexperimentiergerät hergestellt werden. Ringblenden, wie sie für Versuche zum Nachweis von Linsenfehlern benötigt werden (V 3.2.2., 3.2,5, und 3.2.9.), stellt man in der gleichen Weise wie Lochblenden her, hinterklebt das Loch mit einer durchsichtigen Folie und klebt in die Mitte den Kern wieder ein. Ein Satz Ringblenden, die drei flächengleiche Zonen ausblenden, hat für gefaßte Linsen von etwa 70 mm Durchmesser die Durchmesser d1 = 65 mm, d2 == 53 mm und d3 = 38 mm, für die Linsen des Schülerexperimentiergerätes die Durchmesser 36 mm, 29 mm und 21 mm (Abb. 1.3.1./3d bis f). Spaltblenden gewinnt man, wenn man in eine Papp- oder Kunststoffscheibe von 50 mm x 50 mm einen groben Spalt einschneidet oder einsägt und ihn dann mit zwei halben Rasierklingen überdeckt (Abb. 1.3.1./4a). Solche Spalte benötigt man beispielsweise für die Versuche V 3.4.20., 4.1.1., 4.1.5., 4.1,6., 4.2.1. Kreuzblenden für Versuche zum Astigmatismus schiefer Bündel (V 3.2.7.) stellt man sich aus Pappe im Format 50 mm x 50 mm oder als Blendscheibe bzw. Blendrahmen her (Abb. 1.3.1./4b und d). Abb. 1.3.1./4 Selbstgefertigte Blenden zum Einbringen in den Schiebeschacht (a, b, c), Blendscheiben als Kreuzblende (d) und mit konzentrischen Lochreinen (e) sowie selbststehende Pappblende (f) und Pappblende für ein Prisma (g) 30 1.3.1. $ Abb. 1.3.1./5 Selbstgefertigte Abblendrohre (a, b) oder Deckblenden (c, d) aus Pappe zum Fernhalten des Seitenlichtes bei Versuchsanordnungen auf der optischen Bank Blenden zum Nachweis der Summe der Linsenfehler (V 3.2.1.) stellt man, dem Durchmesser der Linse angepaßt, aus Pappe her, in die man auf konzentrischen Kreisen eine Reihe von Löchern stanzt und dann mit Klebestreifen an der Linse befestigt (Abb. 1.3.1./4e). Blenden besonderer Art für V 4.1.1., 4.1.3. u. a. stellt man nach Abbildung 1.3.1./4c, f und g aus Pappe her. Lichtsckutz hindert störendes Seitenlicht. Dazu empfiehlt es sich bei einer Reihe von Versuchen, den Strahlengang durch ein straff in der kreisförmigen Sicke der Linsenfassung sitzendes Papprohr zu schützen. Für die große optische Bank benötigt man dazu ein Papprohr mit einem Innendurchmesser von 62 mm, für das Schülerexperimentiergerät ein solches mit einem Durchmesser von 42 mm (Abb. 1.3.1./5a und b). Mit geformten oder gebogenen Pappen, die man über die Blendscheiben bzw. Blendrahmen stülpt (Abb. 1.3,l,/5cundd), kann man ebenfalls störendes Seitenlicht fernhalten. Die beiden Hälften des Papierfotometers nach Bouguer-Weber (Abb. 5.1.1./lb) müssen durch eine lange Trennpappe lichtdicht gegeneinander abgeschirmt werden. Durchsichtige, durchscheinende und undurchsichtige Objekte. Man stellt die undurchsichtigen Objekte am besten aus weißem steifem Karton in den erforderlichen Abmessungen her und versieht sie gegebenenfalls mit einer Teilung (Abb. 1.3.1./6a). Das undurchsichtige Objekt für die Epiprojektion (V 3.3.4.) ist am besten ein auf ein Pappstück von'50 mmxSO mm geklebtes farbiges Bild (große Briefmarke) (Abb. 1.3,L/6b). Durchscheinende, transparente Objekte stellt man aus gerahmtem Transparentpapier mit und ohne Strich- oder Rasterzeichnung als Dias her, eventuell rahmt man transparentes Millimeterpapier (Abb. 1.3.1./6c und d). Solche Objekte werden zum Beispiel für V 3.1.7., 3.1.8. und 3.2.8. benötigt, während man für V 3.1.11. 31 1.3.1. a A S e Abb. 1.3.1./6 Selbstangefertigte Markierungsrahmen (a) und undurchsichtige bzw. transparente und durchsichtige (b bis e) Objekte mit Strichzeichnungen oder Markierungen ein Transparentobjekt 50 mm x 50 mm braucht, das nur die Hälfte der freien Öffnung des Blendrahmens mit Schiebeschacht einnimmt. Die andere Hälfte dient als undurchsichtiger Schirm, weshalb man das Objekt am besten aus kräftiger weißer Pappe herstellt (Abb. 1.3.1./6e). Benötigt man größere Transparentobjekte (V 3.2.11.), so hinterklebt man eine mit einer großen kreisförmigen Öffnung versehene Blendscheibe oder einen Blendrahmen mit Transparentpapier, auf das man mit Tusche die Radien und Kreise zeichnet (Abb. 1.3.1./7a und b). jfj Abb. 1.3.1./7 Selbstgefertigte größere Transparantobjekte Sehr häufig und für vielerlei Zwecke benötigt man\aueh durchsichtige Objekte als Dia gerahmt, zum Beispiel für V 3.2.12., 3.3.1., 3.3.2. und 3.4.17. Farbdias, Negative oder zwischen Folien eingebrachte mikroskopische Präparate. Für V 3.1.10., 3.2.8. und 3.4.7. verwendet man gerahmte durchsichtige Folie, auf die man mit Tusche oder Faserstift Marken, Fadenkreuze,, mm-Teilungen, Kreuzgitter oder einfach einen undurchsichtigen Punkt zeichnet (Abb. 1.3.1./8a bis e). Für subtraktive Farbmischung (V 4.2.5.) können einander teilweise überdeckende Farbfolien gerahmt werden (Abb. 1.3.1./8f). Durchsichtige Farbfolien kann man auch gleich so zuschneiden, daß sie in den Schacht der Experimentierleuchte des Schülerexperimentiergerätes passen. Für den Versuch zur Ermittlung der Abhängigkeit des Sehwinkels von der Entfernung (V 3.3.13.) wird eine größere cm- bzw. mm-Teilung hinter eine Blendscheibe oder einen Blendrahmen mit entsprechendem Ausschnitt geklebt (Abb. 1.3.1./9a und b). A A Abb. 1.3.1./8 Ate Dia gerahmte durchsichtige Objekte 32 1.3.1. # Abb. 1.3.1./9 Blendscheibe und Blendrahmen mit Teilung Blendscheiben, Blendrahmen und Halterungen. Blendscheiben mit einem Durchmesser von 135 mm für die große optische Bank und Blendrahmen mit den Abmessungen 90 mm x 105 mm zur Aufnahme unterschiedlicher Bauteile stellt man aus dicker Pappe, Kunststoff oder Metall von etwa 1 mm Dicke her. Zur Befestigung können die Scheiben und Rahmen mit einem kurzen 13 mm- bzw. 10 mm-Stativstab aus Metall oder Hartholz versehen werden {Abb. 1.3.1./10a und d). Auf die Blendscheiben kann man auch eine Lasche aufkleben oder aufnieten, um sie in die Führungsschlitze der Klemmreiter einstecken zu können (Abb. 1.3.1./10b). Es genügt aber auch, die bloßen Scheiben entweder straff in den geschlitzten Einsatz des Klemmreiters zu pressen oder die Rahmen in die Längsnut des T-Fußes zu klemmen (Abb. 1.3.1./10c und e). Um Linsen, Halblinsen, Hohllinsen, Hohlspiegel und Brillengläser wie zu den Versuchen V 3.1.7., 3.1.10. und 3.3.11. zu befestigen, schneidet man eine Öffnung in den Blendrahmen, die ein wenig kleiner ist als das zu haltende Bauelement, und klebt mit Zweikomponentenkleber oder einem nicht vollständig aushärtenden Kitt die zu verbindenden Teile zusammen (Abb. 1.3.1./IIa und e). Ähnlich kann man große ebene Spiegel auf Blendscheiben befestigen (Abb. 1.3.1./IIb und c). Ein einfaches Fotometer nach Bunsen oder Töpler zu Versuch 5.1.1., Variante a, fertigt man aus einer Blendscheibe mit großer zentraler Öffnung an, über die man Transparentpapier gespannt hat. Das Transparentpapier wird in der Mitte mit einem Tropfen Wachs beträufelt, der nach Erhärten wieder zu entfernen ist (Abb. 1.3.1./lld). An- Abb. 1.3.1./10 Möglichkeiten der Befestigung von Blendecheiben und Blendrahmen mit kurzem Stativstab 13 mm bzw. 10 mm mit Klemmfeder oder direkt zur Aufnahme in den Einsatz des Klemmreiters oder des T-Fußes 3 [022147] 33 • 1.3.1. Abb. 1.3.1./12 Selbstgefertigte Blendscheiben mit Fotoelement (a) bzw. Thermoelement (b) stelle des Fettfleckfotometers eignet sich auch eine dreilagige Schicht Transparentpapier, deren mittlere zentral ein Loch ausgestanzt enthält. Für die Versuche V 5.1.2., 5.1.3. u.a. befestigt man ein großes Selenfotoelement oder ein Thermoelement an der Blendscheibe, die man aus einem isolierenden Plast anfertigt, um die Geräteklemmen gleich an der Blendscheibe anbringen zu können (Abb. 1.3.1./12a und b). Ein großes Papierfotometer (V 5.1.1., Variante b, und 5.1.3.) mit den Abmessungen von 150 mm x 300 mm besteht aus einem stabilen Holz- oder Plastrahmen, der mit Transparentpapier bespannt ist. Auf das Transparentpapier wird vorher mit der Schreibmaschine ein Text geschrieben (Abb. 1.3.1./13a). Zur Halterung eines Geradsichtprismas schneidet man in dicke Pappe von 50 mm mal 100 mm die Diagonalen des Querschnitts des Geradsichtprismas aus und ritzt die Quadratseiten an. Schiebt man den Pappstreifen in einen Schiebeschacht, kann man das Geradsichtprisma lichtdicht haltern (Abb. 1.3.1./13b). Spiegel und Glasplatten. Für viele Versuche, wie z.B. 2.2.7., 3.1.11., 3.1.12., 3.3.2. und 3.4.15., benötigt man zurUmlenkung des Strahlenganges Spiegel. Man schneidet sie aus dünnem verspiegeltem Glas mit einem Glasschneider in den notwendigen Abmessungen von 50 mm X 50 mm, 50 mm x 100 mm, 25 mmx 50 mm zum Einschieben in den Schiebe- oder Klemmschacht der Blendscheibe oder des Blendrahmens oder in größeren Abmessungen zum Auf kitten auf Blendscheiben bzw. Blendrahmen. Für V 4.2.3. ist eine Klarglasscheibe sehr nützlich, die man sich aus gutem Fensterglas, besser aber aus Spiegelglas, zuschneidet oder zuschneiden läßt und in der Mitte mit einem schmalen Hindernis versieht (aufgeklebter Zeichenkarton oder befestigte Aluminiumfolie). 34 1.3.1. m Fertigung von Zusatzteilen zur optischen Bank. Für V 3.1.4. und 3.3.10. wird eine akkommodationsf ähige Linse benötigt. Man läßt sie sich am besten anfertigen. Sie besteht aus einem etwa 20 mm dicken Metall- oder Plastring von 135 mm Außen- und 60 mm bis mm Innendurchmesser. Beide Seiten werden mit durchsichtiger Folie (Folie für den Tageslichtschreibprojektor) bespannt und mit zwei Ringscheiben von gleichen Abmessungen wie der Hohlkörper entweder durch Schraubverbindung oder durch Klebeverbindung gehalten. Zum Aufstellen auf den Klemmreiter erhält der Hohlkörper ein M 8-Sacklochgewinde, oben zusätzlich eine Bohrung zur Aufnahme einer metallischen Schlaucholive. Unter Wasser gebracht, wirkt die Luftlinse mit Überdruck wie eine Zerstreuungslinse, mit Unterdruck wie eine Sammellinse. Mit Wasser gefüllt, kann ebenfalls durch zusätzliche Unter- oder Überdruckerzeugung eine Linse veränderlicher Brennweite simuliert werden (Abb. 1.3.1./14a). Um ein der Wirklichkeit nahekommendes Augenmodell aufbauen zu können (V 3.3.8., 3.3.11., 3.4.2. und 3.4.11.), benötigt man einen kurzhalsigen Rundkolben von 130 mm Durchmesser. Der Rundkolben wird seitlich durch Aufrauhen eines Teils der Kugeloberfläche (etwa 100 cm2) mit grobem und feinem Sandpapier mattiert. Diese Fläche dient als Schirm zum Auffangen des ,,Netzhaut"bildes. Der Kolben wird mit abgekochtem oder destilliertem Wasser spuntvoll gefüllt, mit einem passenden durchbohrten Stopfen verschlossen und mit einem in die Bohrung eingebrachten Stück Stativstab auf dem kleinen Reiter zur optischen Bank befestigt (Abb. 1.3.1./14b). Zur Demonstration von Versuchen zur Faseroptik (V 2.4.5.) benötigt man einen Lichtleiter. Man verwendet entweder einen käuflich erworbenen (Modellbahnbedarf!) oder setzt sich aus 30 bis 50 Fasern einer glasklaren dickeren Angelschnur von 250 mm—500 mm Länge selbst einen Lichtleiter zusammen. An den Enden werden die dichtliegenden Fasern mit dünnem Bindfaden zusammengebunden und danach mit einem scharfen Messer oder einer Rasierklinge sauber und gleichmäßig beschnitten. Zur Halterung auf der optischen Bank werden die Enden mit durchbohrtem und geschlitztem Gummistopfen in entsprechende zentrale Bohrungen der Blendscheiben befestigt (Abb. 1.3.1./15). Um die Wirkungsweise eines Prismenfernrohres vorführen zu können (V 3.4.10.), müssen zwei rechtwinklig gleichschenklige Prismen mit der Hypotenusenlänge l [l = 50 ... 60 mm) an einer Blendscheibe befestigt werden. Das geschieht nach a $3D Abb. 1.3.1./14 Selbstgefertigte akkommodationsfähige Linse (a in Explosivdarstellung) und Glaskörper zum runden optischen Augenmodell (b) 3* 35 1.3.1. ^§0^500 Abb, 1.3.1./15 Zur Selbstherstellung eines Lichtleiters Abb. 1.3.1./16 Blendscheibe mit Halterung für zwei rechtwinklig, gleichschenklige Prismen zur Bildumkehrung im Prismenfernrohr Abb. 1.3.1./17 Zerlegter» Autoseheinwerf er mit angebrachtem Kunststoffstreifen zur Halterung mit Stativmaterial Abbildung 1.3.1./16 mittels je zweier aufgenieteter Führungsstreifen aus einem thermoplastischen Werkstoff, So werden die Prismen nicht beschädigt. Die Blendscheibe versieht man entsprechend der Abbildung 1.3.1./16 mit drei Bohrungen, deren Durchmesser ein wenig kleiner ist als die halbe Hypotenusenlänge und deren Abstand voneinander genau — entspricht. Zur Demonstration von Bau und Wirkungsweise eines Autoscheinwerfers, V 2.3.7., präpariert man einen handelsüblichen Autoscheinwerfer nach Abb. 1.3.1./17. Dazu löst man das meist eingekittete Scheinwerferglas vorsichtig vom < Reflektor ab. An den abnehmbaren Teil der Lampenfassung nietet oder schraubt man einen Kunststoffstreifen, um den wieder zusammengesetzten Autoscheinwerfer in eine Drehklemme des Stativmaterials einspannen zu können. Das Scheinwerferglas wird mit Paketgummis befestigt. Für viele Versuche nützlich ist eine einfache Gelenkverbindung für das Schülerexperimentiergerät, Durch seine Verwendung wird ein exaktes Abwinkein bei allen Strahlengängen zur Beobachtung eines Spektrums erreicht (V 4.1.1. und 4.2.1.). Mit der aus Kunststoff und zwei eingepreßten 10 mm Rundstiften nach Abbildung 1.3.1./I8 hergestellten Verbindung ist das erreicht. Für eine Reihe von Versuchen, die nicht sehr lichtstarke Bilder liefern, leistet ein undurchsichtiger Schirm, der, mit Mikroluxfolie bezogen ist, ausgezeichnete Dienste. Man paßt die Abmessungen dem Schirm der optischen Bank an. 36 1.3.2. # Abb. 1.3.1./18 Abb. 1.3.1./19 Zur Selbstherstellung einer Schwenkverbindung Selbstgefertigte Farbkreisel für die optische Bank für Schülerexperimente ' mit durchsichtigen Farbsegmenten (a) und Segmenten aus Körperfarbe (b) Für V 4.2.2. werden Farbkreisel benötigt, die man sich zum Beispiel aus einer durchsichtigen farblosen Zelluloidscheibe von 200 mm bis 250 mm Durchmesser herstellt und mit sechs oder vier Farbfolien beklebt (Abb. 1.3.1./19a). Die Bohrung dient zum Befestigen der Scheibe am Experimentiermotor. Einen kleinen Farbkreisel stellt man aus einer etwa 60 mm bis 80 mm großen Kreisscheibe aus festem weißem Zeichenkarton her, der mit vier bis sechs Sektoren mit Pigmentfarbe eingefärbt ist. Als Achse dient ein Streicholz (Abb. 1.3.1./19b). 1.3.2. Selbstanfertigung von Zusatzteilen für die Geräte zur ebenen geometrischen Optik Glaskörper, wie man sie zu V 3.1.1. und 4.1.4. benötigt, stellt man sich aus 15 mm dickem Polystyrol oder Piacryl her (Abb. 1.3.2./la und b). Man schneidet mit einer Laubsäge die gewünschte Form aus, bearbeitet die Schnittflächen mit Feile, Sand- und Schmirgelpapier bis zu den feinsten Körnungen und erzielt eine Feinpolitur mit Hilfe von Polierrot. Der kreisförmige Körper kann auch gedreht werden. Zur Haftung benutzt man die im Gerät zur Haftoptik vorhandenen Abb. 1.3.2./1 Selbstgefertigte Einzelteile zum Gerätesatz Haftoptik: Polystyroloder Piacrylkörper (a und b), Holzkörper mit spiegelnden und matten Flächen (c bis e) sowie Spiegelstreifen und Eisenblech mit Manipermkernen (f und g) 37 • 1.3.2. 150 750 ZW 125 m WO 7 b normalsichtiges- Augenquerschnittsmodell übersichtiges— alterssichtiges— C kurzsich tiges--— Augenquerschnittsmodell Abb. 1.3.2./2 Selbstgefertigtes Querschnittmodell aus Zeichenkarton zur fotografischen Kamera (a), für das normalsichtige und das fehlsichtige Auge (b, c) armierten Magnete, die man in entsprechende Bohrungen eindrückt. Holzleisten von 15 mm x 20 mm versieht man mit Bohrungen zum Einstecken der armierten Haftmagnete und beklebt die Seitenflächen mit Glas-, Mattglas- oder Milchglas-, Metall- und Kartonstreifen (Abb. 1.3.2./lc), um die reguläre und diffuse Reflexion vorzuführen. Ganz ähnlich ist ein kleiner schräg zur Tafelfläche stehender, mit Zeichenpapier bespannter Schirm gebaut (Abb. 1.3.2./le), der für V 4.1.2. und 4.1.4. benötigt wird. Ein konkav ausgearbeitetes Holzstück mit kleinen quadratischen Spiegelstücken von 15 mm x 20 mm ergibt einen zusammengesetzten Hohlspiegel (Abb. 1.3.2./ld) für V 2.3.1. Zum Ausblenden von Farbanteilen aus dem Spektrum für V 4.2.3. und 4.3.4. empfiehlt sich die Herstellung schmaler 4 mm bis 5 mm breiter und 30 mm bis 50 mm hoher Spiegelstreifen, die an ihrer Stirnseite auf kleinen Manipermmagneten festgekittet sind (Abb. 1.3.2./H). Eine kleine Blende aus Eisenblech mit einem Manipermkern für V 4.2.3. stellt man sich leicht nach Abbildung 1.3.2./lg her. Für V 2.2.3., 2.4.2. und die Blackbox-Versuche V 6.1.1. bis V 6.1.6. sind Haft- bzw. Abdeckbleche erforderlich. Sie werden aus etwa 1 mm dickem Eisenblech in den erforderlichen Abmessungen zurechtgeschnitten und als Haftbleche mattweiß und als Abdeckbleche für die Blackbox-Versuche in der Wandtafelfarbe getrichen. Zur Demonstration des Strahlenverlaufes in der fotografischen Kamera und dem menschlichen Auge (V 3.3.6., 3.3.9. und 3.3.12.) empfiehlt es sich, aus Zeichenkarton Abb. 1.3.2./3 Selbstgefertigte Blenden für die Heftleuchte 38 1.3.3. $ Querschnitte nach den Abbildungen 1.3.2./2 a bis c herzustellen, die mit Maniperm-kernen an der Hafttafel befestigt werden. Um die volle Breite der Öffnung der Heftleuchte für Schülerexperimente ausnutzen zu können (z.B. für V 2.3.1., 3.1.1. und 3.2.10.), ist eine Vier- bzw. Fünfspaltblende geeigneter als eine Dreispaltblende, für manche Versuche hingegen ist eine Zweispalt blende oder eine breite Einspaltblende günstiger. Aus dünnem Plast oder Blech fertigt man 26 mm breite und etwa 50 mm lange Streifen an, in die man mit einer feinen Säge 10 mm bis 15 mm lange Schnitte anbringt (Abb. 1.3.2./3). 1.3.3. Selbstanfertigung von Zusatzteilen zur Verwendung in Verbindung mit dem Tageslichtschreibprojektor Die große Lichtstärke des Tageslichtschreibprojektors kann für viele Versuche zur Optik (V 2.5.2., 2.5.4., 3.1.9., 3.4.5., 4.1.1., 4.1.3., 4.2.1., und 4.2.5.) genutzt werden, wenn man einige Zusatzteile, hauptsächlich Masken für die Projektionsfläche, anfertigt. Aus dicker Pappe stellt man sich beispielsweise einen schmalen, etwa 1 mm breiten Spalt her, dessen scharfes Bild wegen der Lage der langgestreckten Glühwendel der Halogendampflampe waagerecht projiziert werden muß. Der Spalt kann auch breiter gemacht werden und wird lediglich durch Auflegen eines steifen Pappstreifens auf die gewünschte Breite eingestellt. In ähnlicher Weise stellt man sich eine Maske mit 5 parallelen Spalten oder mit zwei kreisförmigen Öffnungen her (Abb. 1.3.3./la bis c). Für die Vorführung der subtraktiven Farbmischung eignet sich eine Maske mit vier quadratischen Öffnungen und einer dreieckigen Öffnung (Abb. 1.3.3./ld). Die Öffnungen werden, wie im V 4.2.5. angegeben, mit einander teilweise überdeckenden Farbfolien überklebt. Nach Abbildung 1.3.3./le wird ein kleiner Spiegel mit einer 45°-Papphalte-rung angefertigt. Abb. 1.3.3./1 Selbstgefertigte Masken für den Tageslichtschreibprojektor mit Spalten und Löchern (a bis c) und mit Farbfolien überdeckten Öffnungen zur Vorführung der subtraktiven Farbmischung (d) sowie Spiegelhalterung (e) und Distanzring (f) 39 • 1.3.3. Distanzringe zum Auflegen von Linsen auf die Projektionsflache für V 3.1.9. und 3.4.5. schneidet man sich am besten aus Papp- oder Plastrohr zurecht (Abb. 1.3.3./lf). 1.3.4. Selbstanfertigung von optischen Geräten für Schüler- und Hausexperimente Aus zwei gut ineinander passenden Papprohren fertigt man eine Lochkamera (V 2.1.8.) an. Das Ende des einen Papprohres wird mit Transparentpapier verschlossen, das Ende des anderen mit Karton, in dessen Mitte mit einer Nadel ein feines Loch eingebrannt ist (Abb. 1.3.4./1). Zur Ermittlung des Brechungsgesetzes mit einfachen Mitteln (V 2.4.3.) präpariert man ein schlierenfreies Becherglas oder eine schlierenfreie große runde Flasche, wie die Abbildung 1.3.4./2 zeigt. Die eine Hälfte der Mantelfläche ist mit schwarzem Papier beklebt, das einen feinen lotrechten Spalt freiläßt. Die gegenüberliegende Mantelfläche ist mit Transparentpapier bespannt und mit einer Winkelteilung versehen. Zur Durchführung des Versuches wird das Becherglas halb mit Wasser gefüllt. Drei Spiegelstreifen von 30 mm X 200 mm setzt man an den Längsflächen, nach innen spiegelnd, zu einem gleichseitigen Prisma zusammen und umklebt sie zur Fixierung mit Zeichenkarton (Abb. 1.3.4./3). Die eine Stirnseite verschließt man mit Pappe, in die ein kleines Loch gestanzt ist, die andere Seite mit straffem Transparentpapier, nachdem man einige bunte, farbige Glasstücke eingebracht hat. Man schüttelt, damit sich die bunten Glasstüeke auf dem Transparentpapier verteilen, und blickt durch die Lochblende in das Kaleidoskop, das man gegen eine 40 i 1.3.5. m gut beleuchtete weiße Unterlage auf der Tischfläche richtet. Soll das Kaleidoskop auch in waagerechter Lage zu benutzen sein, so muß man aus durchsichtigem Material hinter dem Transparentpapier eine flache Kammer schaffen, in die man die farbigen Glasstücke bringt. 1.3.5. Verspiegeln von Glas Bisweilen ist es angebracht, eine Glasfläche selbst zu verspiegeln. Man braucht dazu drei Lösungen, die man auf folgende Weise herstellt: Lösung I: Man löst 5 g Zucker in 50 ml destilliertem Wasser, setzt 0,6 g Weinsäure zu, kocht die Lösung 10 Minuten lang und läßt sie dann abkühlen. Danach fügt man 10 ml Äthylalkohol (abs.) zu und füllt mit destilliertem Wasser auf 100 ml auf. Lösung II: Man löst 4 g Silbernitrat (krist.) in 100 ml Wasser, ebenso 6 g Ammoniumnitrat (ehem. rein) in 100 ml Wasser. Nachdem beide Substanzen gut aufgelöst sind, gießt man die beiden Lösungen zusammen. Lösung III: Man löst 10 g Ätznatron in 100 ml Wasser auf. Die Lösungen werden jede für sich aufbewahrt. Dabei ist für die Lösung II eine dunkle Masche zu verwenden. Das zu verspiegelnde Glas wird sehr sorgfältig mit Salpetersäure gereinigt und anschließend erst mit Leitungswasser und dann mit destilliertem Wasser abgespült. Die Glasfläche muß ganz fettfrei sein. Man faßt deshalb das gereinigte Glas nur an den Rändern an, indem man es zwischen den Fingerspitzen hält. Noch besser verwendet man dazu eine Pinzette. Ist die Politur des Glases geringfügig beschädigt, so kann man diese durch leichtes Nachpolieren mit Polierrot etwas auffrischen. Zum Verspiegeln gießt man in eine flache Schale zu einem Teil der Lösung I zwei Teile der Lösung II und fügt sofort einen Teil der Lösung III zu. Man muß diese Reihenfolge des Ineinandergießens einhalten, weil sich sonst explosives Knallsilber bilden kann. Sofort nach dem Eingießen der Lösung III legt man das zu verspiegelnde Glas in die Schale. Die zu verspiegelnde Glasfläche muß vollständig in die Lösung eintauchen. Das Verspiegeln erfolgt unter dauerndem Schwenken der Schale. Bei Zimmertemperatur dauert die Bildung des Spiegelniederschlages etwa 30 Minuten. Danach wird die Fläche gut abgespült. Ein noch verbleibender grauer Belag wird mit einem Wattebausch unter leichtem Druck abgerieben. Bemerkungen 1. Zum Vermeiden eines Silberhiederschlages auf beiden Seiten des Glases kann man leichte Glasscheiben, beispielsweise Mikroskop-Objektträger oder Deckgläser, auf der Lösung schwimmen lassen 2. Es gelingt auch nach dem angegebenen Verfahren, das Glas halbdurchlässig zu versilbern; man muß nur das Versilbern genau beobachten und beim Erreichen der gewünschten Dicke des Belages das Glas aus der Lösung nehmen. 3. Man gieße stets nur so viel von den Lösungen zusammen, wie man für den Einzelfall braucht, da einmal zusammengegossene Lösungen später nicht mehr verwendet werden können. 41 $ 1.4.1. 1.4. Optische Abbildungsverfahren 1.4.1. Erzeugung divergenten Lichtes — Schattenwurf Für viele Versuche, z.B. V 2.1.4. und 2.1.6., oder zur Beleuchtung von Versuchsteilen oder zur Schattenprojektion benötigt der Lehrer Lichtbündel unterschiedlicher Divergenz. Man verwendet dazu möglichst lichtstarke und nahezu punktförmige Lichtquellen sowie Sammellinsen. Plankonvexe Linsen setzt man dabei stets so ein, daß die beiden Seiten möglichst gleichmäßig an der Brechung des Lichtbündels beteiligt sind. Die Planseite der Linse ist dabei der Lichtquelle zugekehrt. Vor eine Kohlebogenlampe oder eine Glühpunktlampe wird eine Lochblende oder eine Irisblende gestellt. Der divergente Lichtkegel der Lichtquelle wird auf eine Projektionswand gerichtet. Seine Öffnung wird mit Hilfe der Lochblende durch Verändern des Abstandes zwischen der Lochblende und der Lichtquelle oder durch Verstellen der Irisblende geregelt. Zwischen die Lichtquelle und die Projektionswand wird ein schatten werf ender undurchsichtiger Körper gebracht. Damit man recht scharfe Schatten erhält, darf man den Körper nicht zu nahe an die Lichtquelle stellen (Abb. 1.4.1./la). Benötigt man Lichtbündel geringer Divergenz, so fügt man eine Sammellinse in den Strahlengang. Das Ändern der Entfernung Lichtquelle—Linse im Raum innerhalb der einfachen Brennweite bewirkt eine Änderung des öffnungs Winkels. Dabei ist es möglich, nahezu paralleles Licht zu erzeugen (Abb. 1.4.1./lb). Ist die Ausdehnung der Lichtquelle zu groß, so daß die Schatten unscharf werden, oder ist die bestrahlte Fläche zu ungleichmäßig ausgeleuchtet, so verwendet man als Projektionszentrum eine Loch- oder Irisblende, auf der mit Hilfe einer kurzbrennweitigen Linse das reelle Bild des hellsten Teiles der Lichtquelle etwa gleich groß abgebildet worden ist (Abb. 1.4.1./lc). Die Öffnung des Lichtkegels läßt sich durch Ändern der Stellung von Lichtquelle und Linse zur Blende ein wenig beeinflussen. Durch Vorsetzen einer zweiten Sammellinse läßt sich die Divergenz des Lichtbündels in weiten Grenzen variieren (Abb. 1.4.1./ld). Wird eine solche Anordnung zum Schatten wurf verwendet, so achte man darauf, den Gegenstand nicht zu dicht an das Projektionszentrum heranzubringen. Abb. 1.4.1./1 Strahlenverlauf bei der Erzeugung divergenten Lichtes für den Schattenwurf in direkter Beleuchtung (a), unter Zwischenschaltung einer Linse (b) sowie bei Verwendung einer beleuchteten Lochblende als Sekundärlichtquelle (c und d) b 42 1.4.2. 0 1.4.2. Erzeugung parallelen Lichtes Über die Erzeugung von parallelem Licht und seiner Verwendung im Physikunterricht ist das Wichtigste bereits in 1.0.1. gesagt worden. Es wurde darauf hingewiesen, daß es im Unterricht meistens nur auf die Parallelität der Mantel-linien des zylindrischen Lichtbündels ankommt. Dies erreicht man, wenn man ein Bild der Leuchtfläche der Lichtquelle erzeugt, dessen Durchmesser gleich dem der Linse ist. Liegt das Bild etwa 1 m ... 1,5 m von der Linse entfernt, so kann man die Versuchsanordnung ohne Schwierigkeit längs dieser Strecke unterbringen. Es ergibt sich somit die in Abbildung 1.4.2./la wiedergegebene einfache Anordnung zum Erzeugen quasiparallelen Lichtes. Weit besser wird die Forderung nach parallelem Licht durch die folgende Anordnung erfüllt, bei der man vor die als Lichtquelle dienende Kohlebogenlampe oder Glühpunktlampe einen Doppelkondensor mit einer Brennweite von 60 mm ... 100 mm stellt. Man ordnet Lichtquelle und Doppelkondensor so an, daß das reelle Bild der Lichtquelle etwa 150 mm bis 200 mm hinter dem Doppelkondensor entsteht. Man stellt in den Strahlengang etwa 70 mm hinter dem Kondensor eine Bikonvexlinse mit einer Brennweite von 100 mm. Dadurch rückt der reelle Bildpunkt der Lichtquelle näher an die Linse heran. In den divergenten Teil des Strahlenbündels bringt man eine weitere Sammellinse mit einer Brennweite von etwa 100 mm, durch die man die Strahlen parallel richtet (Abb. 1.4,2./Ib). Zur Erzeugen paralleler Lichtstreifen, wie man sie zum Veranschaulichen von Strahlengängen an der optischen Scheibe braucht, verwendet man als Lichtquelle zweckmäßigerweise eine Glühfadenlampe, bei der die Glühwendel gewissermaßen in einer Geraden angeordnet ist. Man stellt eine Sammellinse oder noch besser eine Zylinderlinse mit einer Brennweite von 100 mm... 150 mm so auf, daß der Glühfaden der Lampe in der Brennebene der Zylinderlinse liegt. Der Glühfaden und die Zylinderachse der Linse müssen parallel zueinander liegen (Abb. I.4.2./lc). Beide ordnet man senkrecht zur Ebene der optischen Scheibe an. - Abb. 1.4.2./I Strahlenverlauf bei der Erzeugung parallelen Lichtes mit einer Sammellinse (a), unter Verwendung eines Dreifachkondensors und einer Sammellinse (b) und bei Verwendung einer Zylinderlinse (c) 43 • 1.4.3. 1.4.3. Reelle Abbildung selbstleuchtender oder beleuchteter flächen* hafter Objekte Sehr oft muß bei den Versuchen zur geometrischen Optik ein selbstleuchtendes oder ein beleuchtetes, meist transparentes Objekt verkleinert, gleich groß oder vergrößert abgebildet werden. Man ordnet dann eine Kerze oder etwa eine Kohlefadenlampe außerhalb der einfachen Brennweite einer Objektivlinse an und erzeugt auf einem Schirm oder einer Projektionswand ein scharfes reelles Bild des Gegenstandes (Abb. 1.4.3./la). Abb. 1.4.3./1 Abbildung eines selbstleuchtenden (a) und beleuchteten transparenten Körpers (b) mit Hilfe einer Sammellinse Ganz ähnlich verfährt man mit Loch -und Buchstabenblenden, die transparent hinterlegt sind, oder mit größeren Transparentobjekten, die gegebenenfalls noch mit Strichzeichnungen versehen sind. Diese werden von einer kräftigen Lichtquelle beleuchtet. Die Streuung des Lichtes an der Mattglas- oder Transparentpapierschicht bewirkt, daß die Blende oder die Öffnung als selbstleuchtender Körper fungiert (Abb. 1.4.3./lb). Da die Helligkeit des Projektionsbildes von dem die Linse durchsetzenden Licht bestimmt wird, ist das Bild um so heller, je heller das Objekt und je größer der Durchmesser der Linse ist. Man verwendet als Objektivlinse eine Linse mit großem Durchmesser. 1.4.4. Reelle Abbildung durchleuchteter flächenhafter Objekte Sollen kleine oder große flächenhafte durchleuchtete Gegenstände abgebildet werden (z.B. wie in V 3.2.12. und 3.3.1.), sind einige physikalische Besonderheiten zu berücksichtigen. Das die Blende durchsetzende Lichtbündel muß in seinem vollen Querschnitt die Objektivlinse treffen, oder die Objektivlinse muß Eintrittsund Austrittspupille der Projektionsanordnung zugleich sein. Kleine flächenhafte Gegenstände lassen sich so abbilden, daß durch geeignete Stellung der Lichtquelle das divergente, die Blende durchsetzende Lichtbündel voll auf die Fläche der Linse auftrifft. Die Lichtquelle darf also nicht so nahe 44 1.4.4. # Abb, 1.4.4./1 Reelle Abbildung eines durchleuchteten Körpers (a) mit Hilfe einer Sammellinse und Ausnutzung des Strahlengangs zur Abbildung eines Lichtzeigers über einen Drehspiegel (b) am durchsichtigen Objekt stehen, daß das vom Objekt begrenzte Lichtbündel beim Auftreffen auf das Objektiv einen größeren Querschnitt als die Linse hat (Abb. 1.4.4./la). Bei einer solchen kondensorlosen Abbildung durchleuchteter Gegenstände liegt zwischen Objektiv und Projektionsschirm an der Stelle des reellen Bildes der Lichtquelle eine starke Bündeleinschnürung. Die Besonderheit dieses Strahlenganges kann man sich beispielsweise zunutze machen, wenn man über einen Drehspiegel einen Lichtzeiger abbilden will. Man justiert dann den Strahlengang so, daß das reelle Bild der Lichtquelle direkt auf dem Drehspiegel zu liegen kommt. Damit ist für die Lichtzeigerprojektion die volle Lichtstärke der Versuchsanordnung nutzbar (Abb. 1.4.4./lb). Die eben beschriebene Versuchsanordnung versagt, wenn der durchleuchtete Gegenstand die Größe der Linse hat oder sogar noch größer ist als diese. In diesem Fall ist die zusätzliche Aufstellung einer Beleuchtungslinse erforderlich. Diese muß im Durchmesser etwas größer sein als der zu projizierende durchsichtige Gegenstand. Dicht vor den durchleuchteten Gegenstand, etwa einem Diapositiv, stellt man eine einfache oder doppelte Kondensorlinse. Den Abstand zwischen Lichtquelle und Kondensorlinse wählt man so, daß das reelle, von der Kondensorlinse erzeugte Bild der Glühwendel der Lichtquelle genau im Objektiv liegt, wovon man sich" leicht mit Hilfe eines vorgehaltenen Stücks Transparentpapier überzeugen kann. Die Brennweite der einfachen bzw. doppelten Beleuchtungslinse wählt man zweckmäßigerweise etwa halb so groß wie die Brennweite der Objektivlinse (Abb. 1.4.4./2a). Für den Strahlengang in Spektralapparaten und auch bei Beugungs- und Interferenzversuchen wird oft die Fraunhofersche Anordnung verwendet. Es ist eine Projektionsanordnung, bei der das Objektiv aus zwei teilweise in erheblichem Abstand voneinander aufgestellten Sammellinsen besteht, zwischen denen der Strahlengang parallel verläuft. Die beiden Linsen unterscheiden sich meist noch in ihrer Brennweite. Die Linse mit der kürzeren Brennweite ist dem Objekt, meist einem Spalt, zugekehrt, das genau in der Brennebene dieser Linse steht. Die langbrennweitige Linse vereinigt die zwischen den Linsen parallel verlaufenden Strahlen wieder in ihrer Brennebene, in der ein Projektionsschirm angeordnet ■ 45 • 1.4.4. Abb. 1.4.4./2 Reelle Abbildung eines durchleuchteten Körpers unter Verwendung eines Kondensors in der Bildebene einer Linse (a), in der Brennebene einer Linse — Fraunhoferscher Strahlengang — (b) und untauglicher Strahlengang mit parallelem Licht zwischen Kondensor und Objektiv (c) oder ein Okular aufgestellt wird (Abb. 1.4.4./2b). Dicht vor dem Objekt kann noch ein Kondensor aufgestellt werden. Die Lichtquelle wird dann so angeordnet, daß das reelle, vom Kondensor erzeugte Bild der Glühwendel zwischen den beiden Objektivlinsen entsteht. Einem dem Prinzip der Fraunhoferschen Anordnung ähnlicher Versuchsaufbau wird fälschlicherweise oft zur Abbildung durchleuchteter Gegenstände verwendet. Loch-, Buchstaben- oder Pfeilblenden werden mit parallelem Licht von der Kondensorline durchstrahlt. Man erhält dann nahezu unabhängig von der Gegenstandsentfernung der abbildenden Linse ein hinreichend scharfes, reelles Bild nur in der Brennebene der Linse (Abb. 1.4.4./2c). Wegen des dingseitig telezen-trischen Strahlenganges hat aber der Bündelquerschnitt hinter der Linse überall die Form des durchleuchteten Gegenstandes. Man erhält also bei jeder Stellung 46 1.4.5. # des Schirmes und bei jeder Stellung des Gegenstandes ein verschwommenes „Bild" des Gegenstandes. Häufig wundert sich der in optischen Dingen Unerfahrene, daß mit einer solchen Anordnung keine Werte zur Bestätigung der Linsengleichung zu gewinnen sind. • 1.4.5. Häufig verwendete Projektionsanordnungen Im Physikunterricht sind zum besseren Beobachten von Versuchsabläufen, zur deutlichen Sichtbarmachung kleiner Teile, zum sicheren Ablesen bestimmter Meßgeräte usw. vielfach vergrößerte Projektionen der Anordnungen und Abläufe erforderlich. Es sollen deshalb im folgenden einige Hinweise zum Einsatz und zum Gebrauch der Projektionseinrichtungen gegeben werden. Aus komplexen Aufbauteilen unter Verwendung von Stativmaterial bzw. mit den Mitteln der optischen Bank lassen sich einfache Projektionsanordnungen für Horizontal- und Vertikalprojektion zusammenstellen. Das vom VEB Polytechnik Karl-Marx-Stadt produzierte Projektionsgerät gestattet z.B. die Projektion eines Elektrometers oder eines Stromfadengerätes nach Pohl. Das zu projizierende Objekt darf nicht größer sein als der Durchmesser der Kondensorlinsen. Mit Hilfe eines Objektives, dessen Brennweite man der gewünschten Vergrößerung und der Schirmentfernung anpassen muß, wird das Objekt scharf auf einem Schirm abgebildet. Man stellt so ein, daß das reelle Bild der Lichtquelle in der Objektivlinse liegt (Abb. 1.4.5./1). Bei der Vertikalprojektion ist über der Linse noch ein Umlenkprisma oder ein Umlenkspiegel anzuordnen. Leistungsfähige Projektionsanordnungen sind auch mit der neuen optischen Bank zu realisieren (Abb. 1.4.5./2a und b). Sollen Feldlinienbilder oder Wellen auf Flüssigkeitsoberflächen projiziert werden, so bedient man sich häufig des Wasser wellen-, Strömungs- und Projektionsgerätes WSP220 vom VEB Polytechnik Karl-Marx-Stadt. Über der Projektionsfläche können entweder eine Wellenwanne, eine Strömungswanne oder Geräte zur Erzeugung elektrischer bzw. magnetischer Felder angeordnet werden. Die Wellen, die Strömungen und die magnetischen bzw. elektrischen Feldlinienbilder werden auf einer Projektionswand scharf abgebildet. Der Strahlengang wird durch einen # 1.4.5. Abb. 1.4.5./2 Projektionseinrichtung unter Verwendung der optischen Bank in horizontaler (a) als auch in vertikaler (b) Anordnung \ Abb. 1.4.5./3 Wasser wellen-, Strömungs-und Projektionsgerät „WSP 220" Spiegel über dem Objektiv abgelenkt (Abb. 1.4.5./3). Das Gerät verfügt über eine Stroboskopscheibe, so daß die Projektionseinrichtung mit intermittierendem Licht versorgt werden kann. Ein leistungsfähiges Gerät ist der Tageslichtschreibprojektor „Polylux I" vom VEB Polytechnik Karl-Marx-Stadt (Abb. 1.4.5./4a). Er kann nicht nur als Schreib- 48 1-4.5. § Abb. 1.4.5-/5 Anordnung zur Mikroprojektion ''. unter Verwendung der optischen Bank und eines Schülermikroskopes projektor und zur Abbildung von Folien verwendet werden, er eignet sich wegen seiner Lichtstärke und der Größe der Projektionsfläche auch als Experimentierprojektor für mechanische, elektrische, thermische und optische Versuche. Der Nachteil, nur Versuche in der horizontalen Projektionsebene ausführen zu können, wird dadurch behoben, daß neuerdings ein Kippgerät zum Tageslichtschreib- 4 [022147] 49 e 1.4.5. projektor angeboten wird, das auch vertikal stehende Versuche oder Geräte (z.B. Elektrometer, Gerät zur kinetischen Gastheorie) vergrößert abzubilden erlaubt (Abb. 1.4.5./4b und c). In einigen Fällen ist im Physikunterricht zum objektiven Beobachten mikroskopisch kleiner Teile eine Mikroprojektion erforderlich. Dazu kann jedes Mikroskop verwendet werden. Wie Abbildung 1.4.5./5 zeigt, wird das Licht einer Optikleuchte mittels eines Kondensors oder eines Doppelkondensors über den Beleuchtungsspiegel in das Objektiv gelenkt. Zum Schutze des Mikroskops gegen Beschädigung durch starkes Erwärmen wird eine Küvette mit 0,33%iger Kupfersulfatlösung in den Strahlengang gestellt. Das reelle Bild der Glühwendel soll im Objektiv des Mikroskops liegen. Die Mikroprojektion kann durch ein schwach vergrößerndes Okular, aber auch ohne Okular erfolgen. Damit der Strahlengang wieder horizontal gerichtet wird, ordnet man auf dem oberen Tubusende oder auf dem Okular ein gleichschenklig-rechtwinkliges Prisma an. Das Scharfeinstellen erfolgt durch Betätigen des Grob- und des Feintriebes. Zur vollen Ausleuchtung des Bildes kann man, wenn nötig, die Stellung der Lichtquelle noch etwas korrigieren. Der Aufbau gestaltet sich sehr einfach, wenn man fertige handelsübliche Mikroprojektionsanordnungen zum Schülermikroskop verwendet. Damit ist eine horizontale und eine vertikale Anordnung (Abb. 1.4.5./6a und b) möglich. 2. Geradlinige Ausbreitung, Reflexion, Brechung und Totalreflexion des Lichtes 2.0. Methodische Bemerkungen 2.0.1. Die in diesem Kapitel beschriebenen Versuche dienen vorwiegend der experimentellen Untermauerung bei der Gewinnung grundlegender Kenntnisse auf dem Gebiet der Optik. Die Versuche sind dementsprechend einfach gehalten und bedürfen in den meisten Fällen keines umfangreichen Instrumentariums und keines großen Experimentiergeschicks. Für alle grundlegenden Erscheinungen — Lichtdurchlässigkeit, geradlinige Ausbreitung, Reflexion an ebenen und gewölbten Spiegeln, Brechung und Totalreflexion an der Grenzfläche zweier Medien, Parallelverschiebung an planparallelen Platten und Ablenkung an Prismen — sind neben den Lehrerexperimenten auch einfache Schülerexperimente beschrieben, die teilweise als Freihandversuche dem Lehrer eine Auswahlmöglichkeit für Hausexperimente bieten. Nach einer einführenden Untersuchung über die Lichtdurchlässigkeit von Körpern und Stoffen im V 2.1.1. werden im V 2.1.2. mehrere Varianten zur Demonstration der geradlinigen Ausbreitung des Lichtes angeboten. Dabei sollte vermieden werden, die Geradlinigkeit von vornherein und ausschließlich durch Visieren nachweisen zu wollen, weil man damit das, was bewiesen werden soll, schon als Beweismittel verwendet. Dem Stecknadel versuch zur Lichtausbreitung wird beispielsweise erst dadurch Beweiskraft verliehen, daß man die Einstichstellen nach Anlegen eines Lineals durch eine Gerade verbunden hat. Die Einführung des Begriffes Lichtstrahl stellt an die Schüler erfahrungsgemäß erhebliche Anforderungen. Die Abstraktion vom dreidimensionalen Lichtbündel zum eindimensionalen Lichtstrahl ist im strengen Sinne nicht experimentell darstellbar. Es ist deshalb zu empfehlen, diesen schwierigen Abstraktionsvorgang nicht unmittelbar an den Anfang des Unterrichts in der Optik zu stellen, sondern erst zu vollziehen, wenn sich die zwingende Notwendigkeit ergibt, Strahlenverläufe zeichnerisch darzustellen. Mit V 2.1.3. soll dieser Abstraktionsvorgang unterstützt werden. Im engen Zusammenhang mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichtes wird der Schattenwurf erarbeitet. Mit der Unterscheidung der Schattenarten und des Strahlenverlaufes beim Schattenwurf befassen sich V 2.1.4. und 2.1.5. Als besondere Fälle der Schattenbildung werden im V 2.1.6. die Entstehung von Mond- und Sonnenfinsternis veranschaulicht. Bei der Durchführung dieser Versuche sollte man bestrebt sein, die natürlichen Größenverhältnisse einigermaßen zu wahren. Dem steht allerdings hinderlich entgegen, daß die Erde und erst recht der Mond gegenüber der Sonne und der Entfernung Sonne—Erde sehr kleine Abmessungen annehmen. Empfehlenswert ist, zur Simulierung des Sonnenlichtes paralleles 4* 51 # 2.0.1. oder schwach divergentes Licht zu verwenden, das vom Kondensor einer Optikleuchte herkommt. Man muß allerdings dafür in Kauf nehmen, daß keine Halbschatten entstehen. Im V 2.1.7. wird bei Vernachlässigung der natürlichen Größen Verhältnisse lediglich der Strahlenverlauf bei der Entstehung der Finsternisse demonstriert. Mit V 2.1.8. und 2.1.9. zur Lochkamera eröffnen sich weitere Möglichkeiten zur Bestätigung der Geradlinigkeit der Lichtausbreitung, aber auch zur Beschäftigung mit der Optik über den normalen Schulstoff hinaus, beispielsweise in der Untersuchung der Abhängigkeit der Bildgröße von der Lochkameralänge bei konstanter Gegenstandsweite oder in den Untersuchungen zur Ermittlung des Einflusses der Lochgröße auf die Abbildungsschärfe usw. Auch das Fotografieren mit Hilfe einer Lochkamera gehört zu den weiterführenden Möglichkeiten. Weil der Versuch nicht nur eindrucksvoll, sondern auch weniger bekannt ist, wurde die „negative" Lochkamera im V 2.1.8. mit aufgenommen. 2.0.2. Einige experimentelle Varianten zur Unterscheidung von regulärer und diffuser Reflexion bietet V 2.2.1. In den folgenden Versuchen 2.2.2, und 2.2.3. sind Möglichkeiten beschrieben, das Reflexionsgesetz herzuleiten bzw. zu bestätigen. Dabei sind auch Vorschläge enthalten, den Nachweis zu führen, daß einfallender Strahl, Lot und reflektierter Strahl in einer Ebene liegen. Zur Darstellung des Strahlenverlaufes bei der Reflexion und später natürlich auch bei der Brechung und bei den optischen Geräten eignen sich besonders die Gerätesätze zur Haftoptik für die Lehrerdemonstration und zur ebenen geometrischen Optik für die Schülerbeobachtung. Sie sind in ihrer Handhabung sehr einfach, verlangen keine langwierigen Vorbereitungen und ermöglichen, jederzeit den Strahlen verlauf nachzuzeichnen, so daß Tafelskizzen oder Heftzeichnungen direkt aus dem Experiment entstehen. Zur Beobachtung der Bilder am ebenen Spiegel wird im V 2.2.4. die Verwendung einer großen Glasscheibe empfohlen, weil sie den Vorteil gegenüber einem Spiegel bietet, Ort und Lage des virtuellen Bildes durch Aufstellen eines dem Gegenstand identischen Körpers hinter der Glasscheibe zu markieren. Zur Demonstration des Strahlenverlaufes bei der Bildentstehung am ebenen Spiegel sind Varianten vom Lehrer- zum Schülerversuch bis zu dessen Einsatz als Hausexperiment im V 2.2.5. enthalten. Abgeschlossen wird dieser Abschnitt mit Versuchen zur Beobachtung der Reflexion des Lichtes und des Strahlenverlaufes an Winkelspiegeln in den Versuchen 2.2.6. und 2.2.7. 2.0.3. Mit einem aus vielen kleinen ebenen Spiegelstücken zusammengesetzten Hohlspiegel wird im V 2.3.1. der Übergang von der Reflexion des Lichtes am ebenen Spiegel zur Reflexion des Lichtes an gewölbten Spiegeln vollzogen und damit gleichzeitig deutlich gemacht, daß das Reflexionsgesetz auch für gekrümmte Flächen gültig ist. Grundlegende Erkenntnisse über die Reflexion von Parallel-, Brennpunkt-, Mittelpunkt- und Scheitelstrahlen sind mit den Anordnungen des V 2.3.2. zu erarbeiten. Mit V 2.3.3. zur reellen Abbildung eines Punktes durch einen Hohlspiegel soll auch gezeigt werden, daß für die vereinfachte zeichnerische Darstellung der Bildentstehung an gewölbten Spiegeln, die in Wirklichkeit durch ein volles von der Spiegelöffnung begrenztes Lichtbündel erzeugt wird, ausgewählte Lichtspuren bzw. Lichtstrahlen benutzt werden können. V 2.3.4. und 2.3.5. dienen zur Beobachtung von reellen Bildern am Hohlspiegel und dem Nach- 52 2.0.5. # weis der Gültigkeit der Abbildungsgleichung und der Gleichung für den Abbildungsmaßstab. Dabei ist mit V 2.3.4. ein Versuch aufgenommen worden, der plastische, scheinbar im Raum schwebende reelle Hohlspiegelbilder eines gut beleuchteten Gegenstandes zu beobachten gestattet. Eine interessante Möglichkeit, virtuelle Bilder am Hohl- und Wölbspiegel zu betrachten und ihren Ort sowie ihre Größe zu bestimmen, bietet V 2.3.6. Bau und Wirkungsweise eines Autoscheinwerfers und das Zusammenwirken von Parabolreflektor und Scheinwerferglas bei Abbiend- und Fernlicht kann im V 2.3.7. demonstriert werden. 2.0.4. Die mit dem Übergang des Lichtes von einem durchsichtigen Medium in ein anderes verbundenen optischen Erscheinungen der Brechung und Totalreflexion sind für die Schüler meist neuartig, obwohl sie im täglichen Leben häufig beobachtet werden können. Eine gezielte Einführung und Motivation der Schüler vor der Bearbeitung von Einzelheiten der Brechung ist deshalb wichtig. Im V 2.4.1. sind deshalb einige Freihandversuche zur Beobachtung der Erscheinung der Brechung dargestellt. Trotz ihrer Einfachheit und ihrer überzeugenden Ergebnisse sind sie aber nicht einfach zu erklären. Es ist deshalb beispielweise günstiger, anstelle der Beobachtung der scheinbaren Hebung einer Münze im Wasser, die scheinbare Hebung einer Lichtquelle bzw. einer als Lichtquelle fungierenden, gut durchleuchteten Öffnung zu betrachten, weil der von der Lichtquelle ausgehende Strahlen verlauf vom Schüler leichter zu erfassen ist. Um qualitative Aussagen über den Verlauf des Lichtes beim Übergang von einem durchsichtigen Stoff in einen anderen machen zu können, ist V 2.4.2. aufgenommen. Die sich anschließenden Versuche zur Herleitung bzw. Bestätigung des Brechungsgesetzes enthalten auch eine Variante, die vorzüglich als Hausexperiment geeignet ist; allerdings werden zur quantitativen Auswertung eine Reihe notwendiger geometrischer Kenntnisse vorausgesetzt, so daß der Versuch erst von Schülern höherer Klassenstufen durchgeführt werden kann. Mehrere Versuche zur Vorführung der Totalreflexion werden im V 2.4.4. vorgestellt. Die Demonstration einer modernen Anwendung der Totalreflexion im Lichtleiter erfolgt im V 2.4.5. Gleichzeitig soll der Versuch zeigen, mit welch einfachen Mitteln die anschauliche Vorführung von Erscheinungen der Faseroptik möglich ist. 2.0.5. In diesem Abschnitt werden Versuche zum Durchgang des Lichtes durch planparallele Platten und Prismen dargestellt. V 2.5.1. und 2.5.2. bringen jeweils mehrere Varianten zum Nachweis der Parallelverschiebung und zur Vorführung des Strahlen verlauf es beim Durchgang des Lichtes durch eine planparallele Blatte. Bei den Versuchen zur Demonstration des Strahlenganges in einem Prisma (V 2.5.3.) wird von der spektralen Zerlegung des Lichtes abgesehen. Durch Verwendung von Filterlicht kann in diesen Versuchen die Dispersion weitgehend unterdrückt werden. Eine Variante dieses Versuches zeigt, wie über den Schulstoff hinausgehende Zusammenhänge auf einfache Weise experimentell ermittelt werden können. Versuche zum Strahlenverlauf bei der Totalreflexion werden in V 2.5.4. und 2.5.5. beschrieben und schließen den Abschnitt und auch das Kapitel der grundlegenden Versuche zur Strahlenoptik ab. 53 • V 2.1.1. 2.1. Geradlinige Ausbreitung des Lichtes 2.1.1. Untersuchung der Lichtdurchlässigkeit von Körpern Zu Variante a 1. Tageslichtschreibprojektor 2. verschiedene Körper unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit (Scheiben aus Kunststoff, Milchglas, Mattglas, Farbglas, Metall, Bogen verschiedener Papiersorten u. a.), Abmessungen etwa 50 mm X 50 mm 3. 3 Küvetten (40 mm X 65 mm X 30 mm) 4. verschiedene Farbstoffe (Tinte, Tusche, Anilinfarben) 5. verschiedene Trübungsmittel (alkoholische Lösung von Dammar- oder Mastixharz oder von Phenolphthalein oder Fluoreszein) Zu Variante b [SE] Geräte 2., 3. (nur einmal), 4., 5., außerdem 6. Experimentierleuchte (ohne Kondensor) 7. 2 T-Füße 8. Blendrahmen mit Schiebeschacht 9. Tischchen Methodische Hinweise 1. In der Variante a ersetzt im Vergleich zur sonst bei diesem Experiment üblichen subjektiven Beobachtung das Objektiv des Tageslichtschreibprojektors gewissermaßen die Augenlinse und das Projektionsbild das Netzhautbild, so daß man an diesem Bild die Lichtdurchlässigkeit der auf die Projektionsfläche aufgelegten Körper beurteilen kann., 2. Ein großer Vorteil der Versuchsanordnung der Variante a ist die Möglichkeit der gleichzeitigen Projektion mehrerer nebeneinandergelegter Körper, deren Lichtdurchlässigkeit sofort miteinander zu vergleichen ist. Variante a Versuch 1: Abhängigkeit der Lichtdurchlässigkeit von der Beschaffenheit von festen Körpern Auf die Schreibfläche eines Tageslichtschreibprojektors wird eine durchsichtige Folie gelegt und darauf nebeneinander eine Glas-, eine Milchglas- und eine Metallscheibe. Man stellt das Projektionsbild auf die Struktur des Fresnel-Doppel-kondensors ein. Im Projektionsbild erkennt man die Lichtdurchlässigkeit der Glas- und der Milchglasscheibe und die Undurchlässigkeit der Metallscheibe. Durch die Abbildung der Glasscheibe hindurch kann man die Struktur der Fres-nellinse erkennen, durch die Milchglasscheibe nicht; so daß bezüglich der Erkennbarkeit von Strukturen hinter einem Körper auch in durchsichtige, durchscheinende und undurchsichtige Körper eingeteilt werden kann. Auf dem noch freien Teil der Projektionsfolie können Texte gestaltet werden, die sich auf den Versuch beziehen. 54 V 2.1.2. Versuch 2: Abhängigkeit der Lichtdurchlässigkeit von der Schichtdicke Dazu legt man nebeneinander auf den Tageslichtschreibprojektor z.B. Transparentpapier in unterschiedlichen Lagen (z.B. 1, 2, ... 5) und beobachtet das Projektionsbild. Anstelle d'es Transparentpapiers kann man ein rechtwinklig dreieckiges, parallel zu einer Kathete zieharmonikaartig zusammengefaltetes Stück einer durchsichtigen Folie verwenden. Versuch 3: Abhängigkeit der Lichtdurchlässigkeit von der Beschaffenheit von Flüssigkeiten Man bringt drei Küvetten auf die Projektionsfläche und füllt sie gleichhoch mit den in Frage kommenden Flüssigkeiten. Es läßt sich auch die Abhängigkeit der Lichtdurchlässigkeit von der Schichtdicke untersuchen und zusätzlich die Abhängigkeit der Lichtdurchlässigkeit von der Konzentration einer Lösung oder Aufschlämmung. Dazu füllt man entweder die Küvetten in unterschiedlicher Höhe mit der gleichen Flüssigkeit bzw. in gleicher Höhe mit Lösungen oder Aufschlämmungen unterschiedlicher Konzentration. Variante b Die Untersuchung von Körpern auf Lichtdurchlässigkeit kann in der gleichen Reihenfolge wie bei Variante a erfolgen. Das räumliche Nebeneinander der Demonstration muß jedoch in ein zeitliches- Nacheinander verwandelt werden. Die Beobachtung ist subjektiv, der Schüler blickt direkt in die Lichtquelle, die zur Vermeidung von Blendungen am besten mit Unterspannung betrieben wird, und bringt zwischen Auge und Lichtquelle den zu untersuchtenden Stoff (Abb. 2.1.1./1). Abb. 2.1.1./1 Versuchsanordnung zur Untersuchung der Lichtdurchlässigkeit fester und flüssiger Stoffe im Schülerexperiment Zur Untersuchung der Lichtdurchlässigkeit von Flüssigkeiten wird die Küvette auf das Tischchen gesetzt. Die Untersuchung der Abhängigkeit der Lichtdurchlässigkeit von der Schichtdicke gestaltet sich dabei sehr einfach, indem man die mit dem Farbstoff gefüllte Küvette einmal längs und einmal quer in den Strahlengang bringt. 2.1.2. Demonstration der geradlinigen Ausbreitung des Lichtes 3 Zu Variante a <3 Zu Variante b [SE] 3 Zu Variante c [8E\ 1. Hafttafel 5. Kerze 7. Holz- oder Wellpappunterlage 2. Haftleuchte 6. Gartenschlauch (60 cm lang) 8. Stecknadeln 3. kleine Haftleuchte 9. Lineal 4. Meßstab 55 V 2.1.2. Methodische Hinweise 1. Vergleiche MB 2,0.1.! 2. Während bei der Variante a die Geradlinigkeit der Lichtspuren mit einem Lineal festgestellt wird, handelt es sich bei den Varianten b und c um die Ermittlung der Geradlinigkeit der „Visierlinie". Es ist zu empfehlen, bei der Auswahl der Versuche für den Unterricht je einen Versuch aus den beiden Gruppen zu berücksichtigen. Variante a Die Lichtspur einer Haftleuchte wird längs der Hafttafel verfolgt. Durch Anlegen eines Tafellineals stellt man die Geradlinigkeit der Lichtausbreitung fest. Man kann natürlich auch die Lichtspur mit Kreide nachziehen, um sich von der Geradlinigkeit der Lichtausbreitung zu überzeugen (Abb. 2.1.2./la). Abb. 2.1.2./1 Anordnung zur Demonstration der Geradlinigkeit der Lichtausbreitung mit Hilfe einer Lichtspur (a), eines divergenten Lichtbündels (b) oder mit den Mitteln der Stecknadeloptik (c) Es ist auch möglich, mit der kleinen Haftleuchte ein divergentes Lichtbündel auf der Hafttafel zu erzeugen. Die Bündelbegrenzungen sind geradlinig, sie können leicht mit Kreide und Lineal nachgezogen werden (Abb. 2.1.2./lb). Variante b Die Schüler erhalten den Auftrag, eine Kerzenflamme durch einen Schlauch hindurch anzuvisieren. Das gelingt nur, wenn der Schlauch straff ausgespannt auf die Flamme gerichtet wird. Variante c In eine Holz- oder Wellpappunterlage werden zwei Stecknadeln so weit wie möglich voneinander entfernt eingestochen. Zwei weitere Stecknadeln werden zwischen die bereits eingesteckten eingefluchtet (Abb. 2.1.2./.lc). Die Einstichstellen __V 2.1.3. # markiert man mit einem Bleistift. Die Verbindungslinie der Einstichstellen ist eine Gerade. Bemerkung t Unter Verwendung der Heftleuchte mit der Einspaltblende kann der Versuch, Variante a, auch als Schülerexperiment durchgeführt werden. 2.1.3. Demonstration des Übergangs vom Lichtbündel zum Lichtstrahl o Zu Variante a 1. Manipermtafel 2. kleine Haftleuchte 3. 2 Blenden 4. Meßstab Methodische Hinweise Zu Variante b [SE] 5. Heftleuchte 6. 2 Blenden aus Pappe 7. weiße Unterlage 1. Vergleiche MB 2.0.1.! 2. In dem Versuch soll der Übergang vom breiten Lichtbündel bis zur Abstraktion des Lichtstrahles als Modell für ein sehr schmales Lichtbündel demonstriert werden. Dazu ist einführend die Variante b wegen der Möglichkeit der Erzeugung eines breiten parallelen Lichtbündels besser geeignet als die Variante a an derHafttafel. Variante a: Benutzen eines divergenten Lichtbündels An der Manipermtafel wird die kleine Haftleuchte befestigt und deren divergentes Lichtbündel waagerecht über die Tafel gerichtet. Die Bündelgrenzen werden mit Kreide und Tafellineal nachgezogen (Abb. 2.1.3./la). z f Abb. 2.1.3./1 Zur Demonstration des schrittweisen Übergangs vom Lichtbündel zum Lichtstrahl unter Verwendung eines divergenten Lichtbündels (a bis c) oder eines parallelen Bündels (d bis f) 57 • V 2.1.3. Durch Einsetzen von zwei magnetisch haftenden Blenden wird der Bündelquerschnitt sukzessiv verkleinert. Die Bündelgrenzen werden abermals eingezeichnet {Abb. 2.1.3./lb). Schließlich erzeugt man durch enge Stellung der beiden Blenden ein ganz schmales Lichtbündel. Es wird nur noch die Bündelachse, der Hauptstrahl des Bündels, eingezeichnet (Abb. 2.1.3./lc). Variante b: Benutzen eines parallelen Lichtbündels Die methodische Schrittfolge ist die gleiche wie bei Variante a, es wird lediglich mit einem Parallellichtbündel gearbeitet. Man läßt die Bündelbegrenzungen, beim schmalen Bündel den Hauptstrahl, mit Bleistift nachzeichnen. Zum Abbiendes des Lichtes verwendet man einfache Pappblenden (Abb. 2.1.3./ld bis f). 2.1.4. Demonstration der Schattenwürfe $ 1. 2 Sechskantschienen (1 m; 0,5 m) 2. 2 Optikleuchten 3. 3 große Klemmreiter 4. kleiner Klemmreiter 5. Holzkugel auf Stativstab (0 etwa 40 mm bis 50 mm) ® (siehe 1.3.1.) 6. transparenter oder undurchsichtiger Schirm 7. Milchglasscheibe (100 mx 100 m) (D (siehe 1.3.1.) * Methodischer Hinweis Die Experimente zum Schattenwurf sind so einfach, daß z.B. bei Verwendung von Kerzen als Lichtquellen die Versuche auch als Hausexperimente durchführbar sind. Versuch 1 Auf der optischen Bank werden die Optikleuchte, die Holzkugel und der Schirm hintereinander angeordnet (Abb. 2.1.4./la). Nach Einschalten der Glühlampe beobachten wir einen scharf begrenzten Schlagschatten auf dem Bildschirm. Betrachtet man den Körper, so kann man die beleuchtete Kugelkappe und die dunkle, im Eigenschatten liegende Kappe unterscheiden und erkennen, daß sich der Schatten des Körpers hinter ihm in den Raum erstreckt. Versuch 2 Kern- und Halbschatten lassen sich scharf und deutlich durch Beleuchtung der Holzkugel mit zwei voneinander getrennt aufgestellten Glühpunktlampen erzeugen (Abb. 2.1.4./lb). Man geht am besten entwickelnd vor. Man entwirft vorerst die von den beiden Lichtquellen erzeugten Schatten einzeln auf dem Schirm und schaltet erst danach beide Lichtquellen gleichzeitig ein. Beim Näherrücken des Schirmes an den schattenwerfenden Gegenstand verschmelzen die beiden Halbschatten teilweise zum Kernschatten. Versuch 3 Wird nur eine Glühlampe verwendet, aber zusätzlich eine mit Stativmaterial gehaltene Milchglasscheibe (Abb. 2.1.4./lc) da vorgesetzt, so erscheint der vorher 58 V 2.1.4. • Abb. 2.1.4./1 Versuchsanordnungen zum Nachweis des Schattenwurfes für eine (a) und zwei (b) punktförmige Lichtquellen sowie für eine ausgedehnte Lichtquelle (c) scharf begrenzte Schlagschatten verändert; um einen dunklen Kernschatten herum liegt ein sich nach außen immer stärker aufhellendes Halbschattengebiet. Die bestrahlte Milchglasscheibe wirkt als ausgedehnte Lichtquelle. Bemerkungen * 1. Die Versuche 1 und 2 können ohne Schwierigkeit mit dem SEG als Schülerexperiment durchgeführt werden. Als schattenwerfenden Körper kann man eine Streichholzschachtel auf dem Tischchen liegend verwenden. 2. Verfügt man für die Durchführung von Versuch 2 nicht über zwei Optikleuchten, so können auch zwei Experimentierleuchten aus dem SEG verwendet werden. 59 Ii V 2.1.5 2.1.5. Demonstration des Strahlenverlaufes beim Schattenwurf [SE] (J 1. Manipermtafel 2. 2 kleine Haftleuchten 3. kleiner Halbrundkörper, magn. haftend 4. großer quaderförmiger Manipermkern als schattenwerfender Körper Methodischer Hinweis Zum Verständnis für die Schattenentstehung, ganz besonders aber für die Schattenkonstruktion, sind neben V 2.1.4. Strahlen verlaufe unerläßlich. Versuch 1 Mit der Haftleuchte wird ein divergentes Lichtbündel erzeugt. In den Strahlenkegel bringt man den schattenwerfenden Körper. Hinter dem Körper ist der Schattenraum zu beobachten. Die Schattenbegrenzung kann mit Kreide nachgezogen werden (Abb. 2.1.5./la). Verwendet man als schattenwerfenden Körper eine Halbkugel, läßt sich auch noch der Körperschatten beobachten (Abb. 2.1.5./lb). b Abb. 2.1.5./1 Demonstration des Strahlenverlaufes beim Schattenwurf mit einer Lichtquelle (a), unter Beachtung des Körperschattens (b) und mit zwei Lichtquellen (c) Versuch 2 Zur Erzeugung von Halb- und Kernschatten wird der schattenwerfende Körper von den zwei kleinen Haft leuchten beleuchtet. Es werden zunächst die Schatten des Körpers von jeder Lichtquelle einzeln erzeugt und erst danach beide Lichtquellen zugleich eingeschaltet. Die Lage von Kern- und Halbschatten kann nachgezeichnet werden (Abb. 2.1.5./lc). Bemerkung Beide Versuche können bei Verwendung von Heftleuchten aus dem SEG auch als Schülerexperiment durchgeführt werden. 2.1.6. Demonstration der Entstehung von Sonnen- und Mondfinsternis 0 Zu Variante a 1. Sechskantschiene (Im) , 2. Sechskantschiene (0,5 m) V 2.1.6. m 3. Optikleuchte 4. 2 große Klemmreiter 5. kleiner Klemmreiter 6. Blendscheibe mit Linse (/ == +120 mm) 7. 2 Holzkugeln (0 45 mm und 15 mm) ® 8. undurchsichtiger Schirm 9. Draht Zu Variante b [SE] 10. Experimentierleuchte 11. 2T-Füße 12. Tischchen 13. Tischtennisball 14. Holz- oder Plastillinkugel (0 10 mm) (§) 15. Draht Methodische Hinweise 1. Vergleiche MB 2.0.1.! 2. Die Vorführung der Entstehung der Finsternisse wird von einem Bezugssystem außerhalb unseres Planetensystems betrachtet. Dabei bereitet es den Schülern erfahrungsgemäß Schwierigkeiten, die Entstehung und die Beobachtung der Finsternisse von der Erdoberfläche aus in Ubereinklang zu bringen. 3. Der Versuch hat einen erkenntnisbildenden Wert, besonders, wenn die Größenverhältnisse von Erd- und Monddurchmesser und Mondabstand möglichst eingehalten werden. Dadurch gestalten sich auch Erd- und Mondschatten verhältnisgleich. Auf der kleinen Schiene zur optischen Bank montiert man die Optikleuchte und die Kondensorlinse von 120 mm Brennweite mit der Planseite zur Lichtquelle. Das Lichtbündel soll nur sehr schwach divergent die Kondensorlinse verlassen. 2,5 m bis 3 m entfernt von der Kondensorlinse wird auf der langen Schiene unter Verwendung von Stativmaterial eine Art Tellurium aufgebaut. Die als Erde fungierende Holzkugel wird mit einer Sackloehbohrung versehen auf den Stativstab gesteckt, die Mond-Kugel mit Draht am Stativmaterial befestigt (Abb. 2.1.6./la). Abb. 2.1.6./1 Versuchsanordnung zur Vorführung der Entstehung von Sonnen- und Mondfinsternis im Lehrer- (a) und Schülerexperiment (b) Variante a 61 # V 2.1.6. Zur Demonstration der Entstehung der Finsternisse dreht man den „Mond" um die „Erde". Dabei zeigt sich bei richtiger Stellung auf der „Erde" ein kleiner Schatten von etwa 15 mm bis 20 mm Durchmesser. Bringt man den „Mond" in den Schattenbereich der „Erde", so kann man die Entstehung der Mondfinsternis demonstrieren. Das Eintreten des „Mondes" in den „Erd"schatten beobachtet man am besten auf einem hinter die Anordnung gestellten Schirm. Variante b An beiden Enden der zusammengesteckten Stativstäbe steht je ein T-Fuß; der eine bestückt mit der Experimentierleuchte, der andere mit dem Tischchen, auf dem ein Tischtennisball als „Erde" liegt und um dessen Stiel ein Draht gewunden ist, der die kleine ,,Mond"-Kugel trägt und um die „Erde" zu drehen gestattet (Abb. 2.1.6./lb). Die Experimentierleuchte ist so eingestellt, daß ein sehr schwach divergenter Lichtkegel die Leuchte verläßt. Der Ablauf des Versuches gestaltet sich wie bei Variante a. Bemerkungen 1. Die Zahlenwerte sind auf den Kondensordurchmesser von 70 mm und die übliche Länge eines Experimentiertisches abgeglichen. Dadurch fallen die Abmessungen von „Erde" und „Mond" etwas klein aus. Die Schüler sind gezwungen, den Versuch aus der Nähe zu beobachten. Steht eine größere Lichtquelle zur Verfügung, so können die Abmessungen der Modellhimmelskörper den tatsächlichen Größenverhältnissen entsprechend etwas größer gewählt werden. Die Größe der Durchmesser der Erde, des Mondes und der Sonne und der Entfernungen der Erde vom Mond und von der Sonne muß man den Schülern mitteilen. Den Durchmesser der Sonne und die Entfernung der Sonne von der Erde kann man im Unterrichtsraum nicht maßstäblich wiedergeben, wenn das Erdmodell nicht zu klein ausfallen soll. 2. Übersicht über die Abmessungen der drei Himmelskörper und ihre Größenverhältnisse, bezogen auf den Erddurchmesser: mittlerer Durchmesser der Erde dE — 12 740 km = 1 dE mittlerer Durchmesser des Mondes == 3470 km 0,27 dE mittlerer Abstand Erde—Mond = 384000 km 30 d% mittlerer Durchmesser der Sonne = 1390000 km?« 110 dE mittlere Entfernung Sonne-Erde = 149600000 km m 11700 dB 2.1.7. Demonstration des Strahlenverlaufes bei der Entstehung von Sonnen- und Mondfinsternis 3 1. Manipermtafel 2. kleine Haftleuchte 3. 2 Halbkugeln, klein und groß, magnetisch haftend Methodischer Hinweis Es ist empfehlenswert, im Zusammenhang mit einem Versuch zur Demonstration der Finsternisse auch den Strahlen verlauf vorzuführen. Dabei ist mitzuteilen, 62 daß die Betrachtung von einem Bezugssystem außerhalb unseres Planetensystems erfolgt. Versuch , Mit der kleinen Haftleuchte wird ein divergentes Lichtbündel über die Hafttafel gerichtet. Etwa 500 mm von der Lichtquelle entfernt schlägt man einen Kreis von 200 mm Radius, wobei das Zentrum des Kreises in der Mitte des Lichtbündels Abb. 2.1.7./1 Strahlenverlauf bei der Entstehung der Sonnen- und Mondfinsternis liegt. Im Kreismittelpunkt wird die große Halbkugel als „Erde" geheftet, die kleine Halbkugel wird als „Mond" auf der Kreisbahn um die „Erde" geführt. Für die Fälle, daß „Erde" und „Mond" in Konjuktion bzw. Opposition zur „Sonne", der Lichtquelle, stehen, treten die entsprechenden Finsternisse ein (Abb. 2.1.7./1). 2.1.8. Nachweis der geradlinigen Ausbreitung des Lichtes und Erzeugung von Bildern mit Hilfe einer Lochkamera $ Zu Variante a # 1. Sechskantschiene (0,5 m) 6. Irisblende 2. Optikleuchte 7. transparenter Schirm 3. 2 große Klemmreiter 8. Transparentobjekt 4. kleiner Klemmreiter 9. feine Lochblenden (gerahmt; 50 mm X 50 mm) 5. Blendscheibe mit Schiebeschacht (s) (siehe 1.3.1.) Zu Variante b £ Geräte 1., 3. bis 5., außerdem 10. Glühlampe mit großflächig aufgespannter Wendel (40 W bis 60 W) 11. Blendscheibe mit Lampenfassung © (siehe 1.3.1.) 12. Glas oder Folie mit feinem Hindernis (gerahmt; 50 mmx 50 mm) (D (siehe 1.3.1.) Zu Variante c [SE] 13. Lochkamera ® (siehe 1.3.4.) Methodische Hinweise - 1. Vergleiche MB 2.0.1.! 2. Die Varianten a und b gestatten die übliche Demonstration der Lochkamera, aber auch ihrer Umkehrung, der „negativen" Lochkamera. Sie sind in ihrer gemeinsamen Demonstration sehr lehrreich. 63 V 2.1.8. 3. Mit einer selbstgebauten Lochkamera können unterschiedliche Versuche als Hausexperimente durchgeführt .werden. Variante a: Benutzen einer OptiJcleuchte Nach Abbildung 2.1.8./la werden die Optikleuchte, die Irisblende und der transparente Schirm auf einer kleinen Schiene zur optischen Bank montiert. In den Schiebeschacht der Leuchte bringt man das Transparentobjekt. Auf dem Schirm beobachtet man ein umgekehrtes, reelles Bild des Objektes. Die Schärfe des Loch- Abb. 2.1.8./1 Anordnungen zur Beobachtung der Lochkamerawirkung (a) und zur Vorführung einer „negativen Lochkamera" (b) kamerabildes ist in weiten Grenzen durch die Öffnung der Irisblende bestimmt. Ändert man die Entfernung des Schirms zur Irisblende, so verkleinert sich das Bild beim Nähern und vergrößert sich beim Entfernen. Der Versuch kann dahingehend abgewandelt werden, daß man die Irisblende gegen eine Blendscheibe mit Schiebeschacht auswechselt und feine Blenden unterschiedlichen Durchmessers und unterschiedlicher Form einbringt. Man kann dann leicht zeigen, daß die Abbildung in einer Lochkamera von der Form des Loches unabhängig ist. Variante b: Benutzen einer Glühlampe Im Versuch nach Variante, a ersetzt man die Optikleuchte durch eine Glühlampe mit möglichst großflächig kufgespannter Glühwendel und die Lochblende durch ein kleines, undurchsichtiges Hindernis (Tuschefleck auf einer durchsichtigen Folie). Die Versuchsanordnung zeigt Abbildung 2.1.8./Ib. Man beobachtet dann auf dem Schirm einen umgekehrten Schatten der Glühwendel. Deshalb wird diese Anordnung auch negative" Lochkamera genannt. Variante c: Benutzen einer selbstgebauten Lochkamera Die selbstgebaute Lochkamera (Abb. 1.3.4./1) wird möglichst so gestaltet, daß die Lochblenden auswechselbar sind und die Kameralänge verändert werden kann. Als Hausexperimente lassen sich dann Untersuchungen der Abhängigkeit der Bildqualität von der Größe und Form der Blende sowie der Abhängigkeit der Bildgröße von der Kameralänge durchführen. Als selbsfrleuchtendes Objekt dient am besten eine Kerzenflamme. 64 V 2.1.9. # 2.1.9. Fotografieren mit Hilfe einer Lochkamera [SE] 1. Fotografische Kamera mit auswechselbarer Optik 2. Loehblenden aus schwarzem Kartonpapier (s) (siehe 1.3.1.) 3. Belichtungsmesser 4. Potofilm Methodische Hinweise 1. Lochkameras, wie sie im V 2.1.6. beschrieben worden sind, eignen sich nicht zur fotografischen Aufnahme des Kamerabildes, weil die Befestigung und die lichtdichte Unterbringung eines Fotofilms anstelle der Mattscheibe nicht ohne weiteres möglich sind. 2. Fotografische Aufnahmen mit der Lochkamera sind sehr reizvoll. Da die Vorbereitung und Durchführung jedoch recht zeitaufwendig sind, eignet sich dieser Versuch vornehmlich für die außerunterrichtliche Arbeit oder als Hausexperiment. Versuch Man verwendet als Lochkamera eine fotografische Kamera mit auswechselbarem Objektiv, indem man das Objektiv durch eine Lochblende ersetzt. Diese stellt man selbst her, indem man in eine Scheibe aus schwarzem Kartonpapier mit einer glühenden Nadel ein feines Loch sticht. Die so erhaltene Blende befestigt man an einem Zwischenring. Der Film wird wie üblich eingelegt. Da die Belichtungszeiten einige Sekunden bis Minuten betragen, muß die Kamera auf einem Stativ befestigt werden. Man muß die Belichtungszeiten überschläglich bestimmen. Dazu muß man die relative Blendenöffnung als Quotienten des Öffnungsdurchmessers der Blende und der Entfernung der Blende vom Film ermitteln. Der reziproke Wert der relativen Blendenöffnung ist die Blendenzahl. Die Belichtungszeit entnimmt man dann einer Belichtungstabelle. Ist beispielsweise der Lochdurchmesser 0,8 mm und beträgt der Abstand der 90 Lochblende zum Film 90 mm, so ist die Blendenzahl — ^ 113. Die Belichtungszeit beträgt dann etwa 12 s. ' Bemerkungen 1. Am besten eignet sich eine 6 cm x 6 cm-Kamera mit auswechselbarem Objektiv. Bei einer Kleinbildkamera ist das Filmformat etwas klein; jedoch ist sie beim Benutzen eines kleineren Lochdurchmessers durchaus verwendbar. 2. Sehr gut sind 9 cm X 12 cm-Plattenkameras geeignet, bei denen man das Objektiv herausschrauben kann. 3. Die Beugung macht sich bei Lochdurchmessern über 0,2 mm im allgemeinen noch nicht bemerkbar. 5 [022147J 65 # V 2.2.1. 2.2. Reflexion des Lichtes am ebenen Spiegel 2.2.1. Demonstration der Reflexion des Lichtes an Spiegeln und matten Flächen (1 [SE] Zu Variante a 1. Manipermtafel 2. 3 Haftleuchten 3. kleine Haftleuchte 4. Spiegelstreifen 5. Glas- und Mattglasstreifen ® (siehe 1.3.2.) 1 magnetisch 6. Metall- und Kartonstreifen (f) J haftend Zu Variante b [SE] 7. Heftleuchte 8. Einspalt-, Dreispaltblende 9. Spiegelkombination 10. weiße Unterlage Methodische Hinweise 1. Vergleiche MB 2.0.2.! 2. Die Versuche eignen sich zur Einführung in die Behandlung der Reflexion des Lichtes. Variante a, Versuch 1 Man befestigt nebeneinander in großem Abstand drei Haftleuchten so an der Manipermtafel, daß ihre Lichtspuren schräg über die Tafel streifen. Dann reflektiert man die Lichtspuren durch einen Spiegelstreifen, einen Glasstreifen und einen Streifen aus weißem Karton. Man kann nebeneinander die vollständige und teilweise reguläre und diffuse Reflexion beobachten (Abb. 2.2.1./1). Weitere Beobachtungsreihen ergeben sich beispielsweise bei Verwendung von Spiegel, polierter Metallfläche und Glas sowie Spiegel, Mattglas und weißem Karton. ü Abb. 2.2.1./1 Zur Demonstration des Strahlenverlaufes bei der Reflexion am ebenen Spiegel an Körpern unterschiedlichen Reflexionsvermögens 66 __V 2,2.2. # Variante a, Versuch 2 In einer völlig anders gestalteten Versuchsreihe kann der Erhalt der Bündelstruktur bei der regulären Reflexion an einem Spiegel gezeigt werden. Dazu bringt man die drei Haftleuchten dicht zusammen und ordnet sie so, daß einmal ihre Lichtspuren leicht divergent, dann parallel und schließlich leicht konvergent Abb. 2.2.1./2 Reflexion am ebenen Spiegel bei divergentem, parallelem oder konvergentem Lichteinfall verlaufen. Bringt man jeweils den ebenen Spiegelstreifen in den Strahlengang, kann man feststellen, daß divergente Strahlen divergent, parallele Strahlen parallel zueinander und konvergente Strahlen konvergent reflektiert werden (Abb. 2.2.1./2). Bei Verwendung der kleinen Haftleuchte kann auch die Reflexion eines vollen divergenten Lichtbündels gezeigt werden. ■ Variante b Mit der Heftleuchte wird eine schmale Lichtspur erzeugt und ihre Reflexion an der spiegelnden und matten Seite der Spiegelkombination untersucht. Nach Entfernen der Blende erzeugt man ein volles Lichtbündel, das man je nach Stellung der Lichtquelle parallel, divergent oder konvergent gestaltet und dessen Reflexion an der spiegelnden Seite der Spiegelkombination untersucht wird. 2.2.2. Herleitung bzw. Bestätigung des Reflexionsgesetzes 3 Zu Variante a 3 1. Manipermtafel 2. Haftleuchte 3. ebener Spiegelstreifen 4. Papierscheibe mit Kreisteilung 5. Manäpermkerne Zu Variante c tSE] Gerät 10., außerdem 11. Holz- oder Wellpappunterlage 12. Winkelmesser Zu Variante b [SE] 3 6. Heftleuchte 7. Einspaltblende 8. Spiegelkombination 9. Kreisscheibe mit Winkelteilung 10. weiße Kartonunterlage 13. Stecknadeln 14. Spiegelstreifen 15. Knetmasse 5* 67 # V 2.2.2. Methodische Hinweise 1. Vergleiche 2.0.2.! 2. Die Schülerexperimente, Varianten b und c, zur Herleitung oder Bestätigung des Reflexionsgesetzes sind sehr einfach und liefern bei sorgfältiger Arbeit sehr überzeugende Ergebnisse. Die Variante c eignet sich bei Verwendung eines Taschenspiegels auch als Hausexperiment. Variante a An der Hafttafel befestigt man die Kreisteilung mit einigen Manipermkernen. Der Spiegelstreifen wird genau über der Mitte der Kreisteilung in waagerechter Stellung angeordnet, daß er in Richtung der 90°-Markierungen der Kreisteilung Abb. 2.2.2./1 Versuchsanordnung zum Nachweis des Reflexionsgesetzes mit der Haftoptik Abb. 2.2.2./2 .Versuchsanordnung zum Nachweis des Reflexionsgesetzes mit der Haftoptik verläuft. Die Lichtspur einer Haftleuchte richtet man auf den Spiegel, wobei der Auftreffpunkt genau im Zentrum der Kreisteilung liegen muß (Abb. 2.2.2./1). Einfallswinkel « und Reflexionswinkel (siehe 1.3.1.) Die Demonstration der Lichtleitung mit Hilfe eines Faserbündels eröffnet gute Möglichkeiten zur Wiederholung der Kenntnisse über die Totalreflexion und erlaubt Hinweise über die technische Anwendung in der Medizin, in der Technik und im Militärwesen. Versuch Auf der optischen Bank werden die Optikleuchte und der Dreifachkondensor (aus den beiden Sammellinsen mit je 120 mm Brennweite und der dritten Linse von 50 mm Brennweite) aufgebaut. Eine Blendscheibe mit Schiebeschacht wird so längs der optischen Achse verschoben, daß der Konvergenzpunkt des Licht- Abb. 2.4.5./1 Versuchsanordnung zur Demonstration .der Wirkungsweise eines Lichtleiters 92 V 2.5.1 # bündels in der Ebene der Blendscheibe liegt. Zur Einstellhilfe kann man Transparentpapier benutzen. Der Lichtleiter, den man als Meterware gekauft oder aus einem Bündel von 30 bis 50 Stücken Kunststoffangelschnur nach 1.3.1. selbst hergestellt hat (Abb. 1.3.1./15), wird mit den Blendscheiben auf zwei großen Klemmreitern befestigt (Abb. 2.4.5./1). Erforderlichenfalls muß die Lampe nachjustiert werden, so daß der Lichtleiter genau von den konvergenten Strahlen getroffen wird. Dann kann man das Licht durch Verbiegen des Lichtleiters in jede gewünschte Richtung lenken. Einen langen Lichtleiter kann man sogar verknoten. Die Lichtleitung erkennt man an dem Lichtfleck, der auf einem kleinen transparenten Schirm dicht hinter der Stirnseite des Faserbündels erzeugt wird. Bemerkung Bei Verwendung eines geordneten Faserbündels gelingt über den Lichtleiter auch eine Bildübertragung.. 2.5. Durchgang des Lichtes durch planparallele Platten und Prismen 2.5.1. Demonstration der Parallel Verschiebung des Lichtes an einer planparallelen Platte Zu Variante a 3 1. Tageslichtsehreibprojektor 2. Pappblende mit breitem Spalt (§) (siehe 1,3.3.) 3. dicke planparallele Glasplatte oder Piacrylstreifen 4. Unterlegklötze, klein Zu Variante b 5. großer Glastrog (Aquarium, notfalls großes Kühlschrankgefäß) Methodische Hinweise 1. Es ist für das Verständnis der optischen Vorgänge bei der Parallel Verschiebung des Lichtes an einer planparallelen Platte wertvoll, neben einem Versuch zur Demonstration des Strahlenverlaufes (V 2.5.2.) den Schülern einen subjektiven Eindruck von der Verschiebung zu vermitteln. 2. Durch die Verwendung des Tageslichtschreibprojektors kann die Erscheinung der Parallelverschiebung des Lichtes beim Durchgang durch eine planparallele Platte überzeugend vorgeführt werden. Die Projektionsoptik ersetzt dabei etwa das menschliche Auge und macht die Beobachtung gleichzeitig einem großen Schülerkreis sichtbar. Variante a Auf die Projektionsfläche wird eine große Pappblende mit dem etwa 5 mm breiten und 150 mm langen, in der Mitte angeordneten Spalt gelegt, der scharf als waagerechter Lichtstreifen auf der Projektionswand erheblich vergrößert abgebildet wird. 93 # V 2.5.1. Die Mitte des Spaltes deckt man durch die planparallele Glasplatte oder den Piacrylstreifen ab. Am Projektionsbild hat sich bis auf die Markierung der Begrenzung der planparallelen Platte nichts geändert. Hebt man die Glasplatte einseitig an, so ist im Projektionsbild eine um so größere Versetzung der Mitte des Spaltbildes zu beobachten, je stärker die Platte angehoben wird. Durch Unterlegen von Holzklötzchen kann die Platte in der Schräglage fixiert werden. Variante b Ein vertikal stehender Stativstab wird durch einen möglichst in Augenhöhe des Beobachters angebrachten, wassergefüllten und schräg zur Beobachtungsrichtung gestellten Trog betrachtet (Abb. 2.5.1./1). Abb. 2.5.1./I Versuchsanordnung zur Beobachtung der Parallelverschiebung an einem wassergefüllten Trog Es empfiehlt sich, die Versuchsanordnung bei der Lehrerdemonstration etwa auf ein Brett zu stellen und dieses langsam auf dem Tisch zu drehen. Dadurch wird für alle Schüler nacheinander die günstigste Blickrichtung hergestellt, ohne daß sie die Plätze verlassen müssen. 2.5.2. Demonstration des Strahlenverlaufes an einer planparallelen Platte 3 Zu Variante a (J 1. Manipermtafel 2. Haftleuchte 3. Platte, planparallel Methodischer Hinweis Die vorgeschlagenen Varianten lassen Verbindungen zum Mathematikunterricht zu. Nach erfolgter Fixierung des Strahlen verlauf es an der Tafel oder im Heft kann eine Überprüfung durch Parallelverschiebung erfolgen. Variante a Längs einer Hafttafel erzeugt man mit einer Haftleuchte eine lange Lichtspur. Senkrecht zur Lichtspur bringt man die planparallele Platte in den Strahlengang. Das Licht verläuft ohne Parallelverschiebung durch die Platte. Wird die Platte gedreht, kann man mit zunehmendem Einfallswinkel eine immer größer werdende Zu Variante b ISE] 3 4. Heftleuchte 5. Einspaltblende 6. Flachglaskörper, planparallel, oder Küvette 7. weiße Unterlage fco ° Abb. 2.5.2./1 Versuch zur Demonstration des Strahlenverlaufes bei der Parallelverschiebung des Lichtes an einer planparallelen Platte Parallelverschiebung des austretenden Lichtbündels erkennen (Abb. 2.5.2./1). Die Lichtspuren können nachgezeichnet und ihre Parallelität kann geprüft werden. Variante b Der Versuch wird mit den Mitteln der Schülerexperimentiergeräte analog zur Variante a durchgeführt. Anstelle des planparallelen Flachglaskörpers kann auch eine mit Wasser gefüllte Küvette in den Strahlengang gebracht werden. 2.5.3. Demonstration des Strahlenverlaufes durch ein Prisma Zu Variante a 3 1. Manipermtafel 2. 2 Haftleuchten 3. Prismenkörper, 90° 4. Prismenkörper, gleichseitig ® (siehe 1.3.4.) Zu Variante b [SE] 3 5. Heftleuchte 6. Einspart-, Zweispaltblende ® (siehe 1.3.1.) 7. Flachglaskörper, rechtwinklig, gleichschenklig 8. Prisma, gleichseitig 9. Kreisscheibe mit Winkelteilung 10. weiße Unterlage Zu Variante c [SE] Geräte 8. und 10., außerdem 11. Holz- bzw. Wellpappunterlage 12. Stecknadeln 12. Zirkel Methodische Hinweise 1. Vergleiche MB 2.0.5.! 2. Es empfiehlt sich, zum besseren Verständnis der zweimaligen Brechung des Lichtes beim Durchgang durch ein Prisma und zur Einstellung auf das Minimum der Ablenkung bei symmetrischem Strahlengang mit dem gleichseitigen Prisma zu arbeiten. 95 Variante a: Versuck mit Geräten zur Haßoptik Der gleichseitige Glaskörper wird so an der Hafttafel befestigt, daß seine Basis waagerecht liegt. Die Lichtspur einer Haftleuchte wird auf eine brechende Fläche gerichtet. Die zweimalige Brechung der Lichtspur um die Basis beim Durchgang durch den prismatischen Glaskörper wird beobachtet. Der Versuch gelingt auch bei Verwendung des Prismenkörpers, 90° (Abb. 2.5.3./la). Eine Änderung des Einfallswinkels durch Versetzen der Haftleuchte führt zu einer Änderung der Lage des zweimal gebrochenen Strahles. Dreht man bei waagerecht liegender Lichtspur den gleichseitigen Glaskörper langsam um seine eigene Achse, kann man eine Stellung finden, bei der die Ablenkung ein Minimum ist (Abb. 2.5.3./lb). a Abb. 2.5.3./1 Strahlenverlauf beim Durchgang des Lichtes durch ein Prisma (a) und bei symmetrischem Durchgang durch ein gleichseitiges Prisma (b und c) El -h Man zeigt, daß dies bei symmetrischem Strahlengang der Fall ist. Dazu richtet man die Lichtspur einer zweiten Haftleuchte parallel zur ersten auf die Basisfläche des Prismas. Das reflektierte Licht verläuft parallel zum zweimal gebrochenen Lichtbündel (Abb. 2.5.3./1 c). Will man zeigen, daß die Ablenkung außer vom Einfallswinkel auch vom brechenden Winkel des Prismas abhängt, bringt man (nacheinander) das 45°-Prisma und das 60°-Prisma bei gleichem Einfallswinkel von 45° in den Strahlenverlauf der Lichtspur und vergleicht die Ergebnisse miteinander. Variante b: Versuch mit Geräten zur Heftoptik Die Variante b kann in gleicher Weise wie die Variante a durchgeführt werden. Eine mögliche Weiterführung ist die experimentelle Ermittlung der Abhängigkeit des Ablenkungswinkels 6 vom Einfallswinkel tx. Dazu legt man das 45°- oder das 60°-Prisma mit der brechenden Kante genau auf den Mittelpunkt der Winkelteilung der Kreisscheibe und mit der brechenden Fläche längs der 90°-Markierung. Die Lichtspur der Heftleuchte richtet man so auf die brechende Kante, daß sie 96 25- 30~- 35 r 1! Abb. 2.S.3./3 Grafische Darstellung der Abhängigkeit des Ablenkungswinkels vom Einfallswinkel für ein 45°- und ein 60°-Prisma 0 10 20 30 Min. UO 50 Min. 60 cc In Grad zum Teil das Prisma durchsetzt und zum Teil an ihm vorbeistreift (Abb. 2.S.3./2). Dadurch kann man auf der Winkelteilung sofort den Einfallswinkel oc und durch Differenzbildung den Ablenkungswinkel d ermitteln. Gemessene Werte für unterschiedliche Einfallswinkel an beiden Prismen sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt. Gleichzeitig ist die Abhängigkeit der Ablenkung vom Einfallswinkel grafisch dargestellt (Abb. 2.S.3./3). Beispiel einer Meßreihe i 45 "-Prisma 60 "-Prisma Einfallswinkel a Ablenkungswinkel 6 Einfallswinkel a Ablenkungswinkel 6 in Grad in Grad in Grad in Grad 10 34 35 47 15 32 40 42 20 29 45 41 25 27 50 40^-Min. 30 26<-Min. 55 41 35 27 60 42 40 28 65 * 44 Variante c: Stecknadelversuch Auf die Holz- bzw. Wellpappunterlage wird ein Bogen Zeichenkarton gelegt. Darauf werden die Umrisse des 60°-Prismas gezeichnet. Um die brechende Kante wird ein Kreisbogen geschlagen, der die brechenden Flächen schneidet (Abb. Abb. 2.5.3-/4 Versuchsanordnung zur Untersuchung des Strahlenverlaufes am Prisma durch einen Stecknadelversuch. Zur Festlegung der Einstichpunkte (a); Versuchsdurchführung (b) ? 7 [022147] 97 e V 2.5.3. 2.5.3./4a). Nach Auflegen des Prismas werden in diese Schnittpunkte zwei Stecknadeln eingestochen. Diese werden von beiden Seiten her so anvisiert, daß sie mit einer weiteren, vor dem Prisma eingestochenen Stecknadel in Flucht erscheinen (Abb. 2.5.3./4b). Nach Entfernen des Prismas verbindet man die Einstichpunkte und die Schnittpunkte mit der Umrißzeichnung zur vollständigen Darstellung des Strahlenverlaufes. Die Verlängerungen des einfallenden und des zweimal gebrochenen Strahles liefern den Ablenkungswinkel ö. Mißt man ihn und den brechenden Winkel % des Prismas, kann man die Brechungszahl des Prismenglases, da ein symmetrischer Strahlengang vorliegt, mit der Beziehung 2.5.4. Demonstration der Totalreflexion an einem gleichschenkligrechtwinkligen Prisma 3 1. Tageslichtschreibprojektor 2. rechtwinklig-gleichschenkliges Glasprisma, möglichst groß 3. Spiegelstück von der Größe der Hypothenusenfläche des Prismas (§) (siehe 1.3.3.) 4. Papphalterung zum Aufstellen des Spiegels (s) (siehe 1.3.3.) Methodischer Hinweis Der Versuch gestattet den Vergleich der Totalreflexion an der Hypothenusenfläche eines rechtwinklig-gleichschenkligen Prismas mit der Reflexion am ebenen Spiegel und wirkt dadurch sehr überzeugend. sin % + ö 2 n sin- ermitteln. Spiegel Prisma Abb. 2.5.4./1 Versuchsanordnung zum Vergleich der Totalreflexion an einom Prisma mit der Eeflexion am ebenen Spiegel 98 V 2.5.5. # Versuch Die Projektionsfläche eines Tageslichtschreibprojektors wird scharf auf der Projektionswand abgebildet. Nunmehr werden nacheinander ein rechtwinklig-gleichschenkliges Glasprisma mit einer Kathetenfläche und ein mit einer Papp-halterung um 45° geneigter Spiegel auf die Projektionsfläche des Tageslichtschreibprojektors gelegt (Abb. 2.5.4./1). Das von der Hypothenusenfläche des Prismas und das vom Spiegel reflektierte Licht erscheint jeweils als Lichtfleck unter dem Projektionsbild, in dem Prisma und Spiegel als dunkle Flecken scharf abgebildet werden. Bemerkung Legt man vorher auf die Projektionsfläche des Tageslichtschreibprojektors eine durchsichtige Folie, so kann man sie mit Hinweisen zum Versuch beschriften oder den Strahlenverlauf skizzieren. 2.5.5. Demonstration des Strahlenverlaufes bei der Totalreflexion am gleichschenklig-rechtwinkligen Prisma (J 1. Manipermtafel 3. Prisma, 90° 2. 2 Haftleuchten 4. Farbfilter Methodischer Hinweis Da in den Versuchen zur Demonstration des Strahlenverlaufes bei der Totalreflexion am Prisma nicht nur die Ablenkung, sondern auch die Lage der Strahlen zueinander, z.B. für die Anwendung als Umkehrprisma, von Bedeutung ist, empfiehlt es sich, eine der beiden Lichtspuren leicht zu färben. Versuch Mit zwei Haftleuchten erzeugt man zwei parallele Lichtspuren. Durch Einbringen des Farbfilters kann eine der beiden Spuren gefärbt werden. Die Lichtspuren Abb. 2.5.5./1 Strahlenverlauf des Lichtes beim Durchgang durch ein rechtwinklig, gleichschenkliges Prisma mit einmaliger Totalreflexion (a), zweimaliger Totalreflexion (b) und zweimaliger Brechung und Totalreflexion (c), dazu die Stellungen (d und e), die den Übergang von der Totalreflexion zur Brechung kennzeichnen w 7* 99 # V 2.5.5.__ treffen auf das Prisma und werden je nach dem Auftreffen senkrecht auf eine Katheten- bzw. Hypothenusenflache ein- bzw. zweimal totalreflektiert. oder bei Lichteinfall, parallel zur Hypothenuse zweimal gebrochen und einmal totalreflektiert (Abb. 2.5.5./la bis c). Der Versuch läßt sich so abwandeln, daß man den Übergang von der Totalreflexion zur Brechung vorführen kann. Wenn man für die beiden Fälle des senkrechten Lichteinfalls auf die Katheten- bzw. Hypothenusenf lache das Prisma leicht dreht, kann dieser Übergang sichtbar gemacht werden (Abb. 2.5.5./ld und e). Bemerkung Mit den Mitteln der Schülerexperimentiergeräte (Zweispaltblende aus dem Selbstbau) läßt sich der Versuch als Schülerexperiment durchführen. 100 I 3. Durchgang des Lichtes durch Linsen sowie Bau und Wirkungsweise optischer Geräte « 3.0. Methodische Bemerkungen Die in diesem Kapitel angegebenen Versuche machen die Schüler mit wichtigen Anwendungen der Brechung des Lichtes und der Abbildung durch Linsen, den Abbildungsfehlern und den vielen Möglichkeiten der Kombination von unterschiedlichen Linsen und der Kombination von Linsen und Spiegeln in optischen Geräten vertraut. Die Versuche zu den optischen Geräten erstrecken sich vom Projektor für durchsichtige und undurchsichtige Bilder über die fotografische Kamera bis zu den Geräten für die Nah- und Fernbeobachtung, den Mikroskopen, Fernrohren und Teleskopen sowie den Spektralapparaten. Eingeschoben sind Versuche zum Verständnis der optischen Vorgänge im menschlichen Auge und, wegen der besonderen Bedeutung für alle optischen Geräte für subjektive Beobachtung, auch Versuche zur Lupe. Besonders betont werden sollte, daß ein großer Teil der Versuche auch als Schülerexperimente geeignet sind, so daß sich viele Möglichkeiten eröffnen, wichtige Kenntnisse über Linsen und optische Geräte unter Ausnutzung der erzieherischen Vorteile der aktiven experimentellen Schülertätigkeiten zu gewinnen. .Die Versuchsbeschreibungen zu den optischen Geräten in den Abschnitten 3.3. und 3.4. sind so angelegt, daß die Erarbeitung von Bau und Wirkungsweise in einer entwickelnden methodischen Schrittfolge vorgeschlagen wird. Ausgangspunkt ist stets die wesentliche optische Funktion des Gerätes in ihrer einfachsten Lösung. Durch Hinzufügen weiterer optischer Bauteile entsteht schließlich ein leistungsfähiges optisches Gerät. Der Lehrer muß natürlich im Unterricht nicht alle Einzelschritte gehen, sondern kann seiner Zielsetzung entsprechend bestimmte Schritte auswählen. Wenn es gilt, das analytische Denken der Schüler besonders zu entwickeln, kann man die Reihenfolge auch umkehren, vom fertigen komplexen Gerät ausgehen und unter Fortlassung von Einzelteilen bis zum einfachen physikalischen Prinzip vorstoßen. Die vorgeschlagenen Wege sollen dem Lehrer Möglichkeiten eröffnen und eine breite Auswahl anbieten, keinesfalls aber sein schöpferisches Arbeiten einengen. 3.0.1. Zur Demonstration des Lichtdurchganges durch Linsen erfolgt im V 3.1.1. ein Übergang des Strahlenverlaufes in Prismen zum Strahlen verlauf in Linsen. Neben der zweidimensionalen Darstellung mit den Hilfsmitteln der ebenen geometrischen Optik wird die Sichtbarmachung des, räumlichen Lichtbündels hinter der Linse in einem getrübten Mittel vorgeschlagen. Die SammelWirkung von Linsen wird immer wieder eindrucksvoll mit den auch als Freihandversuchen vorführbaren Versuchen nach V 3.1.2. demonstriert. Die Vorführung der Wärme- 101 m_WM. Wirkung im Brennpunkt ist für die Schüler stets sehr überzeugend. Dabei läßt sich auch zeigen, daß die Lage des Brennpunktes von der Linsenkrümmung abhängt, eine Erkenntnis, die auch aus V 3.1.3. zu gewinnen ist. Man sollte nicht versäumen, den Einfluß der Umgebung auf die Linsenwirkung zu demonstrieren, denn die zerstreuende Wirkung einer bikonvexen Luftlinse in Wasser, wie im V 3.1.4. beschrieben, verblüfft immer wieder. Parallelen zum V 2.3.2. können nach V 3.1.5. bei der Untersuchung der Brechung von Parallel-, Brennpunkt- und Mittelpunktstrahlen an Sammel- und Zerstreuungslinsen hergestellt werden. Bei der Beobachtung der reellen Abbildung eines Punktes durch eine Sammellinse im V 3.1.6., der Erzeugung reeller Bilder durc,h Sammellinsen nach V 3.1.7. sowie der Herleitung oder Bestätigung der Linsengleichung und der Gleichung für den Abbildungsmaßstab nach V 3.1.8. sollten unbedingt Vergleiche zu den äquivalenten Erscheinungen am Hohlspiegel angestellt werden. Zur anschaulichen Gegenüberstellung empfiehlt sich, parallel zu den genannten Versuchen die entsprechenden Versuche nach V 2.3.3. bis 2,3.5. vorzuführen. Der Versuch 3.1.8. enthält eine interessante Variante zur Herleitung der Linsengleichung in der Newtonschen Eorm. Im Unterricht kommt oft die Behandlung der virtuellen Bilder an Linsen etwas zu kurz. Abhilfe sollen die unter V 3.1.9. und 3.1.10. vorgeschlagenen Versuche schaffen. V 3.1.9. bringt einen interessanten Vergleich der virtuellen Bilder von Sammel- und Zerstreuungslinse, bei dem das Objektiv eines Tageslichtschreib-projektors das menschliche Auge ersetzt und gewissermaßen durch die Linsen „blickt" und in der Projektion ein „Netzhautbild" erzeugt. Die Beobachtung und Ausmessung der virtuellen Bilder an Sammel- und Zerstreuungslinsen läßt sich mit Hilfe einer geschickt ausgedachten Versuchsanordnung ermöglichen und bietet erneut Möglichkeiten, die Linsengleichung experimentell zu bestätigen. V 3.1.11. und 3.1.12. dienen der Bestimmung der Brennweite von Sammel-und Zerstreuungslinsen, wobei jeweils mehrere Varianten angegeben werden. Besonders die Variante d liefert schnell und sicher und ohne Rechnung die Brennweite einer Sammellinse oder eines sammelnden Linsensystems. 3.0.2. Mit den Versuchsbeschreibungen im Abschnitt 3.2. sollen neben der Gesamtheit der Abbildungsfehler besonders die chromatische und sphärische Aberration, der Astigmatismus schiefer Bündel, die Koma, die Bildfeldwölbung und die tonnen- bzw. kissenförmige Verzeichnung bei falscher Pupillenlage behandelt werden. Es sind keine Versuche angegeben, die sich auf die Beseitigung von Abbildungsfehlern beziehen. Man muß sich in der Schule damit begnügen, die Ursachen für die Abbildungsfehler aufzudecken. Ihre Beseitigung setzt weitgehende technische Spezialkenntnisse voraus, die über den Rahmen der Schule hinausgehen. Es ist versucht worden, in den wiedergegebenen Versuchsvorschlägen mit einer möglichst geringen Anzahl von Linsen auszukommen. Als besonders brauchbar für diese Versuche hat sich eine Plankonvexlinse mit einer Brennweite von 120 mm erwiesen. In einigen Fällen muß man aus dem vorhandenen Linsenvorrat diejenige Linse aussuchen, die den betreffenden Abbildungsfehler am stärksten hervortreten läßt. Man sollte mit dem Versuch 3.2.1. beginnen, um die hauptsächlichen Abbildungsfehler in ihrer Gesamtheit und ihrem Zusammenwirken zu demonstrieren und die Behandlung der Abbildungsfehler damit auch *zu motivieren. Die zu beobachtenden Erscheinungen sind sehr eindrucksvoll und farbenprächtig. Sie 102 3.0.3. # können besonders deutlich unter Verwendung des Eresneldoppelkondensors eines Tageslichtschreibprojektors vorgeführt werden. Sehr einfach läßt sich die chromatische Aberration nachweisen. Die Versuche 3.2.2. und 3.2.3. zeigen diese Erscheinung deutlich — auch bei Verwendung dünner Linsen —, während V 3.2.4. die Entstehung der chromatischen Aberration aus dem Strahlengang verständlich macht. Verhältnismäßig einfach ist auch die sphärische Aberration zu veranschaulichen. Die Erscheinung wird mit V 3.2.5. beobachtet, der Strahlenverlauf aber mit V 3.2.6. deutlich gemacht. Weit schwieriger ist die Behandlung und Vorführung des Astigmatismus. Als einführender Versuch empfiehlt sich eine Anordnung nach V 3.2.7., wobei der Astigmatismus in einem mit Trübungsmittel versetzten Medium gezeigt wird. Man beschränkt sich dabei auf die Strahlen in der meridionalen Ebene, die durch die Achse des schiefen Strahlenbündels und durch die optische Achse der Linse festgelegt ist, und auf die Strahlen in der sagittalen Ebene, die die Achse des schiefen Strahlenbündels enthält und auf der meridionalen Ebene senkrecht steht. Die Strahlen werden in beiden Ebenen an verschiedenen Stellen gesammelt, und zwar in der meridionalen Ebene näher an der Linse als in der sagittalen Ebene. Demgegenüber zeigt eine Variante von V 3.2.7. die astigmatischen Bilder einer Lochblende. Ihr Bild erscheint in der Meridionalebene als ein in dieser liegender Strich und in der Sagittalebene als ein in der Sagittalebene liegender Strich. Dazwischen lassen sich als Übergangsformen des astigmatischen Lochblendenbildes Ellipsen in der meridionalen und in der sagittalen Ebene nachweisen, zwischen denen als Grenzfall ein Kreis liegt. Auch der Versuch 3.2.8. zur astigmatischen Abbildung eines Kreuzgitters zeigt diese Zusammenhänge sehr überzeugend. " Im engen Zusammenhang mit dem Astigmatismus steht auch die Koma. Durch Randstrahlen erzeugte Komafiguren werden nach V 3.2.9. vorgeführt. Die Entstehung der Koma weist man mit einem Versuch nach V 3.2.10. mit den Mitteln der Haft- und der Heftoptik nach. Die Versuche 3.2.11. zur Bildfeldwölbung und 3.2.12. zur Demonstration der tonnen- und kissenförmigen Verzeichnung bei falscher Pupillenlage schließen den Abschnitt über die Abbildungsfehler ab. Beide Erscheinungen sind leicht mit Hilfe des Astigmatismus zu erklären. Eine gewisse Schwierigkeit besteht bei der Behandlung der Abbildungsfehler darin, daß sie sich mit dem üblichen Linsenmaterial nur selten isoliert zeigen lassen. 3.0.3. Der Abschnitt 3.3. enthält Versuche zum Bau und zur Wirkungsweise eines Projektors, einer fotografischen Kamera und zum Strahlen verlauf in diesen Geräten und im menschlichen Auge. Viele Versuche zu den optischen Geräten begegnen erfahrungsgemäß großem Interesse bei den Schülern. In einer entwickelnden Schrittfolge wird in V 3.3.1. eine Versuchsreihe zum Projektor für durchsichtige Bilder (Diaskop) beschrieben. Es ist Wert darauf zu legen, daß die grundlegenden Erkenntnisse über den Projektor vertieft werden durch die Anwendung des Prinzips etwa im Tageslichtschreibprojektor oder im Vergrößerungsgerät (V 3.3.2. und 3.3.3.). Ergänzt werden die Erkenntnisse durch V 3.3.4. über Bau und Wirkungsweise eines Projektors für undurchsichtige Bilder (Episkop). Der Versuch 3.3.5. stellt Bau und Wirkungsweise einer fotografischen Kamera dar und veranschaulicht in eindrucksvoller Weise die Scharfeinstellung des Bildes 103 # 3.0.3. auf der Mattscheibe durch Verschieben des Kameraobjektives sowie das Ändern der Schärfentiefe und der Lichtmenge durch Verstellen der Blende. Der Versuch wird ergänzt durch die Vorführung des Strahlenverlaufes nach V 3.3.6. Der Versuch 3.3.7. erlaubt einen guten Einblick in die Abhängigkeit des Büdausschnittes von der Brennweite der Kameraoptik und simuliert damit in einfacher Form eine Kamera mit Weitwinkel- oder Teleobjektiv. Die restlichen Versuche dieses Abschnitts dienen der Darstellung von optischen Vorgängen im menschlichen Auge. Im Versuch 3.3.8. werden mehrere Varianten von Augen^-modellen vorgestellt, mit deren Hilfe die Funktion des menschlichen Auges simuliert werden kann. Besonders günstig davon ist die Variante a, bei der durch die Verwendung eines wassergefüllten Rundkolbens die optische Wirkung des Glaskörpers im menschlichen Auge verdeutlicht wird. Parallel zu den Versuchen mit einem Augenmodell sollte der Strahlenverlauf im menschlichen Auge nach V 3.3.9. bei Einstellung auf den Fern- und auf den Nahpunkt vorgeführt werden. Sehr instruktiv ist die Demonstration der Akkommodation der Augenlinse mit Hilfe einer selbsthergestellten akkommodatiönsfähigen Linse. Die Durchführung dieses Versuches ist in V 3.3.10. beschrieben. Die Versuche zur Optik des menschlichen Auges werden ergänzt durch V 3.3.11. und V 3.3.12., die sich mit der Demonstration der Korrektur von Augenfehlern und des bei der Korrektur auftretenden Strahlen verlauf es befassen. Die Abhängigkeit des Sehwinkels von der Gegenstandsentfernung kann mit dem Versuch 3.3.13. ermittelt werden. 3.0.4. Weil für alle optischen Geräte zur Nah- und Fernbeobachtung mit Okular die Anwendung der Lupe von größter Bedeutung ist, sind die ersten Versuche dieses Abschnitts dem Gebrauch, der Anwendung und der Vergrößerung einer Lupe gewidmet sowie dem Strahlengang in der Lupe und deren Zusammenwirken mit dem menschlichen Auge. Man versäume bei der Behandlung der Lupe nicht, die Schüler den richtigen Gebrauch einer Lupe üben zu lassen, denn es kann immer wieder festgestellt werden, daß sogar Personen, die häufig mit der Lupe arbeiten, den Abstand des Auges von der Lupe viel zu groß wählen. In den Gebrauch der Lupe kann man die Schüler durch die Freihandversuche nach V 3.4.1. einführen. Das Zusammenspiel von Lupe und menschlichem Auge wird am besten nach einer Anordnung von V 3.4.2. simuliert, gleichzeitig kann dabei die Vergrößerung einer Lupe experimentell ermittelt werden. Subjektiv bestimmt man die Vergrößerung einer Lupe nach V 3.4.3. Die Anwendung der Lupe als Diabetrachter kann im Experiment nach V 3.4.4. erprobt werden. Ahnlioh wie im Versuch 3.1.9. wird im Versuch 3.4.5. das menschliche Auge beim Gebrauch der Lupe durch das Objektiv eines Tageslichtschreibprojektors ersetzt und das „Netzhäutbild" an die Wand projiziert. Mit der Darstellung des Strahlen Verlaufs in einer Lupe nach V 3.4.6. wird die Behandlung der Lupe abgerundet. Als Geräte zur Fernbeobachtung werden in den Versuchen 3.4.7. bis 3.4.16. das Keplersche Fernrohr, das Keplersche Fernrohr mit Umkehrlinse, das Prismenfernrohr, das Galileische Fernrohr und zwei Typen von Spiegelteleskopen beschrieben. Für den Aufbau von Fernrohren und Mikroskopen eignet sich in vorzüglicher Weise die optische Bank, da sie den Lehrer des mühsamen Justierens aller optischen Bauteile enthebt. Es ist beim Aufbau vieler optischer Instrumente nicht nur auf die richtige Stellung der Linsen, sondern auch der Blenden zu achten. Meist wird eine Irisblende als Gesichtsfeldblende am Ort.des reellen Zwischenbildes genügen. Zur Unterstützung des Auges bei der Beobachtung durch ein 104 i. v 3.1.1. m ■ "■'.....■■......- Okular empfiehlt es sich stets, dicht hinter die Okularlinse in der Nähe der Austrittspupille eine Lochblende anzubringen. In den Versuchen 3.4.7., 3.4.9., 3.4,10., 3.4.13. und 3.4.15. werden auf der optischenBank die entsprechenden Fernrohr- bzw. Teleskopmodelle aufgebaut. Der Strahlenverlauf im Fernrohr bzw. im Teleskop wird in den Versuchen 3.4.8., 3.4.14. und 3.4.16. mit Hilfe der ebenen geometrischen Optik demonstriert. Instruktiv ist auch — unter Verwendung eines Augenmodells —, das Zusammenspiel von optischem Gerät und menschlichem Auge nach V 3.4.11. zu untersuchen. Versuch 3.4.12. gibt mehrere Möglichkeiten an, die Vergrößerung eines Fernrohres oder eines Fernrohrmodells zu bestimmen. In welcher Weise Bau und Funktion eines Mikroskopes wiederum in einer methodischen Schrittfolge erarbeitet werden können, ist im Versuch 3.4.17. wiedergegeben. Es empfiehlt sich, den Versuch durch die Vorführung des Strahlenganges im Mikroskop zu ergänzen. V 3.4.18. zeigt dafür eine Möglichkeit. Schließlich läßt sich nach einer Anordnung des Versuches 3.4.19. die Vergrößerung eines handelsüblichen Mikroskops in relativ einfacher Weise ermitteln. Abschließend wird im Versuch 3.4.20. Bau und Wirkungsweise eines einfachen Spektralapparates erörtert. Das fertig zusammengestellte Gerät ist so leistungsfähig, daß damit ein Großteil der Versuche der Abschnitte 4.1. und 4.2. sowohl als Lehrerexperiment als auch als Schülerexperiment durchgeführt werden kann. Der Strahlengang in einem Spektralapparat kann nach V 4.1.2. gezeigt werden, um damit die Kenntnisse über Bau und Funktion dieses Gerätes abzurunden. 3.1. Durchgang des Lichtes durch Linsen und Abbildung mit Hilfe von Linsen 3.1.1. Demonstration des Strahlenverlaufes in Linsen (|; ( Zu Variante a 3 1. Manipermtafel 2. 3 Haftleuchten 3. 2 Prismenkörper mit geringem brechendem Winkel (§) (siehe 1.3.1.) 4. Linsenkörper, bikonvex 5. Linsenkörper, bikonkav Zu Variante b [SE] 3 6. Heftleuchte 7. Zweispaltblende ® (siehe 1.3.1.) 8. Flachglaskörper, rechtwinklig, gleichschenklig 9. Flachglaskörper, bikonvex 10. Flachglaskörper, bikonkav Zu Variante c • 11. Sechskantschiene (1 m) 12. Optikleuchte 13. 4 große Klemmreiter 14. kleiner Klemmreiter 15. Blendscheibe mit Linse (/ — +120 mm) 16. Blendscheibe mit Linse (/ = 4-150 mm) 17. Blendscheibe mit Linse (/ = —200 mm) 18. großer Spiegel auf Stiel 19. Irisblende 20. großer Glastrog (Aquarium) 21. Fluoreszein oder Trübungsmittel 105 • V 3.1.1. r Zu Variante d [SM] % 22. Experimentierleuchte 23. Blendrahmen mit Linse {/ = +50 mm) 24. Blendrahmen mit Linse (/ = —100 mm) 25. Tischchen 26. Küvette 27. Trübungsmittel 28. Lochblende 29. 2 T-Füße Methodischer Hinweis Während die Varianten a und b nur den Strahlen verlauf durch Linsen in einer Ebene zeigen, kann bei den Varianten c und d das gesamte Strahlenbündel betrachtet werden. Es empfiehlt sich, mehrere Varianten miteinander zu koppeln. Variante a An der Hafttafel werden zwei oder drei parallele waagerechte Lichtspuren erzeugt. In den Strahlengang bringt man die zwei an der Basis zusammengesetzten Prismen, eventuell unter Zwischenschaltung einer passenden planparallelen Platte. Die Strahlen werden in einem Punkt gesammelt. Zum gleichen Ergebnis kommt man, wenn man die Prismen durch einen bikonvexen Linsenkörper ersetzt (Abb. 3.1.1./la und b). Zur Demonstration des Überganges von einer Prismenkombination zur Zerstreuungslinse setzt man die Prismen mit der brechenden Kante zusammen und er- Abb. 3.1.1./1 Strahlenverlauf durch zusammengesetzte Prismen (a und e) und Sammel- bzw. Zerstreuungslinsen (b und f) sowie ähnliche Versuchsreihe im Schülerexperiment (cundg) und bei Beobachtung der Diakaustik (d) r 'S 106 V 3.1.1. mittelt den Schnittpunkt der rückwärtigen Verlängerungen der gebrochenen Strahlen. Danach zeigt man, daß mit einem bikonkaven Körper die gleiche Wirkung erzielt wird (Abb. 3.1.1./le und f). • Variante b Mit der Heftleuchte und eingeschobener Zweistrahlblende werden zwei parallele Lichtspuren auf einer weißen Unterlage erzeugt. Nacheinander werden der rechtwinklige, gleichschenklige Machglaskörper, der bikonvexe (Abb. 3.1.1./lc und g) und der bikonkave Flachglaskörper in den Strahlengang gebracht. Die sammelnde bzw. zerstreuende Wirkung wird beobachtet. Für den bikonvexen und den bikonkaven Flachglaskörper wiederholt man den Versuch, indem man nach Entfernen der Zweispaltblende das volle parallele Lichtbündel nutzt (Abb. 3.1.1./ld). Beim bikonvexen Flachglaskörper,wird dabei schon die Diakaustik sichtbar. Sie läßt sich erheblich verstärken, wenn man mit einem schwach divergenten Lichtbündel arbeitet, das die ganze Linse erfaßt. Variante c Das Licht der Optikleuchte wird mit Hilfe der Kondensorlinse parallel gerichtet und gelangt so auf die Sammellinse von +150 mm Brennweite oder auf die Zerstreuungslinse von —200 mm Brennweite. Dicht hinter der jeweiligen Linse wird mit Stativmaterial der Glastrog aufgestellt, über den ein Spiegel unter 45° montiert wird. Das Lichtbündel ist in dem mit Fluoreszeinlösung versetzten Wasser im Trog sichtbar. Man blickt von oben über den Spiegel in den Trog und kann so das volle Lichtbündel erfassen (Abb. 3.1.1./2a). Je nachdem welche Linse verwendet wird, beobachtet man ein konvergentes bzw. ein divergentes Lichtbündel. Abb. 3.1.1./2 Versuchsanordnung zur Beobachtung des räumlichen Verlaufs der Lichtbündel beim Durchgang des Lichtes durch Linsen im Lehrerexperiment (a) und im Schülerexperiment (b) Variante d Einen Versuch ähnlich der Variante c kann man als Schülerexperiment durchführen, wenn man das Licht der Experimentierleuchte parallel durch die Lochblende auf eine Sammellinse von +50 mm Brennweite oder eine Zerstreuungslinse von —100 mm Brennweite richtet und dahinter im getrübten' Wasser das Lichtbündel verfolgt (Abb. 3.1.1./2b). 107 » V 3.1.2.___ | 3.1.2. Demonstration der Sammelwirkung von Linsen Zu Variante a 1. Kondensorlinse oder Leselupe 2. Seidenpapier 3. Zündhölzer Zu Variante b 3 4. Sechskantschiene (0,5 m) 5. Optikleuchte 6. 4 große Klemmreiter 7. 2 Blendscheiben mit Linse (/ = +120 mm) 8. Blendscheibe mit Linse (/ = +50 mm) 9. Blendscheibe mit Schiebeschacht 10. Thermometer (0 bis 100 °C), berußt 11. Paketgummi Zu Variante c [SE] O Gerät 10. und IL, außerdem 12. Experimentierleuchte 13. Blendrahmen mit Linse (/= +50 mm) 14. Handapparat 15. 3 T-Füße Methodische Hinweise 1. Die SammelWirkung von Linsen und die Vereinigung der Strahlen in einem Punkt sollte mit Hilfe einer der genannten Varianten vorgeführt werden, wobei der Freihandversuch nach Variante a am überzeugendsten ist und den Schülern den Begriff „Brennpunkt" sehr augenfällig verdeutlicht. 2. Eine Variante sollte im Unterricht unbedingt gezeigt werden, um zu demonstrieren, daß auch „Wärmestrahlen" genauso wie die „Lichtstrahlen" ge-' brochen werden können. Variante a: Entzünden von Seidenpapier Man läßt Sonnenlicht senkrecht auf eine große Sammellinse fallen und sucht mit einem Papierstück die engste Bündeleinschnürung. Nach kurzer Zeit entzündet sich das Seidenpapier. An die Stelle des Seidenpapiers kann man auch den Zündkopf eines Zündholzes bringen, der nach kurzer Zeit entflammt. Variante b: Erwärmen einer Thermometerkugel (Lehrerexperiment) Auf der kurzen optischen Bank werden dicht vor der Optikleuchte die Klemmreiter mit den beiden Kondensorlinsen und der Sammellinse / = +50 mm aufgestellt. Mit einem Paketgummi befestigt man das Thermometer an der Blendscheibe mit Schiebeschacht, so daß die berußte Thermometerkugebgenau in der optischen Achse zu liegen kommt (Abb. 3.1.2./la und b). Man verschiebt das Thermometer 108 V 3.1.3. # Abb. 3.1.2./1 Versuchsanordnungen zur Demonstration der Sammelwirkung von Linsen im Lehrerexperiment (a) und im Schülerexperiment (c). Befestigung des Thermometers an der Blendscheibe (b) solange längs der optischen Achse, bis die Thermometerkugel im Brennpunkt steht. Schon nach kurzer Zeit beobachtet man einen Temperaturanstieg. Variante c: Erwärmen einer Thermometerkugel (Schülerexperiment) Das konvergente Licht der Experimentierleuchte wird mit der Linse / = +50 mm in einem Punkt gesammelt. In den Brennpunkt wird die berußte Thermometerkugel des mit einem Paketgummi am Handapparat befestigten Thermometers gebracht (Abb. 3.1.2./1C). Bemerkung Die Vorratskugel des Thermometers kann bei größter Vorsicht durch schnelles Drehen über einer Kerzenflamme berußt werden. 3.1.3. Demonstration der Abhängigkeit der Brennweite einer Linse von der Linsenkrümmung 3 1. Manipermtafel 2. 2 bis 6 Haftleuohten 3. 2 Linsenkörper, plankonvex 4. 2 Linsenkörper, bikonvex, unterschiedliche Krümmung Methodischer Hinweis Die Teilversuche können nacheinander demonstriert werden, indem man eine Linse geringer Krümmung durch eine stärkerer Krümmung ersetzt und die Lage des Brennpunktes jeweils markiert. Sie können aber auch gleichzeitlich durchgeführt werden, indem man an der Hafttafel untereinander die Linsen unterschiedlicher Krümmung anbringt und die Brennweiten auf diese Weise miteinander vergleicht. Versuch Auf der Hafttafel mit einer oder mehreren vorgezeichneten optischen Achsen werden achsensymmetrisch je zwei parallele Lichispuren erzeugt. In den Strahlen- 109 # V 3.1.3. e e F>° h-\ w A,* too i-: 7 e e 1- e Abb. 3.1.3./1 Versuchsreihen zur Demonstration der Abhängigkeit der Brennweite von der Linsenkrümmung gang bringt man den plankonvexen Linsenkörper mit der Planseite zu den Haftleuchten und markiert die Brennpunktlage. Ein zweiter plankonvexer Linsenkörper wird befestigt, so daß ein bikonvexer Linsenkörper zusammengesetzt wird. Der Brennpunkt wird ebenfalls markiert. Er liegt näher als bei Verwendung des einen plankonvexen Linsenkörpers allein (Abb. 3.1.3./la und b). Ein weiterer Vergleich kann zwischen dem plankonvexen Linsenkörper und den beiden bikonvexen Linsenkörpern unterschiedlicher Krümmung erfolgen. Man findet leicht, daß mit zunehmender Linsenkrümmung die Brennweite immer kürzer wird (Abb. 3.1.3./lc bis e). 3.1.4. Demonstration des Einflusses der Umgebung auf die Linsenwirkung % 6. großer Glastrog (Aquarium) 7. großer Spiegel auf Stiel 8. Luftlinse (D (siehe 1.3.1.) 9. Fluoreszein oder Trübungsmittel 1. Sechskantschiene (0,5 m) 2. Optikleuehte 3. 3 große Klemmreiter 4. kleiner Klemmreiter 5. Blendscheibe mit Linse (/=-]-120 mm) Methodischer Hinweis Die Vorführung des Strahlenverlaufes des Lichtes in einer von Wasser umgebenen Luftlinse führt für die Schüler nicht nur zu einem überraschenden Ergebnis, sondern regt sie auch an, physikalische Erscheinungen kritisch zu betrachten. Versuch Auf einer kurzen optischen Bank wird nach V 3.1.1. (Abb. 3.1.1./2a) die Optikleuchte mit vorgesetzter Kondensorlinse so aufgebaut, daß ein nahezu parallel-strahliges Lichtbündel entsteht, dessen Weg man in einem mit getrübtem Wasser gefüllten Trog verfolgen kann. Zur besseren Beobachtung des Bündelquerschnittes ordnet man noch einen um 45° geneigten Spiegel über dem Trog an. 110 V 3.1.5. # Bringt man in den Trog eine aus zwei Uhrgläsern verkittete bikonvexe Luftlinse in das Parallellichtbündel, kann man eine Zerstreuung des Lichtes beobachten. Bemerkung • Als Luftlinse eignet sich auch das Modell der akkommodationsfähigen Augenlinse (Abb. 1.3.1./14a); im Elüssigkeitstrog wirkt sie bei Überdruck wie eine Zerstreuungslinse, bei Unterdruck wie eine Sammellinse. 3.1.5. Demonstration der Brechung von Parallel-, Brennpunkt- und Mittelpunktstrahlen an Sammel- und Zerstreuungslinsen 3 Zu Variante a 3 1. Manipermtafel 2. Haftleuchte 3. Linsenkörper, bikonvex (/=•+■ 150 mm) 4. Linsenkörper, bikonkav (/= —150 mm) Zu Variante b 3 [SE] 5. Heftleuchte 6. Einspaltblende 7. Flachglaskörper, bikonvex 8. Flachglaskörper, plankonkav 9. weiße Unterlage Methodische Hinweise 1. Da Kenntnisse über den Verlauf der ausgezeichneten Strahlen vor und nach der Brechung für das Verständnis der Bildentstehung an Linsen unerläßlich sind, empfiehlt es sich, die Variante b synchron mit der Variante a durchzuführen. Der Strahlenverlauf kann dabei direkt im Heft der Schüler erzeugt und mit Bleistift nachgezeichnet werden. 2. Die Ergebnisse können mit denen des V 2.3.2. verglichen werden. Variante a An die Hafttafel mit vorgezeichneter optischer Achse wird ein bikonvexer Linsenkörper gebracht. Seine einfachen und doppelten Brennweiten werden markiert. Zuerst beobachtet man die Brechung eines Parallelstrahles. Anschließend demonstriert man, daß ein Brennpunktstrahl nach der Brechung parallel zur optischen Achse verläuft. Schließlich zeigt man, daß ein Strahl über den Linsenmittelpunkt die Linse ungebrochen passiert (Abb. 3.1.5./la bis c). In ähnlicher Weise verfährt man bei der Demonstration des Strahlenverlaufes an der Zerstreuungslinse, wobei man besonders darauf aufmerksam macht, daß die Verlängerungen der Brennpunktstrahlen jeweils durch den auf der anderen Seite der Linse liegenden virtuellen Brennpunkt verlaufen (Abb. 3.1.5./ld bis f). III # V 3.1.5. Abb. 3.1.5./1 Strahlenverlauf bei der Brechung von Parallel- (a, d), Brennpunkt- (b, e) und Mittelpunktstrahlen (c, f) an Sammel-und Zerstreuungslinsen Variante b Man kann genau so verfahren wie bei Variante a. Man zeichnet die optische Achse auf eine weiße Unterlage, legt den bikonvexen oder bikonkaven Flachglaskörper auf, markiert die Brennpunkte und läßt mit der Heftleuchte eine Lichtspur entweder als Parallel- oder als Brennpunkt- oder als Mittelpunktstrahl auf die Linse fallen und beobachtet den Verlauf des gebrochenen Lichtbündels. 3.1.6. Demonstration des Strahlenverlaufes bei der reellen Abbildung eines Punktes durch eine Sammellinse (J> 1. Manipermtafel 2. kleine Haftleuchte 3. 3 Haftleuchten 4. Linsenkörper, bikonvex (/ = +150 mm) Methodischer Hinweis Es ist methodisch wünschenswert, vor der Abbildung eines ausgedehnten Gegenstandes die Abbildung eines Punktes durch eine Sammellinse zu demonstrieren. Dabei sollte erst das volle an der Abbildung beteiligte Lichtbündel gezeigt werden, ehe man zur Demonstration der Bildentstehung durch ausgezeichnete Strahlen übergeht. Versuch Auf der Hafttafel mit vorgezeichneter optische Achse wird der bikonvexe Linsenkörper befestigt. Die einfache und doppelte Brennweite werden beiderseits der Linse markiert, und ein Gegenstandspunkt wird außerhalb der doppelten Brennweite in geringer Entfernung von der optischen Achse eingezeichnet. 112 V 3.1.7. 0 Über diesen Punkt befestigt man die kleine Haftleuehte und richtet den vollen divergenten Lichtkegel auf die Linse. Der Konvergenzpunkt des gebrochenen Lichtbündels liegt als Bildpunkt zwischen der einfachen und der doppelten Brennweite auf der anderen Seite der Linse (Abb. 3.1.6./la). Dieser Bildpunkt wird markiert. Markiert werden auch die Begrenzungsstrahlen der Lichtbündel beiderseits der Linse. Abb. 3.1.6./1 Strahlenverlauf bei der reellen Abbildung eines Punktes mit Hilfe einer Sammellinse mit einem vollen Lichtbündel (a) und bei Kennzeichnung durch drei Lichtspuren (b) Man bringt drei Haftleuchten so an der Tafel an, daß ihre Lichtspuren über den Gegenstandspunkt als Parallel-, Mittelpunkt- und Brennpunktstrahl verlaufen. Sie werden alle wieder im Bildpunkt gesammelt (Abb. 3.1.6./lb). Bemerkung * Bei Verwendung der Heftleuchte ohne Kondensor und bikonvexen Glaskörper kann die Abbildung mit einem vollen Lichtbündel auch als Schülerexperiment durchgeführt werden. Dabei ist es auch möglich, mit feinen Lichtspuren den Verlauf der ausgezeichneten Strahlen zu verfolgen. 3.1.7. Erzeugung reeller Bilder mit Hilfe einer Sammellinse % Zu Variante a 1. 2 Sechskantschienen (1 m und 0,5 m) 2. Optikleuchte 3. 4 große Klemmreiter 4. kleiner Klemmreiter 5. Blendscheibe mit Schiebeschacht 6. Blendscheibe mit Linse (/ = +100 mm ... 150 mm) 7. Blendscheibe mit Linse (/ m -f120 mm) 8. transparenter Schirm 9. Transparentobjekt 10. Meßleiste (1 m) 11. 3 Meßleistenhalter mit Markierungsreitern 8 [022147] 113 V 3.1.7. Zu Variante 6 Geräte 1. bis 11., außerdem 12. Blendscheibe mit halber Linse (/= -f-100 mm) ® (siehe 1.3.1.) Zu Variante c [SE] 13. 3T-Füße 14. Blendrahmen mit Linse (/ = +100 mm) 15. Schirm 16. Tischchen 17. Kerze 18. Meßstab Methodische Hinweise 1. Bei der Durchführung des Versuches ist nicht die Linse zur Änderung der Gegenstandsweite zu verschieben, sondern der Gegenstand immer näher bis kurz vor dem Brennpunkt an die Linse heranzurücken und durch Nachführen des Schirmes ein scharfes Bild einzustellen. 2. Der Variante b kann eine Fragestellung vorausgehen, die die Schüler zur Bildung von Vermutungen und Prognosen veranlaßt. Variante a Auf der kleinen Schiene zur optischen Bank werden die Optikleuchte und die Kondensorlinse von 120 mm Brennweite so aufgebaut, daß ein schwach diver- Abb. 3.1.7./1 Versuchsanordnung zur Erzeugung reeller Bilder mit Hilfe einer Sammellinse im Lehrerexperiment (a) und im Schülerexperiment (b) 114 V 3.1.7. $ genter Lichtkegel erzeugt wird. Genau in der Mitte der langen optischen Bank wird die Linse / — +100 mm auf einen Klemmreiter gesetzt. Auf der einen Seite der Linse ordnet man die Blendscheibe mit Schiebeschacht und eingesetztem Transparentobjekt an, Efuf der anderen Seite den transparenten Schirm. Die Meßleiste wird mit drei magnetischen Haltern an den Reitern befestigt. Die Blättchen zur Markierung der einfachen und der doppelten Brennweite werden aufgehängt. Schließlich setzt man die beiden Schienen so zusammen, daß das Transparentobjekt gut beleuchtet wird (Abb. 3.1.7./la). Man beginnt die Versuchsreihe mit einer Stellung des Gegenstandes außerhalb der doppelten Brennweite. Zur Scharfeinstellung des umgekehrten, reellen und verkleinerten Bildes muß der Schirm zwischen die einfache und doppelte Brennweite gebracht werden. In der Weiterführung des Versuches wird das Objekt immer näher an die Linse gerückt. Die Bilder werden jeweils scharf eingestellt. Art, Lage und Größe des Bildes sind zu bestimmen und die Ergebnisse in eine Tabelle einzutragen. Tabelle: Zuordnung von Gegenstandsweite und Bildweite bei Linsenbildern Gegenstandsweite 8 Bildweite 8" Art, Lage und Größe des Budes s>2f 2f >*>f reell, umgekehrt, verkleinert 8 = 2f s' = 2f reell, umgekehrt, gleich groß 2/>*>/ 8' > 2/' reell, umgekehrt, vergrößert *=/ s' —>■ oo kein Bild Variante b Der Aufbau des Versuches erfolgt genau wie bei Variante a. Anstelle der ganzen Sammellinse wird eine Blendscheibe mit einer halben Sammellinse verwendet. Es kann beobachtet werden, daß auch eine halbe Linse das Objekt genauso vollständig abbildet wie die ganze Linse; lediglich die Bildhelligkeit ist geringer. Variante c In der Mitte der zusammengesteckten Stativstäbe wird die Linse / = +100 mm aufgestellt. Zu beiden Seiten werden das Tischchen mit der Kerze (Flamme in Höhe der optischen Achse) und der transparente Schirm angeordnet. Längsseits legt man den Meßstab, auf dem man mit Kreide die einfache und die doppelte Brennweite markiert (Abb. 1.3.7./lb). Für verschiedene Gegenstandsweiten ermittelt man wie bei Variante a die Bildweiten und beurteilt Art; Lage und Größe des Bildes. Bemerkungen 1. Die Versuche der Varianten a und b lassen sich sehr einfach zusammenfassen, wenn die ganze und die halbe Linse die gleiche Brennweite haben. Der einfache Austausch genügt dann, um ohne Nachstellen ein scharfes Bild zu erhalten. 2. Wer nicht über eine halbe Linse verfügt, kann auch mit einer Pappblende einfach die Hälfte der ganzen Linse abdecken. 3. Mit den Geräten des SEG Optik läßt sich der Versuch analog als Schülerexperiment durchführen. 8* 115 # V 3.1.7. # 4. Zur Verbesserung der Scharfeinstellung kann über die Linse ein schmaler Pappstreifen gehängt werden. Von den beiden Linsenhälften wird dann jeweils ein Bild des Gegenstandes erzeugt. Beide Bilder überdecken einander vollständig, wenn die richtige Bildweite eingestellt ist. 3.1.8. Herleitung bzw. Bestätigung der Linsengleichung und der Gleichung für den Abbildungsmaßstab Geräte 1. bis 11. wie beim V 3.1.7., Variante a, außerdem 12. Lineal Methodische Hinweise 1. Vergleiche MB 3.0.1.! 2. Vergleiche Bern. Nr. 1 zu V 3.1.7.1 3. Die hier zusammengefaßten Wertetabellen für die Gegenstands- und Bildweite sowie die Gegenstands- und Bildgröße können natürlich getrennt voneinander aufgenommen werden. Versuch Die Durchführung des Versuches erfolgt wie im V 3.1.7. Es werden jedoch nicht nur Gegenstands- und Bildgröße miteinander verglichen und die Lage von Gegenstand und Bild beurteilt, sondern die Größen s, s', y und y' werden gemessen und in einer Tabelle zusammengefaßt. Der Versuch wird für mehrere Gegenstandsweiten wiederholt, wobei man den ganzen Bereich bis in die Nähe des Brennpunktes ausnutzt. Meßwerttabelle (aus einem Schülerexperiment) Gegenstandsweite * in m Bildweite s' in m 1 1 T + Y in m""1 1 / in m_1 Gegenstands-größe y in m Büd-größe y' in m s V y y 0,500 0,125 10,0 10 0,035 0,009 4,0 3,9 0,450 0,128 10,0 10 0,035 0,010 3,5 3,5 0,400 0,134 9,96 10 0,035 0,012 3,0 2,9 0,350 0,140 10,0 10 0,035 0,014 2,5 2,5 0,300 0,150 10,0 10 0,035 0,018 2,0 1,9 1 0,250 0,166 10,0 10 0,035 0,023 1,5 1,5 0,200 0,200 10,0 10 0,035 0,035 1,0 1,0 0,150 0,300 10,0 10 0,035 0,070 0,5 0,5 Die Auswertung der Versuchsergebnisse bestätigt die Linsengleichung / ™ s + s' und die Gleichung für den Abbildungsmaßstab j_=y_ 5 y 116 V 3.1.9. $ Bemerkungen 1. Tür die Ermittlung der Linsengleichung gibt es noch eine interessante Variante: man mißt statt der Gegenstands- und der Bildweite die Entfernung Gegenstand—Brennpunkt z — s — f und die Entfernung Bild—Brennpunkt z' = s' - f Meßwerttabelle Entfernung Entfernung Gegenstand -j Büd - z • z' Brennpunkt z Brennpunkt z' in m in m in m2 0,400 0,025 0,010 0,360 0,028 0,010 0,300 0,034 0,010 0,250 0,040 0,010 0,200 0,050 0,010 0,150 0,066 0,010 0,100 0,100 0,010 0,050 0,200 0,010 Man findet: z • z' — konst. Das ist die Newtonsche Form der Linsengleichung: »•«'=/•/'. Setzt man für f'—f und z = s — / bzw. z' = s' — f, so nimmt die Gleichung die Form (s — /) — /) = /2 an. Nach Umformen gewinnt man daraus die Linsengleichung 111 / 8 S Der Versuch kann völlig analog zum Demonstrationsversuch mit den Geräten 13. bis 18. des Versuches 3.1.7., Variante c, als Schülerexperiment durchgeführt werden. 3.1.9. Vergleich der virtuellen Bilder von Sammel- und Zerstreuungslinsen (| Zu Variante a 1. Tageslichtschreibprojektor 2. Projektionsfolie mit Raster 3. Sammellinse, ungefaßt (/= +50 mm ... 150 mm) 4. Zerstreuungslinse, ungefaßt (/ = —50 mm ... 150 mm) 5. 2 Distanzringe aus Pappe, passend zu den Linsen (D (siehe 1.3.3.) Zu Variante 6 Gerät 1., außerdem 6. großer Fünffachspalt aus Pappe (D (Spaltlänge 100 mm, Spaltbreite 2 mm, Spaltabstand 8 mm) (siehe 1.3.3.) 7. Linsenkörper, verschiedene Brennweiten, bi- oder plankonvex 8. Linsenkörper, bikonkav 117 # V 3.1.9. Methodische Hinweise 1. Vergleiche MB 3.0.1.! 2. In diesem Versuch übernimmt gewissermaßen die Projektionsoptik die Funktion des menschlichen Auges und „betrachtet" durch die Linsen hindurch die virtuellen Bilder. Der sonst nur in Einzelbeobachtung durchführbare Vergleich gestaltet sich mit Hilfe dieser Versuchsanordnung sehr überzeugend und effektiv und ist frei von subjektiven Einflüssen. Variante a , Auf die Projektionsfläche des Tageslichtschreibprojektors bringt man die Rasterfolie, deren Rasterstrichabstand etwa 5 mm betragen sollte. Darauf legt man nebeneinander die beiden Distanzringe aus Pappe; ihr Durchmesser soll dem der ungefaßten Linsen entsprechen, die Höhe der Ringe wählt man etwa zu 1/3 des Absolutwertes der Brennweite der Linsen. Nachdem man die ungefaßten Linsen auf die Distanzringe gebracht hat, stellt man das Projektionsbild so ein, daß der Raster wie auch das vergrößerte bzw. verkleinerte Rästermuster im Inneren der projizierten Linsenflächen gleich scharf erscheint {Abb. 3.1.9./1). Man be- obachtet in der Gegenüberstellung die vergrößernde Wirkung der Sammellinse und die verkleinernde der Zerstreuungslinse. Variante b Die Fünffachblende wird mit dem Tageslichtschreibprojektor vergrößert auf der Projektionswand abgebildet. Die bi- oder plankonvexen und der bikonkave Linsenkörper werden mit ihren Schmalseiten quer zur Spaltrichtung symmetrisch auf die Spaltblende gelegt. An der Projektionswand kann man die vergrößernde bzw. verkleinernde Wirkung beobachten. • 118 V 3.1.10. # 3.1.10. Beobachtung der virtuellen Bilder an Sammel- und Zerstreuungslinsen [SE] 1. Blendscheibe mit halber^ammellinse ® (siehe 1.3.1.) 2. Blendscheibe mit halber Zerstreuungslinse ® (siehe 1.3.1.) 3. 2 Diarähmchen mit Meßmarken (§) (siehe 1.3.1.) 4. 3 T-Füße 5. Blendrahmen mit Schiebeschacht 6. Handapparat 7. Lineal Methodischer Hinweis Der Versuch zur Beobachtung von virtuellen Bildern an Sammel- und Zerstreuungslinsen eignet sich wegen der subjektiven Beobachtung vorwiegend als Praktikumsexperiment. Er gestattet, Art und Ort des Bildes in bezug auf den Gegenstand zu bestimmen und die Abbildungsgleichung zu bestätigen. Versuch Auf einer kurzen optischen Bank werden in Beobachtungsrichtung die halbe Sammel- bzw. Zerstreuungslinse, der Blendrahmen mit Schiebeschacht und der Handapparat in der angegebenen Reihenfolge aufgebaut. Die zwei Diarähmchen mit den genau bis zur Mitte reichenden Meßmarken werden eingeschoben, so daß bei der Verwendung der Sammellinse die erste Marke unterhalb, die zweite oberhalb der optischen Achse steht. Bei Verwendung der Zerstreuungslinse ist die umgekehrte Reihenfolge einzuhalten (Abb. 3.1.10./1). Abb. 3.1.10/1 Versuchsanordnungen zur Beobachtung und Ausmessung von virtuellen Bildern an Sammel- und Zerstreuungslinsen Das Auge blickt in Höhe der optischen Achse durch die Linse. Es wird das virtuelle Bild der unteren Meßmarke mit der über der Schnittfläche liegenden oberen Meßmarke verglichen. Man beobachtet zweckmäßigerweise nur mit einem Auge und schließt das andere. Bewegt man das Auge in gleichbleibender Höhe von links nach rechts, so ändert sich die Stellung der Meßmarken zueinander. Durch Verschieben einer der beiden Meßmarken kann eine Stelle gefunden werden, an der beim Bewegen des Auges keine Verschiebung der Meßmarken gegeneinander erfolgt. Dies ist der Fall, wenn die obere Meßmarke genau am Ort des virtuellen Bildes der unteren Meßmarke steht. Es ist möglich, Gegenstands- und Bildweite zu messen, den Versuch bei geänderter Stellung der Meßmarken zu wiederholen und die Ergebnisse in einer Tabelle 119 # V 3.1.10. zusammenzufassen. Auswertend kann die Brennweite der Sammel- oder Zerstreuungslinse ermittelt werden. Meßwerttabelle Linse Gegenstandsweite $ in m Bildweite s' in m Brennweite/ in m Sammellinse 0,050 -0,078 0,14* / = +140 mm 0,075 -0,160 0,14 0,090 -0,260 0,14 0,100 -0,350 0,14 Zerstreuungslinse 0,500 -0,155 0,22 f = -225 mm 0,400 -0,145 0,23 0,300 -0,130 0,23 0,250 -0,120 0,23 ♦Die Werte sind stark gerundet. I 3.1.11. Bestimmung der Brennweite von Tünnen Sammellinsen O, # Zu Variante a 1. Sechskantschiene (0,5 m) 2. großer Klemmreiter 3. kleiner Klemmreiter 4. Blendscheibe mit Sammellinse unbekannter Brennweite 5. transparenter Schirm 6. Spiegel auf Stiel 7. Meßleiste (0,5 m) 8. 3 Meßleistenhalter mit Markierungsreitern Zu den Varianten b und Geräte 1. (1 m), 2. (3mal), 3. bis 5., 8., außerdem 9. Meßleiste (Im) 10. Optikleuchte 11. Blendscheibe mit Schiebeschacht 12. Transparentobjekt Zu Variante d O ; # Geräte 1., 2. (3mal), 4., 7., 8., 10., 11. (2mal), außerdem 13. Diarähmchen mit Transparentobjekt und kleinem Bildschirm ® (siehe 1.3.1.) 14. Spiegel (50 mm X 50 mm) ®' (siehe 1.3.1.) Methodischer Hinweis Soll bei der Bestimmung der Brennweite von Linsen d\e Abbildungsgleichung geübt und angewendet werden, empfiehlt sich die Variante b oder c. Ist hingegen 120 V 3.1.11. # ein größerer Vorrat von Linsen zu prüfen und sind die Brennweiten möglichst schnell und ohne Rechenaufwand zu bestimmen, dann ist die Variante d am besten geeignet. Variante a > t Die Sammellinse unbekannter Brennweite und der transparente Schirm werden hintereinander auf der optischen Bank aufgebaut. Mit Hilfe von Stativmaterial wird der Spiegel im Schiebeschacht der Blendscheibe in Höhe der optischen Achse montiert. Man richtet die gesamte Anordnung gegen die Sonne und spiegelt das parallele Sonnenlicht auf die Linse. Nunmehr wird der transparente Schirm so weit längs der optischen Achse verschoben, bis ein scharfes Bild der Sonne kurzzeitig eingestellt ist. (Achtung! Brandgefahr! Eventuell Wärmefilter — Küvette mit Kupfersulfatlösung — in den Strahlengang bringen!) Die Entfernung Linse — Schirm mißt man an der Meßleiste. Die gemessene Länge ist die Brennweite der Sammellinse (Abb. 3.1,ll./la). Abb. 3.1.11./1 Versuchsanordnungen zur Bestimmung der Brennweite von dünnen Sammellinsen bei Verwendung von Sonnenlicht (a) oder bei Verwendung einer Spiegelanordnung für den doppelten Lichtdurchgang durch die Linse (b) Variante b An den beiden Enden der langen optischen Bank, aber mindestens in einer Entfernung der vierfachen Brennweite der untersuchten Linse, werden die Optikleuchte und der transparente Schirm aufgestellt. Dicht vor der Leuchte wird das Transparentobjekt im Schiebeschacht der Blendscheibe untergebracht. Zwischen Objekt und Schirm wird die Sammellinse unbekannter Brennweite solange verschoben, bis ein vergrößertes, reelles, umgekehrtes Bild auf dem Schirm abgebildet wird. Zur Scharfeinstellung kann über die Linse ein schmaler Pappstreifen gehängt werden (V 3.1.7.). Gegenstands- und Bildweite werden gemessen. Die Brennweite wird unter Verwendung der Abbildungsgleichung berechnet. Variante c Das Verfahren nach Bessel ist ähnlich wie Variante b. Ist das reelle, vergrößerte Bild des Objektes auf dem Schirm scharf eingestellt, wird die Stellung der Linse markiert. Nunmehr verschiebt man die Linse auf den Schirm zu um die Strecke a, 121 V 3.1.11. bis auf dem Bild das scharfe reelle, verkleinerte Bild des Objektes zu beobachten ist. Gemessen wird noch die Entfernung e vom Objekt bis zum Schirm. Die Brennweite berechnet sich dann nach der Gleichung Auf der optischen Bank wird die Optikleuchte aufgestellt. Dicht davor ordnet man eine Blendscheibe mit Schiebeschacht an, in den man ein Diarähmchen einschiebt, das in der einen Hälfte ein Transparentobjekt, in der anderen einen kleinen Bildschirm enthält. Man sorgt für gute Beleuchtung des Transparentobjektes. Auf einem Klemmreiter ordnet man gemeinsam die Blendrahmen mit der Sammellinse unbekannter Brennweite und einen zweiten Blendrahmen mit Schiebeschacht an. In den Schiebeschacht wird ein ebener Spiegel untergebracht, der das die Linse durchsetzende Licht wieder zur Linse reflektiert. Verschiebt man diesen Reiter langsam längs der optischen Achse, so findet man leicht eine Stellung, bei der das reelle, umgekehrte und gleich große Bild des Transparentobjektes auf dem Schirm neben dem Objekt Bcharf abgebildet wird. Man mißt die Entfernung Linse—Objekt und hat damit die Brennweite ermittelt Bemerkung Sämtliche Varianten dieses Versuches sind mit SEG als Schülerexperiment ausführbar. Für die Varianten b und c gestaltet man den Versuchsaufbau wie in Abb. 3.1.7,/lb, während für die Variante d ein Aufbau nach 3.1.11./2 empfohlen wird. 3.1.12. Bestimmung der Brennweite von dUnnen Zerstreuungslinsen (|; # Zu Variante a Geräte 1. bis 8. wie bei V 3.1.11., jedooh anstelle von 4. Zerstreuungslinse mit unbekannter Brennweite Variante d (Abb. 3.1.11./lb). Abb. 3.1.11./2 Versuchsanordnung zur Bestimmung der Brennweite von dünnen Sammellinsen nach Variante d im Schülerexperiment 122 V 3.1.12. Zu Variante b O ; $ Geräte wie bei V 3.1.IL, Varianten b, c oder d, jedoch anstelle von 4. Sammellinse bekannter Brennweite und Zerstreuungslinse unbekannter Brennweite Methodische Hinweise 1. Vergleiche MH V 3.1.11.! 2. Die Variante a bietet Möglichkeiten der Anwendung von Kenntnissen aus der Geometrie (2. Strahlensatz). 3. In der Variante b wird die Zerstreuungslinse mit einer Sammellinse kombiniert, so daß insgesamt ein sammelndes System entsteht und dann wie eine Sammellinse zu behandeln ist. Die Brennweite der Zerstreuungslinse muß dann berechnet werden. Die Wahl der Methoden b oder c oder d aus V 3.1.11. hängt von den mathematischen Kenntnissen und Fertigkeiten der Schüler ab. Variante a Der Versuchsauf bau erfolgt ähnlich wie beim V 3.1.11., Variante a. Anstelle der Sammellinse bringt man eine Zerstreuungslinse in den Strahlengang. Auf dem transparenten Schirm beobachtet man eine, Kreisfläche mit dem Durchmesser D, der größer ist als der Durchmesser d der Linsenöffnung. Mißt man beide und dazu den Abstand e von der Linse zum Schirm, so läßt sich die Brennweite der Zerstreuungslinse berechnen nach der Beziehung Einfacher gestaltet sich die Messung, wenn auf dem transparenten Schirm eine Kreisfläche mit dem Durchmesser D = 2d gezeichnet wird und der Schirm so lange längs der optischen Achse verschoben wird, bis sich der Zerstreuungskreis und der gezeichnete Kreis decken. Dann ist = e. Variante b Der Versuchsaufbau und die -durchführung erfolgen genau wie bei den Varianten b oder c öder d des V 3.1.11. Anstelle der Sammellinse unbekannter Brennweite wird jedoch eine Sammellinse bekannter Brennweite mit einer Zerstreuungslinse unbekannter Brennweite so dicht wie möglich zusammengesetzt in den Strahlengang gebracht. (Die Linsenkombination muß aber noch sammelnde Wirkung zeigen.) Man bestimmt die Gesamtbrennweite fg der Linsenkombination und berechnet die Brennweite der Zerstreuungslinse Unter Verwendung der bekannten Brennweite der Sammellinse. Weil die Linsen dicht zusammenstehen, kann der Abstand d der beiden kombinierten Linsen vernachlässigt werden. Es gilt dann in erster Näherung: Können die Linsen aus irgendwelchen Gründen nicht dicht zusammengesetzt werden, so erfolgt die Berechnung nach der Gleichung f /,(/+ - d) 123 # V 3.1.12. Hierin bedeuten: ./_ ... Brennweite der Zerstreuungslinse /g ... Gesamtbrennweite der Linsenkombination /+ ... Brennweite der Sammellinse d ... Abstand der beiden Linsen 3.2. Nachweis der Fehler bei der Abbildung mit Hilfe von Linsen 3.2.1. Demonstration der hauptsächlichen Fehler bei der Abbildung durch Linsen 0 1. Sechskantschiene (Im) 1 2. Optikleuchte 3. großer Klemmreiter 4. 2 kleine Klemmreiter 5. große, plankonvexe Kondensorlinse, gefaßt, Durchmesser 150 mm bis 200 mm oder Doppelkondensorlinse (Fresnellinse aus einem Tageslichtschreibprojektor) 6. Blende mit konzentrischen Lochreihen bzw. große Blende mit konzentrischen Lochreihen, passend zu 5. (D (siehe 1.3.1.) 7. transparenter Schirm Methodischer Hinweis Der Versuch zeigt gleichzeitig eine Vielzahl von Abbildungsfehlern (chromatische und sphärische Aberration, Astigmatismus, Koma). Da die entstehenden Figuren sehr farbenprächtig sind, eignet sich dieser Versuch ganz besonders zur Einführung der besonderen Erscheinungen der Abbildungsfehler durch Linsen. Versuchsvorbereitungen Aus Pappe fertigt man eine Blende mit zwei konzentrischen Lochreihen (mit Locheisen gestanzt). Der äußere Lochkranz hat einen Durchmesser, der nur wenig kleiner ist als die freie Linsenöffnung; der innere Lochkranz hat einen Durchmesser von etwa einem Drittel des Linsendurchmessers. Die Löcher der beiden Lochreihen stehen am besten auf Lücke. Mit Klebefilm wird die Blende an der Linsenfassung befestigt. Unter Verwendung von Stativmaterial wird die Linse auf einem kleinen Klemmreiter befestigt und möglichst gut zentriert. Versuchsaufbau und -durchfuhrung Auf der langen Sechskantschiene ordnet man an einem Ende die Optikleuchte an. In die Mitte bringt man die vorbereitete Linse mit der befestigten Blende; bei Verwendung einer Plankonvexlinse kehrt man die Planseite der Lichtquelle zu, bei Verwendung der Doppel-Fresnellinse die etwas konkav gewölbte Seite. Ganz dicht hinter der Linse wird der transparente Schirm aufgestellt (Abb. 3.2.1./1). Man beobachtet ein Bild wie im Nebenbild a. Die Lichtpunkte der inneren Lochreihe zeigen noch keinen, die Lichtpunkte der äußeren Lochreihe schon einen deutlichen Farbfehler. 124 V 3.2.2. # Abb. 3.2.1./1 Versuchsanordnung zum Nachweis der hauptsächlichsten Fehler bei der Abbildung durch Linsen. Nebenbild: Zu beobachtende farbprächtige Figuren Entfernt man den Schirm langsam von der Linse, so wandern die Lichtpunkte auf die optische Achse zu. Die Punkte der äußeren Lochreihe werden kometenschweifartig deformiert und weisen spektrale Zerlegung des Lichtes auL, innen blau, außen rot; chromatische Aberration, Nebenbild b. Beim weiteren Entfernen überholen die Lichtschweife der äußeren Lochreihe die spektral noch wenig zerlegten Lichtpunkte der inneren Reihe und vereinigen sich zuerst zu einem blauen und dann zu einem roten Bildpunkt; chromatische Aberration, Nebenbild c. Schließlich vereinigen sich die achsennahen Lichtpunkte auch zu einem leicht farbgestörten Bildpunkt, während sieh die kometenartig verzeichneten Lichtpunkte der achsenfernen Lochreihe in umgekehrter Farbfolge vom Mittelpunkt entfernen; sphärische Aberration, Nebenbilder d und e. Wiederholt man den Versuch bei leicht gegen die optische Achse verdrehter Linse, beobachtet man die von den Randstrahlen erzeugten, eigenartig verschlungenen Komafiguren (Koma), während die achsennahen Strahlen sich überhaupt nicht mehr in einem Punkt sammeln lassen (Astigmatismus). Bemerkungen 1. Dreht man die Linsen um 180°, so läßt sich zeigen, daß die Abbildungsfehler erheblich geringer werden. Das gilt besonders für den sphärischen Fehler. 2. Anstelle der sehr großen Kondensorlinse bzw. Doppel-Fresnellinse kann auch eine kleinere, plankonvexe Kondensorlinse verwendet werden. Die Deutlichkeit der Erscheinungen ist dabei jedoch geringer. 3.2.2. Demonstration der chromatischen Aberration einer Sammellinse % 1. Sechskantschiene (1 m) 2. Optikleuchte 3. 3 große Klemmreiter 4. Kondensorlinae (/ = +120 mm) 5. Irisblende 6. kleiner Klemmreiter 7. transparenter Schirm 8. Ringblende aus Pappe (D (siehe 1.3.1.) 125 # V 3.2.2. Versuchsanordnung zur Demonstration der chromatischen Aberration Abb. 3.2.2./1 Methodischer Hinweis Der Versuch zeigt den Farbfehler einer Sammellinse sehr deutlich und überzeugend, sollte aber zum besseren Verständnis für das Zustandekommen gemeinsam mit V 3.2.4. vorgeführt werden. Wie die Abbildung 3.2.2./1 zeigt, werden Lichtquelle, Linse, Irisblende und transparenter Sehirm aufgestellt. Die Planseite der Kondensorlinse ist der Lichtquelle zuzukehren. Die Leuchte wird ohne Kondensorlinse verwendet. Dicht vor die Linse wird die Ringblende gestellt, deren Außendurchmesser etwa der Linsenöffnung entspricht. Im einfachsten Fall genügt es schon, mit Klebefilm eine Kreisscheibe auf der Linse zu befestigen, die einen äußeren Linsenring frei läßt. Mit der hinter der Linse aufgestellten Irisblende kann je nach Entfernung von der Linse der blaue oder der rote Anteil ausgeblendet werden; auf dem transparenten Schirm wird dementsprechend ein blauer oder ein roter Ring abgebildet. Man kann den Schirm auch an die Stelle der Irisblende rücken. Dann erscheint auf dem Schirm entweder ein blauer Kreis mit roter Mitte oder ein roter Kreis mit blauer Mitte. Bemerkung Mit den Geräten des SEG Optik kann der Versuch auch als Schülerexperiment durchgeführt werden. Anstelle der Irisblende verwendet man einen Lochblendstreifen aus Pappe (mit ausgestanzten Löchern unterschiedlichen Durchmessers), der in einem Blendrahmen mit Schiebeschacht untergebracht wird. 3.2.3. Nachweis der chromatischen Aberration einer dünnen Sammellinse 9 1. Sechskantschiene (1 m) 6. Blendscheibe mit Linse (/= +150 mm) 2. Optikleuchte 7. Blendscheibe mit Schiebeschacht 3. 4 große Klemmreiter 8. Bildschirm, undurchsichtig 4. kleiner Klemmreiter 9. Spalt (50 mm X 50 tmm; 1 mm breit) 5. 2 Kondensorlinsen (/ = +120 mm) 10. Transparentpapier Versuch 126 Methodische Hinweise 1. Der Versuch läßt den sonst kaum wahrnehmbaren Farbfehler einer dünnen Sammellinse sichtbar werden. 2. Es empfiehlt sich, zum besseren Verständnis des Zustandekommens der chromatischen Aberration den Versuch gemeinsam mit V 3.2.4. vorzuführen. Versuch Optikleuchte und Doppelkondensor werden an einem Ende der optischen Bank aufgebaut, der Bildschirm am anderen. Dicht vor den Kondensor wird der Spalt gebracht. Mit der Linse bildet man dann den Spalt vergrößert und scharf auf dem Bildschirm ab. Um die höchste Lichtstärke zu erreichen, bildet man mit der Kondensorlinse die Glühwendel der Lichtquelle in der Linse ab, wovon man sich durch Vorhalten eines Stückes Transparentpapier vor die Linse überzeugen kann (Abb. 3,2.3./I). Nunmehr dreht man den Schirm so, daß er nur noch einen Abb. 3.2.3./1 Versuchsanordnung zum Nachweis der chromatischen Aberration einer dünnen Sammellinse kleinen Winkel mit der optischen Achse einschließt und das Licht fast streifend auf ihn fällt. Das Spaltbild ist nunmehr stark verbreitert und zeigt deutlich einen roten und einen blauen Saum. Bemerkungen 1. Der Versuch kann abgewandelt werden: Man bringt zusätzlich ein Blaufilter in den Strahlengang und bildet den Spalt scharf auf einem transparenten Schirm ab. Danach wechselt man es gegen ein Rotfilter aus. Um wiederum ein scharfes Bild zu erhalten, muß man bei unveränderter Gegenstandsweite den Schirm verrücken. Das heißt aber, daß die Linse für rotes und blaues Licht unterschiedliche Brennweiten besitzt. 2. Mit Hilfe des SEG Optik kann der Versuch als Schülerexperiment durchgeführt werden. Man bildet dazu den in die Experimentierleuchte eingeschobenen Spalt mit der Linse / = +100 mm leicht vergrößert auf dem außerhalb des Stativ-stabsstehenden Schirm scharf ab und dreht danach den Schirm. 127 • V 3.2.4. 3.2.4. Demonstration der Entstehung der chromatischen Aberration einer Sammellinse 3 Zu Variante a 1. Manipermtafel 2. 2 Haftleuehten 3. Linsenkörper, bikonvex (/ = +90 mm) 4. weißes Zeichenblatt, A 4 5. Manipermkerne Zu Variante b [8E] 6. Heftleuchte (ohne Kondensorlinse) 7. Zweispaltblende ® (siehe 1.3.1) 8. weiße Unterlage 9. Flachglaskörper, bikonvex Methodischer Hinweis Im Gegensatz zu V 3.2.2. und 3.2.3. zeigt dieser Versuch die Entstehung der chromatischen Aberration sehr anschaulich, besonders wenn man hierzu noch die Dispersion des Lichtes am Prisma zeigt. Auf der Hafttafel werden das A 4-Blatt mit Manipermkernen und der Linsenkörper befestigt. Zwei parallele Lichtspuren treffen den Linsenkörper dicht an dem Linsenrand als achsenferne Strahlen. Im Konvergenzbereich der gebrochenen Strahlen kann man einen blauen Kern und einen roten Saum beobachten; der Brennpunkt der roten Strahlen liegt weiter entfernt von der Linse als der Brennpunkt der blauen (Abb. 3.2.4./1). In die Heftleuchte ohne Kondensorlinse wird die Zweispaltblende eingeschoben. Es werden zwei leicht divergente Strahlen auf den Flachglaskörper gerichtet. Man findet im Konvergenzbereich der gebrochenen Strahlen ebenfalls einen blauen Kern und einen roten Saum. Variante a Abb. 3.2.4./1 Versuchsanordnung zum Nachweis der Entstehung der chromatischen Aberration bei Sammellinsen Variante b 128 V 3.2.5. # 3.2.5. Demonstration der sphärischen Aberration einer Sammellinse £ 1. Sechskantschiene (Im) . 2. Optikleuchte 3. 2 große Klemmreiter 4. kleiner Klemmreiter 5. Blendscheibe mit Linse (/ = +100 mm) 6. transparenter Schirm 7. 2 Ringblenden aus Pappe (D (siehe 1.3.1.) 8. Transparentobjekt Versuch Die Optikleuchte mit eingeschobenem Transparentobjekt und der Bildschirm werden jeweils am Ende einer langen optischen Bank aufgebaut. Zwischen beiden ordnet man auf einem Klemmreiter die Linse mit einer Brennweite von 100 mm gemeinsam mit einer Ringblende, die nur die Randstrahlen freigibt, an. Durch Versehieben der Linse längs der optischen Achse stellt man das reelle vergrößerte Abb. 3.2.5./1 Versuchsanordnung zur Demonstration der sphärischen Aberration von Sammellinsen Bild des Objektes ein (Abb. 3.2.5./1). Danach wechselt man die Ringblende gegen eine Lochblende aus, die zur Abbildung nur die achsennahen Strahlen freigibt. Das Bild auf dem Schirm ist unscharf geworden. Man muß den Schirm um eine kleine Strecke bei sonst unveränderten Bedingungen von der Linse entfernen, um wiederum ein scharfes Bild des Gegenstandes auf dem Schirm abzubilden. Bemerkung Die Abmessungen für die Blenden siehe Abschnitt 1.3.1. 9 [022147] 129 # V 3.2.6. 3.2.6. Demonstration der Entstehung der sphärischen Aberration einer Sammellinse 3 Zu Variante a 3 1. Manipermtafel 2. 4 Haftleuchten 3. Linsenkörper, bikonvex (/ = +90 mm) 4. Linsenkörper, bikonkav Methodischer Hinweis Zu Variante 6 [SE~\ 3 5. Heftleuchte 6. Vierspaltblende ® (siehe 1.3.1.) 7. Flachglaskörper, bikonvex 8. weiße Unterlage Während V 3.2.5. lediglich die Ergebnisse der sphärischen Aberration zeigt, ist mit diesen Varianten zur Haft- bzw. Heftoptik die Entstehung zu veranschaulichen. Variante a t An der Hafttafel mit vorgezeichneter optischer Achse wird der Linsenkörper befestigt. Man richtet zuerst zwei achsennahe Lichtspuren parallel zur optischen Achse auf den Linsenkörper und markiert den Konvergenzpunkt hinter der Linse mit Kreide. Danach werden zusätzlich zwei weitere Haftleuchten befestigt, ihre Lichtspuren werden als achsenferne Parallelstrahlen eingerichtet. Der Konver- Abb. 3.2.6./1 Versuchsanordnung zur Demonstration des Strahlenverlaufes bei der Entstehung der sphärischen Aberration an Sammel- (a) und Zerstreuungslinsen (b) genzpunkt fällt nicht mit dem bereits markierten zusammen, sondern liegt näher an der Linse (Abb. 3.2.6./la). Ersetzt man den bikonvexen Linsenkörper durch einen bikonkaven, läßt sich zeigen, daß auch Zerstreuungslinsen sphärische Aberration zeigen (Abb. 3.2.6./lb). Variante b In die Heftleuchte wird die Vierspaltblende eingeschoben. Auf der weißen Unterlage werden parallellaufende Lichtspuren erzeugt. Bringt man den Flachglaskörper in den Strahlengang, beobachtet man die unterschiedliche Brennpunktlage für achsennahe und achsenferne Strahlen. Entfernt man die Vierspaltblende und richtet das volle Lichtbündel auf den Flachglaskörper, kann man die durch die sphärische Aberration verursachte Diakaustik beobachten. 130 V 3.2.7. # Bemerkungen 1. Nach Abbildung 3.2.6./1 können mit den vorgeschlagenen Anordnungen auch andere Linsenkörper untersucht werden. 2. Stehen nicht 4 Haftleuchten zur Verfügung, so können die achsennahen und die achsenfernen Lichtspuren (Variante a) auch nacheinander untersucht werden. 3.2.7. Demonstration des Astigmatismus schiefer Bündel # Zu Versuch 1 1. Sechskantschiene (0,5 m) 2. Optikleuchte 3. 4 große Klemmreiter 4. kleiner Klemmreiter 5. 2 Kondensorlinsen (/ = +120 mm) 6. Kreuzblende (s) (siehe 1.3.1.) 7. großer Spiegel auf Stiel i8. großer Glastrog (Aquarium) 9. Huoreszein oder Trübungsmittel Zu Versuch 2 Geräte 1. bis 4., 5. (nur einmal), außerdem 10. transparenter Schirm 11. Irisblende 12. Blendscheibe mit Schiebeschacht 13. Diarähmchen mit Transparentpapier ® (siehe 1.3.1.) Methodische Hinweise 1. Vergleiche MB 3.0.2.! 2. Von den beiden Versuchen hat Versuch 1 den Vorteil, das gesamte Lichtbündel hinter der Linse zu erfassen und somit einen Eindruck von der Entstehung des Astigmatismus zu vermitteln. .Der Versuch 2 zeigt sehr überzeugend, daß es bei der Abbildung durch schiefe Bündel mit einer nicht korrigierten Linse nicht gelingt, einen Gegenstandspunkt wieder als Bildpunkt abzubilden. Versuch 1 Der Versuch wird ähnlich wie V 3.1.1., Variante c, aufgebaut (Abb. 3.1.1./2a). Mit der ersten Kondensorlinse wird das Licht der Lichtquelle nahezu parallel bis ganz leicht divergent gemacht und so auf die zweite Kondensorlinse gerichtet. An der Blendscheibe dieser Linse ist mit Klebefilm eine Kreuzblende von 8 mm bis 10 mm Spaltbreite befestigt. Dicht hinter der Linse steht der Glastrog längs im Strahlengang. Er wird mit Hilfe von Stativmaterial auf die Höhe der optischen Achse gebracht. Der Trog ist mit Wasser gefüllt, das mit Eluoreszeinlösung oder einem Trübungsmittel versetzt wurde. Über dem Trog ist ein Spiegel mit Stiel 9* 131 # V 3.2.7. befestigt, der, um 45° geneigt, den Betrachtern den Einblick in den Trog von oben gestattet. Wenn die Linse senkrecht zur optischen Achse steht, sind die Konvergenzpunkte des in der Flüssigkeit sichtbaren Lichtbündels im Trog von der Seite und im Spiegel von oben betrachtet übereinstimmend. Verdreht man die Linse etwa bis zu 30° gegen die optische Achse, so ändert sich die Lage der Konvergenzpunkte. Der Schnittpunkt der in der Meridionalebene gesammelten Strahlen liegt näher an der Linse als der Schnittpunkt der in der Sagittalebene gesammelten Strahlen. Versuch 2 Vor der Optikieuchte werden auf einem Klemmreiter die Blendscheibe mit dem Schiebeschacht und die Irisblende gemeinsam aufgebaut. In den Schacht wird ein Diarähmchen mit Transparentpapier geschoben. Etwa in einer Entfernung, die der doppelten Brennweite entspricht, wird die als Abbildungslinse dienende Kondensorlinse aufgestellt. Auf dem Schirm wird das scharfe Bild des Gegenstandes, der etwa bis auf 2 mm geschlossenen Irisblende, aufgefangen. Nach Drehen der Linse um 20° bis 30° gegen die optische Achse erscheint das ehemals scharfe Bild des Gegenstandes verschwommen. Verschiebt man den Schirm längs der optischen Achse, wird in einer bestimmten Stellung die Lochblende als lotrechter Strich, in einer anderen Stellung weiter von der Linse entfernt als waagerechter Strich abgebildet. Dazwischen entstehen lotrecht oder waagerecht liegende Ellipsen. 3.2.8. Demonstration der astigmatischen Abbildung eines Kreuzgitters # 1. Sechskantschiene (Im) 2. Optikleuchte 3. 2 große Klemmreiter 4. kleiner Klemmreiter 6. Kondensorlinse (/= +120 mm) 6. transparenter Schirm 7. Diarähmchen mit Transparentpapier und aufgezeichnetem Kreuzgitter ® (siehe 1.3.1.) Methodischer Hinweis Der Versuch stellt eine Abwandlung des Versuches 3.2.7., Versuch 2, dar. Er ist besonders eindrucksvoll, weil er den Einfluß der Abbildung durch schiefe Bündel auf einen flächenhaften Gegenstand sichtbar macht. Versuch Das im Schiebeschacht der Optikleuchte untergebrachte Diarähmchen mit dem auf Transparentpapier gezeichneten Kreuzgitter wird mit der Kondensorlinse scharf auf dem Schirm abgebildet, so daß etwa ein gleich großes oder nur schwach vergrößertes, reellesBikd entworfen wird (Abb. 3.2.8./1). Dreht man nunmehr die Linse um 20° bis 30° gegen die optische Achse, ist die Schärfe des Bildes verlorengegangen. Nähert man bei sonst unveränderten Bedingungen den Schirm langsam der Linse, findet man eine Stellung, in der die waagerechten Striche 132 V 3.2.9. m scharf abgebildet werden. Bewegt man den Schirm noch weiter zur Linse zu, so findet man eine Stellung, in der die lotrechten Striche scharf erscheinen. Bemerkungen 1. Die Abbildung wird etwas verbessert, wenn man die Linse wie im Versuch 3.2.7. mit einer Kreuzblende versieht. 2. Verfügt man über einen Anastigmaten oder einen Doppelanastigmaten, so kann man den gleichen Versuch mit einem solchen korrigierten System vorführen. Noch bei Neigungen von etwa 45° gegen die Vertikale bildet der Anastig-mat das Kreuzgitter unverzerrt und scharf ab. 3. Der Versuch kann mit dem SE6 auch als Schülerexperiment durchgeführt werden, zur astigmatischen Abbildung des Kreuzgitters verwendet man die Sammellinse von / — 50 mm Brennweite. 3.2.9. Demonstration der Komafiguren durch Randstrahlen 1. Sechskantschiene (1 m) 2. Optikleuchte 3. 3 große Klemmreiter 4. kleiner Klemmreiter 5. Kondensorlinse (/ = +120 mm) 6. Irisblende 7. Blendscheibe mit Schiebeschacht 8. transparenter Schirm 9. Diarähmchen mit Transparentpapier ® (siehe 1.3.1.) 10. Ringblende ® (siehe 1.3.1.) Methodischer Hinweis Der Astigmatismus ist mit Hilfe der verschlungenen Komafiguren am eindruckvollsten zu zeigen. Versuch Die mit Transparentpapier hinterlegte Irisblende wird von der Lichtquelle gut beleuchtet. In einer Entfernung, die etwa der doppelten Brennweite entspricht, wird die abbildende Linse — versehen mit einer Ringblende zur Nutzung der Randstrahlen (vergleiche V 3.2.5.) — in den Strahlengang gebracht. Auf dem Schirm wird das reelle Bild der Lochblende aufgefangen (Abb. 3.2.9./1). 133 # V 3.2.9. Abb. 3.2.9./1 Vers uchsanordnung zur Beobachtung der Komafiguren Nunmehr verdreht man die Linse um 20° bis 30° gegen die optische Achse. Die Lochblende wird nicht mehr scharf abgebildet. Je nachdem in welcher Entfernung von der Linse der Schirm gebracht wird, entstehen die verschlungenen Komafiguren, die meist außerdem noch mit einem Farbfehler behaftet sind. Bemerkungen «* 1. Will man die Komafiguren einem größeren Kreis von Betrachtern vorführen, kann man der größeren Helligkeit wegen anstelle der Lochblende auch gleich die Glühwendel einer Glühpunktlampe abbilden. 2. Der Versuch gelingt sehr überzeugend bei Verwendung der großen Fresnel-linse eines Tageslichtschreibprojektors. 3. Will man die Komafiguren im Schülerexperiment beobachten, bildet man den Glühfaden der Glühlampe in der Experimentierleuchte (ohne Kondensor) mit einer Sammellinse von / = 100 mm Brennweite mit Ringblende scharf auf dem Schirm ab, dreht die Linse um 20° bis 30° und verschiebt danach den Schirm. 3.2.10. Demonstration der Entstehung der Koma (J Zu Variante «3 Zu Variante b 3 [SE] 1. Manipermtafel 4. Heftleuchte 2. 3 bis 4 Haftleuchten 5. Fünfspaltblende ® (siehe 1.3.1.) 3. Linsenkörper, bikonvex (/ = -{-90 mm) 6. Flachglaskörper, bikonvex 7. weiße Unterlage Methodischer Hinweis Der Versuch zeigt anschaulich durch Lichtspuren das Zustandekommen der nicht punktförmigen Abbildung schiefer Bündel. I Variante a An der Hafttafel mit vorgezeichneter optischer Achse .wird der Linsenkörper befestigt und von drei bis vier achsenparallelen Lichtspuren getroffen. 134 V 3.2.11. # Nach der Brechung sammeln sich die Spuren nahezu in einem Punkt. Verrückt man unter Beibehaltung der Parallelität die Haftleuchten so, daß der Lichteinfall einen Winkel von 10° bis 15° mit der optischen Achse einschließt, konvergieren die gebrochenen Strahlen außerhalb der optischen Achse nicht in einem Punkt sondern in einem ganzen Bereich, wobei die Entstehung der Koma deutlich zu sehen ist (Abb. 3.2.10./la). Abb. 3.2.10./1 Strahlenverlauf bei der Entstehung der Koma, dargestellt mit den Mitteln der Haftoptik (a) » und der Heftoptik (b und c) Variante b Fünf zueinander parallele Spuren der Heftleuchte werden auf den Flachglaskörper gerichtet. Bei symmetrischem Strahlengang schneiden die gebrochenen Strahlen einander in einem funkt. Verdreht man die Linse ein wenig, kann man sehr gut die Entstehung der Koma beobachten (Abb. 3.2.10./lb und c). 3.2.11. Demonstrotion der Bildfeldwölbung # 1. Sechskantschiene (Im) 2. Optikleuchte 3. 3 große Klemmreiter 4. kleiner Klemmreiter 5. Kondensorlinse.(/ = +120 mm) 6. Blendscheibe mit großer, transparentpapierbespannter Öffnung und Tuschezeichnung ® (siehe 1.3.1.) 7. transparenter Schirm Methodische Hinweise 1. Der Versuch zeigt schon bei Verwendung einfacher bikonvexer Linsen die Bildfeldwölbung überraschend deutlich. 2. Wie im V 3.2.1. ist die Demonstration der Bildfeldwölbung noch mit anderen Abbildungsfehlern behaftet, wovon der Farbfehler am deutlichsten hervortritt. Versuch Die Blendscheibe mit einer kreisförmigen Öffnung von etwa 100 mm und einer Strichzeichnung auf Transparentpapier (Abb. 3.2.11./lb) wird gut beleuchtet 135 # V 3.2.11. Abb. 3.2.1 l'./l Versuchsanordnung zum Nachweis der Bildfeldwölbung und von der Kondensorlinse, Planseite zum Objekt, auf dem Schirm so abgebildet, daß der mittlere Kreis scharf gezeichnet wird (Abb. 3.2.11./la). Rückt man^bei unveränderter Stellung aller anderen Bauteile den Schirm langsam näher auf die Linse zu, kann man nacheinander die Kreise mit immer größerem Radius scharf auf den Bildschirm einstellen. Um auch den äußersten Kreis scharf abzubilden, muß man den Schirm um eine ganz erhebliche Strecke verschieben. Die Radien und die Kreise werden dabei nicht an den gleichen Stellen scharf abgebildet; die Kreise sind dort scharf, wo die meridionalen Lichtbündel als Strich erscheinen, die Radien dort, wo die sagittalen Bündel ihre Striche zeichnen. Bemerkungen 1. Man kann den Versuch auch ohne Bildschirm auf einer kurzen optischen Bank aufbauen, die auf einem fahrbaren Tisch oder Wagen montiert ist. Man muß dann den Wagen ein ganzes Stück auf die Projektionswand zu bewegen, wenn man beginnend vom innersten Kreis die äußeren scharf abbilden möchte. 2. Stellt man die Plankonvexlinse so auf, daß ihre Konvexseite zur Blende hin gerichtet ist, so ist das Bildfeld nicht so stark gewölbt wie vorher. Wegen der großen sphärischen Aberration erscheinen aber die äußeren Kreise verwaschen. 3. Durch Einengen des Strahlenganges mit Hilfe einer Irisblende kann man zeigen, daß diese kaum einen Einfluß auf die Größe der Bildfeld Wölbung hat. 4. Als Schülerexperiment gelingt der Versuch bei Verwendung eines gut beleuchteten Transparentobjekts nach Abb. 1.3.1./7 und einer Linse von / = +100 mm Brennweite. 3.2.12. Demonstrotion der tonnen- und kissenförmigen Verzeichnung bei der Abbildung durch Sammellinsen bei falscher Pupillenlage % Zu Variante a 1. Sechskantschiene (1 m) 6. 2. Optikleuchte 7. 3. 3 große Klemmreiter 4. kleiner Klemmreiter 5. Blendscheibe mit Linse (/ = +150 mm) 8. Irisblende Diarähmchen mit Transparentpapier mit aufgezeichnetem Kreuzgitter (D (siehe 1.3.1.) transparenter Schirm 136 V 3.2.12. # Zu Variante b Geräte 1., 2,, 3. (4mal), 4., 5., 8., außerdem 9. 2 Kondensorlinsen (f =? +120 mm) 10. Blendscheibe mit Linse (/ = +100 mm) 11. Blendscheibe mit Schiebeschacht 12. Diarähmchen mit durchsichtiger Folie und aufgezeichnetem Kreuzgitter ® (siehe 1.3.1.) I Methodischer Hinweis Der Versuch bietet die Möglichkeit, den Schülern zu zeigen, daß bei der optischen Abbildung nicht allein Spiegel und Linsen die Bildqualität bestimmen, sondern auch die richtige Pupillenlage, beispielsweise die richtige Anordnung der Blenden oder der Linsen. Variante a Das im Schiebeschacht der Optikleuchte untergebrachte Diarähmchen mit einem auf Transparentpapier gezeichneten Kreuzgitter wird mit Hilfe der Linse gleich groß oder leicht vergrößert auf dem Schirm abgebildet. Dann bringt man zum Nachweis der tonnenförmigen Verzeichnung die Irisblende zwischen Objekt und Linse (Stellung I), zum Nachweis der kissenförmigen Verzeichnung zwischen Linse und Schirm (Stellung II) in den Strahlengang (Abb. 3.2.12./la). Abb. 3.2.12./1 Versuchsanordnung zur Demonstration der kissen-und tonnenförmigen Verzeichnung durch falsche Pupillenlage für die Abbildung eines transparenten (a) bzw. durchsichtigen (b) Körpers 137 # V 3.2.12. Variante b Der Aufbau erfolgt ähnlich wie bei Variante a. Anstelle des Transparentpapiers mit Kreuzgitter wird die durchsichtige Folie mit Kreuzgitter in den Schiebeschacht einer Blendscheibe gebracht und leicht vergrößert auf dem Schirm abgebildet. Zwischen Kreuzgitter und Optikleuchte bringt man noch den Doppelkondensor {Abb. 3.2.12./lb). Man zeigt, daß das Bild nicht verzeichnet ist, wenn das reelle Bild der Glühwendel direkt im Objektiv liegt. Man kann sich durch Vorhalten eines Stückes Transparentpapier leicht davon überzeugen. Nähert man die Lichtquelle dem Kondensor — das reelle Bild der Glühwendel wandert auf den Schirm zu — (das Bild liegt hinter der Linse), dann erscheint das Bild des Kreuzgitters kissenförmig verzeichnet. Entfernt man die Lichtquelle vom Kondensor (das Bild liegt zwischen Linse und Objekt), so erscheint das Bild auf dem Schirm tonnenförmig verzeichnet. Dieser Effekt wird erheblich verstärkt, wenn man zusätzlich eine weitere Kondensorlinse von +100 mm hinzufügt. 3.3. Demonstration von Bau und Wirkungsweise von Projektor, fotografischer Kamera und menschlichem Auge 3.3.1. Demonstration von Bau und Wirkungsweise eines Projektors für durchsichtige Bilder £ Zu Variante a 1. Sechskantschiene (1 m) 2. 5 große Klemmreiter 3. kleiner Klemmreiter 4. Glühpunktlampe (6 V; 5 A) auf 13 mm-Stiel ® (siehe 1.3.1.) 5. 2 Kondensorlinsen (/ = +120 mm) 6. Blendscheibe mit Linse (/ = +100 mm) 7. Blendscheibe mit Linse (/ = +50 mm) 8. Blendscheibe mit Schiebeschacht 9. Blendscheibe mit Hohlspiegel (/= +35 mm) (§) (siehe 1.3.1.) 10. transparenter Schirm 11. Farbdiapositiv, schwach gedeckt (D 12. Deckblende aus Pappe ® (siehe 1.3.1.) Zu Variante b [SB] Gerät 11., außerdem 13. Experimentierleuchte 14. 4 T-Füße 15. Blendrahmen mit Schiebeschacht 16. Blendrahmen mit Linse (/ — +100 mm) . 17. transparenter Schirm 138 V 3.3.1. # Abb. 3.3.1./1 Versuchsanordnung für die schrittweise Demonstration der Wirkungsweise eines Projektors im Lehrerexperiment (a bis d) und im Schülerexperiment (e) 139 # V 3.3.1. Methodische Hinweise 1. Mit der dargestellten Schrittfolge wird beabsichtigt, Bau und Wirkungsweise eines Diaprojektors entwickelnd zu behandeln. Dabei bleibt es dem Lehrer überlassen, die Reihenfolge seinen methodischen Absichten entsprechend zu variieren, z.B. Schritte zusammenzufassen, zu überspringen oder auszulassen. 2. Um bei der schrittweisen Demonstration die Lage der Bauteile zueinander nicht dauernd ändern zu müssen, ordnet man den unveränderlichen Teil des Versuchsaufbaus (Objekt, Objektiv, Schirm) so an, daß vor dem Farbdiapositiv soviel Platz verbleibt, um Kondensor, Glühpunktlampe und Spiegel aufzubauen. 3. Der Versuch bietet die Möglichkeit, die Schüler auf die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten der Diaprojektion hinzuweisen. Variante a Etwa 300 mm vom Ende der optischen Bank entfernt wird das im Schiebeschacht untergebrachte Diapositiv aufgestellt. Objektivlinse (/ = +100 mm) und Schirm werden so aufgebaut, daß der noch verbleibende Teil der optischen Bank voll genutzt und das "Farbdiapositiv scharf auf dem Schirm abgebildet wird. Man durchleuchtet das Diapositiv mit einer anfangs dicht davor aufgestellten Glühpunktlampe. Auf dem Schirm wird nur der zentrale Ausschnitt des Diapositives abgebildet. Entfernen der Glühpunktlampe vom Diapositiv vergrößert zwar den Ausschnitt, vermindert aber die Bildhelligkeit (Abb. 3.3.1./la). Der Doppelkondensor wird zwischen Lampe und Objekt, dicht an das Objekt herangerückt, gebracht. Nunmehr wird das gesamte Diapositiv abgebildet. Man zeigt, daß der günstigste Strahlen verlauf dann erreicht wird, wenn durch Verschieben der Lampe deren vom Kondensor entworfenes reelles Bild genau in der Objektivlinse liegt. Bei anderer Lage gibt es Verzeichnungen des Bildes (Abb. 3.3.1./lb). Durch Hinzufügen eines Hohlspiegels, dessen Mittelpunkt in der Glühwendel der Lampen liegt, wird die Bildhelligkeit abermals erheblich verbessert. Das zeigt man, indem man kurzzeitig zwischen Spiegel und Lampe eine Pappe bringt und die damit verbundene Verringerung der Bildhelligkeit beobachtet (Abb. 3.3.1./lc). Schließlich kann man durch Einbringen einer dritten Kondensorlinse mit einer Brennweite von +50 mm zwischen Lampe und Doppelkondensor die Lichtausbeute abermals erhöhen (Abb. 3.3.1./ld). Um Blendungen der Schüler beim Beobachten zu vermeiden, kann man vor die Lampe einen Blendschutz aus Pappe bringen. Variante b Auf dem langen Stativstab werden Experimentierleuchte, Schiebeschacht mit Farbdiapositiv, die Objektivlinse und der transparente Schirm in der aufgeführten Reihenfolge so angeordnet, daß die gesamte Länge der Bank genutzt und das Diapositiv scharf auf dem Schirm abgebildet wird (Abb. 3.3:l./le). Man entfernt die Kondensorlinse aus der Experimentierleuchte und durchleuchtet das Farbdia. Auf dem Schirm wird nur das Zentrum scharf abgebildet. Nach Einsetzen der Kondensorlinse wird das Farbdia vollständig abgebildet, wenn die Leuchte dicht an den Blendrahmen mit Schiebeschacht herangerückt wurde und das reelle Bild der Glühwendel in der Objektivlinse liegt. Weitere Teilschritte können mit dem SEG Optik nicht durchgeführt werden. 140 V 33.2. # Bemerkungen 1. Anstelle des kurzbrennweitigen Hohlspiegels bei Variante a kann eine Kombination aus einem Hohlspiegel mit der Brennweite von ungefähr 200 mm und einer dicht davorstehenden Sammellinse mit einer Brennweite von 150 mm verwendet werden. Noch einfacher ist es, die Rückseite der Glühpunktlampe mit einem passenden Stück Aluminiumfolie (Haushaltfolie) zu belegen, die man durch Glätten mit dem Fingernagel möglichst gut an die Wölbung der Lampe anpaßt. 2. Der Aufbau der Anordnung in Variante a kann auch auf der kleinen Schiene erfolgen, wenn man das Bild an einer Projektionswand entwirft. 3.3.2. Demonstration der Anwendung der Durchlichtprojektion im Tageslichtschreibprojektor und im Vergrößerungsgerät 0 Zu Variante a 1. Sechskantschiene (0,5 m) 2. Optikleuchte 3. 4 große Klemmreiter 4. 2 Kondensorlinsen (/ = +120 mm) 5. Blendscheibe mit Linse (/ = +200 mm) 6. Blendscheibe mit Linse (/ = +250 mm) 7. Blendscheibe mit Schiebeschacht 8. Spiegelstreifen (50 mm X100 mm) (s) (siehe 1.3.1.) Zu Variante b [SE] 9. Experimentierleuchte 10. Blendrahmen mit Schiebeschacht 11. Blendrahmen mit Linse (/ = +50 mm) 12. Diarähmchen mit schwach gedecktem Negativ (D (siehe 1.3.1.) 13. weißes Papier, A 5 Methodischer Hinweis Bei der Vorführung einzelner Anwendungsmöglichkeiten der Durchlichtprojektion sollte man stets die Gelegenheit nutzen, neben den aus den Aufbauteilen der optischen Bank zusammengesetzten Geräten ein industriemäßig gefertigtes vorzustellen. Dabei ergeben sich Anknüpfungspunkte, auf die Leistungsfähigkeit der optischen Industrie einzugehen. Variante a Mit Tischklemme und kurzem Stativstab wird die Sechskantschiene lotrecht aufgebaut. Man befestigt möglichst dicht über der Tischfläche die Optikleuchte und darüber den Doppelkondensor. Etwa 120 mm über der Kondensorlinse wird die Objektlinse mit einer Brennweite von +200 mm und abermals 70 mm darüber der in den Schiebeschacht eingebrachte und um 45° zur optischen Achse gedrehte 141 # V 3.3.2. Spiegel £j Abb. 3.3.2./1 Versuchsanordnungen zur Vorführung der Wirkungsweise eines Tagesli chtschreibpro j ektors im Lehrerexperiment (a) sowie eines Vergrößerungsapparates im Schülerexperiment (b) ebene Spiegel angeordnet. Die zweite Objektivlinse mit +250 mm Brennweite wird mit Hilfe von Stativmaterial lotrecht in Höhe des Spiegels eingespannt und neben die Anordnung gestellt (Abb. 3.3.2./la). Mit Fettstift oder Faserschreiber wird die ebene Fläche der Kondensorlinse beschriftet. Die Abbildung erfolgt an einer Projektionswand. Variante b Ein Stativstab wird mit einer Tischklemme lotrecht befestigt. Am oberen Ende bringt man die Experimentierleuchte an, dicht darunter den Blendrahmen mit Schiebeschacht und die Objektivlinse. Auf den Tisch legt man ein Stück weißes Papier unter die Anordnung. Darauf wird das schwach gedeckte Negativ im Schiebeschacht scharf abbildet (Abb. 3.3.2./lb). Bemerkung Wie man das Modell eines Vergrößerungsgerätes für den Lehrerversuch aufbauen kann, zeigt Abb. 1.2.1./2a. 3,3.3. Demonstration des Strahlenverlaufes in einem Projektor 3 1. Manipermtafel 4. Linsenkörper, plankonvex 2. 2 Haftleuchten 5. 2 Linsenkörper, bikonvex 3. kleine Haftleuchte Methodischer Hinweis Nach der Vorführung eines Versuches zur Demonstration von Bau und Wirkungsweise eines Projektors (V 3.3.1.) oder als integrierter Teilschritt eines solchen Versuches sollte die Vorführung des Strahlen verlauf es in einem Projektor er- 142 Abb. 3.3.3./1 Vorversuch (a) und Hauptversuch (b) bei der Demonstration des Strahlenverlaufes am Projektor folgen. Da dieser Versuch anspruchsvoll ist, z.B. hinsichtlich der Justierung der Haftbauelemente, empfiehlt sich eine entwickelnde Gestaltung nur, wenn in einem Vorversuch (Abb. 3.3.3,/la) die gegenseitige Lage der Teile ermittelt und auf der Hafttafel markiert wurde. Versuch An einer Hafttafel sind eine ausgedehnte Lichtquelle als Kreis und eine optische Achse vorgezeichnet. Der dünne bikonvexe Linsenkörper und der plankonvexe Linsenkörper werden zu einem Doppelkondensor zusammengesetzt und auf der Tafel befestigt. Die beiden, die vorgezeichnete Lichtquelle tangierenden Lichtspuren sollen sich kurz hinter der Kondensorlinse in einem Gegenstandspunkt schneiden. Mit Kreide kann an diesem Ort ein Pfeil als Gegenstand eingezeichnet werden. Der dicke bikonvexe Linsenkörper wird so in den Strahlen verlauf gebracht, daß sich die vom Gegenstand ausgehenden Lichtspuren hinter der Objektlinse in einem Bildpunkt schneiden und ein vergrößertes Bild eingezeichnet werden kann (Abb. 3.3.3./lb). 3.3.4. Demonstration von Bau und Wirkungsweise eines Projektors für undurchsichtige Bilder % 1. 2 bis 3 Sechskantschienen (1 m; 2x0,5 m) 7. Irisblende 2. 1 bis 2 Optikleuchten 8. Blendscheibe mit Schiebeschacht 3. 4 bis 6 große Klemmreiter 9. transparenter Schirm 4. kleiner Klemmreiter 10. farbiges, undurchsichtiges Bild 5. 1 bis 2 Kondensorlinsen (/ = +120 mm) (50 mmxöO mm) 6. Blendscheibe mit Linse (/= +200 mm) ® (siehe 1.3.1.) Methodischer Hinweis Zum besseren Verständnis von Bau und Wirkungsweise eines Episkopes empfiehlt sich ein entwickelndes Vorgehen, so oder ähnlich wie im V 3.3.1. vorgeschlagen. Versuch An den beiden Enden der 1 m langen optischen Bank werden im Schiebeschacht das undurchsichtige Farbbild (z. B. auf schwarzem Untergrund geklebte helle, # V 3.3.4. große Briefmarke) und der transparente Schirm aufgestellt. Dazwischen stellt man die Objektivlinse von -j-200 mm Brennweite, die den farbigen Gegenstand scharf und vergrößert auf dem Schirm abbildet. Mit einer Optikleuchte mit Kondensor wird das Farbbild von dem schwach divergent eingestellten Lichtkegel seitlich beleuchtet. Die Abbildung auf dem Schirm ist dabei nicht sonderlich hell. Das Hinzufügen einer zweiten Beleuchtungseinrichtung führt zur Erhöhung der Helligkeit des abgebildeten Farbbildes (Abb. 3.3.4./la). Der Versuch kann fortgesetzt werden, indem man eine Irisblende hinter die Objektivlinse setzt und diese ausgehend von einer Öffnung von etwa 10 mm langsam voll aufzieht. Das auf dem transparenten Schirm beobachtete Bild wird dabei immer heller, was zu dem Schluß führt, daß bei dieser Art der Projektion eine Linse mit möglichst großem Durchmesser verwendet werden muß. Bemerkung Mit den Geräten des SEG Optik läßt sich der Versuch als Schülerexperiment gemäß Abb. 3.3.4./lb durchführen; die Abbildungslinse hat eine Brennweite von / = +100 mm. 144 V 3.3.5. m 3.3.5. Demonstration von Bau und Wirkungsweise einer fotografischen Kamera (J Zu Variante a • 1. Sechskantschiene (0,5 m) 2. Optikleuchte 3. 2 große Klemmreiter 4. Blendscheibe mit Linse (/ = +250 mm) 5. Blendscheibe mit Linse (/ = +200 mm) 6. Irisblende 7. Blendscheibe mit Schiebeschacht 8. Transparentobjekt 9. Diarähmchen mit Transparentpapier ® (siehe 1.3.1.) Zu Variante 6 [8EJ 10. Experimentierleuchte (ohne Kondensorlinse) 11. 3 T-Füße 12. Blendrahmen mit Linse (/ = +250 mm) 13. Blendrahmen mit Linse (/= +100 mm) 14. Blendrahmen mit Schiebeschacht 15. Schirm 16. Lochblendstreifen aus Pappe (§) (siehe 1.3.1.) Methodische Hinweise 1. Vergleiche MB 3.0.3.! 2. Nach der Demonstration von Bau und Wirkungsweise einer fotografischen Kamera mit den Mitteln der optischen Bank sollte man Abbildung, Scharfeinstellung und Blendenwirkung an einer industriemäßig hergestellten Kamera zeigen. Variante a Auf einer kurzen optischen Bank wird ein Kameramodell aus Aufbauteilen zusammengesetzt. Als Objektiv werden die beiden Sammellinsen von +250 mm und +200 mm Brennweite mit einer dazwischen angeordneten Irisblende auf einem Klemmreiter aufgebaut. Als Mattscheibe wird ein Diarähmchen mit Transparentpapier — in einer Blendscheibe mit Schiebeschacht untergebracht — verwendet. In größerer Entfernung hat man mit Stativmaterial die Optikleuchte in Höhe der optischen Achse montiert und das Transparentobjekt in den Schiebeschacht des Lampenhauses eingebracht (Abb. 3.3.5./la). Man stellt die Kamera durch Verschieben des Klemmreiters mit dem Objektiv auf den weit entfernten Gegenstand scharf ein. Dann nähert man die Optikleuchte der Kamera und zeigt, daß dabei stets erneut scharf eingestellt werden muß; das Objektiv muß um so weiter von der Mattscheibe fortgerückt werden, je näher der Gegenstand ist. Schließlich zeigt man die Wirkung der Blende. Man engt die Irisblende immer mehr ein und beobachtet, daß dabei die Helligkeit des Mattscheibenbildes immer mehr 10 [022147] 145 $ V 3.3.5. ßegenstand Abb. 3.3.5./1 Anordnung zur Demonstration von Bau und Wirkungsweise einer fotografischen Kamera im Lehrer- (a) und im Schülerexperiment (b) abnimmt. Gleichzeitig führt man vor, daß mit kleiner werdender Blendenöffnung der scharf abgebildete Bereich immer größer wird. Variante b Als Kameramodell ordnet man auf dem kurzen Stativstand das Objektiv mit Blende (T-Euß mit den beiden Linsen / = +100 mm und / = +250 mm und dazwischen den Blendrahmen mit Schiebeschacht) und den Schirm als Mattscheibe, wie Abb. 3.3.5./lb zeigt, an. Das reelle Bild der Glühwendel der Glühlampe der weit entfernt aufgestellten Experimentierleuchte (ohne Kondensorlinse) bildet man scharf auf dem Schirm ab. Nähern des Gegenstandes (Glühwendel) erfordert jeweils erneute Scharfeinstellung. Die Wirkung der Blende auf Bildhelligkeit und Schärfentiefe kann mit einem Lochblendstreifen gezeigt werden. 3.3.6. Demonstration des Strahlenverlaufes in einer fotografischen Kamera O 1. Manipermtafel 5. Kameraquerschnittsmodell 2. kleine Haftleuchte aus Zeichenkarton (3) (siehe 1.3.2.) 3. Linsenkörper, bikonvex (/= +150 mm) 6. Manipermkerne 4. ebener Spiegel 7. 2 Blenden 146 V 3.3.6. m Methodische Hinweise 1. Der Versuch ergänzt die gewonnenen Kenntnisse der Schüler über Bau und Wirkungsweise eines fotografischen Kamera im Hinblick auf den Strahlengang. Er sollte deshalb gemeinsam mit V 3.3.5. vorgeführt werden. 2. Wegen der grundsätzlichen Übereinstimmung des Strahlenverlaufs in der fotografischen Kamera und im menschlichen Auge empfiehlt sich auch eine Gegenüberstellung mit V 3.3.9. Versuch Auf die Hafttafel wird eine optische Achse gezeichnet. An der linken Seite der Tafel wird etwas außerhalb der optischen Achse die kleine Haftleuchte befestigt, an der rechten Seite der Kameraquerschnitt mit einigen Manipermkernen gehalten und der bikonvexe Linsenkörper als Kameraobjektiv eingesetzt. Das volle Lichtbündel der Haftleuchte wird auf das Kameraobjektiv gerichtet, und die Linse wird so weit längs der optischen Achse verschoben, bis der Bildpunkt in der Film-ebene zu liegen kommt (Abb. 3.3.6./la). Abb. 3.3.6./1 Versuchsreihe zur Demonstration des Strahlenverlaufes in einer fotografischen Kamera bei Einstellung auf einen entfernten (a) oder einen nahen (b) Gegenstand mit veränderter Blendeneinstellung (c) bzw. bei Verwendung einer Spiegelreflexkamera (d) Nunmehr wird die Haftleuchte näher an die Kamera gerückt, wodurch die „Scharfeinstellung" gestört ist. Der Konvergenzpunkt der gebrochenen Strahlen liegt nicht mehr in der Filmebene. Erst wenn man die Linse weiter von der Filmebene entfernt, gelingt erneut die Scharfeinstellung (Abb. 3.3.6./lb). Schließlich kann man in den Strahlengang hinter die Linse noch die beiden Blenden bringen und so das zur Bildentstehung genutzte Lichtbündel einengen. Man zeigt, daß durch die Bündeleinengung die Scharfeinstellung erhalten bleibt (Abb. 3.3.6./lc). Die Wirkungsweise einer Spiegelreflexkamera demonstriert man durch Einbringen des ebenen Spiegels in den Kameraquerschnitt. Der Bildpunkt wird nunmehr auf einer markierten Einstellmattscheibe abgebildet (Abb. 3.3.6./ld). V 3.3.7. 3.3.7. Demonstration des Einflusses der Brennweite eines Kameraobjektives auf den Bildausschnitt 1. Sechskantschiene (0,5 m) 2. 3 große Klemmreiter 3. Blendscheibe mit Schiebeschacht 4. Blendscheibe mit Linse (/ = +50 mm) 5. Blendscheibe mit Linse (/ = +100 mm) Methodische Hinweise 6. Blendscheibe mit Linse (/ = +150 mm) 7. Blendscheibe mit Linse (/ = +200 mm) 8. Blendscheibe mit Linse (/ = —100 mm) 9. Diarähmchen mit Transparentpapier ® (siehe 1.3.1.) 1. Vergleiche MB 3.0.3.! 2. Die Demonstration kann besonders eindrucksvoll ergänzt werden, wenn man zusätzlich eine Spiegelreflexkamera mit auswechselbaren Objektiven benutzt. Versuch Auf der kurzen optischen Bank wird aus je einer Linse und der Mattscheibe eine einfache Kamera zusammengesetzt. Man beginnt den Versuch mit einer kurz-brenhweitigen Linse uhd stellt das Bild eines fernen Gegenstandes scharf ein. Man merkt oder skizziert sich den auf der Mattscheibe betrachteten Bildausschnitt (Abb. 3.3.7./la). Man ersetzt die Objektlüise durch immer längerbrennweitige, stellt jeweils scharf ein und betrachtet den Bildausschnitt (Abb. 3.3.7./lb und c). Der Vergleich zeigt, daß mit zunehmender Brennweite der Bildausschnitt immer kleiner wird. Die Wirkungsweise eines Teleobjektives führt man so vor, indem man 100 mm vor der Mattscheibe die Zerstreuungslinse von —100 mm Brennweite und abermals 100 mm davor die Sammellinse von +150 mm Brennweite aufstellt. Das scharfe Bild auf dem Schirm zeigt einen abermals kleineren Bildausschnitt, der dem einer Sammellinse von der Brennweite von +300 mm entspricht (Abb. 3.3.7./ld). Abb. 3.3.7./1 Versuchsreihe zur Demonstration Oes Einflusses der Kamerabrennweite auf den Bildausschnitt 148 V 3.3.8. 3.3.8. Demonstration von Bau und Wirkungsweise des menschlichen Auges 3 Zu Variante a , 1. Sechskantschiene (0,5 m) 2. Optikleuchte 3. großer Klemmreiter 4. kleiner Klemmreiter 5. Blendscheibe mit Linse (/ = +200 mm) 6. Blendscheibe mit Linse (/ = +250 mm) 7. Irisblende 8. Rundkolben mit kurzem Hals (0 = 130 mm), an einer Seite mattiert ® (Abb. 1.3.1./14) 9. zentral durchbohrter Stopfen Zu Variante b Geräte 1., 2., 3. (2mal), 5. bis 7., außerdem 10. Blendscheibe mit Linse (/ == +150 mm) 11. Blendscheibe mit Schiebeschacht 12. Diarähmchen mit Transparentpapier (§3 (siebe 1.3.1.) Zu Variante c [SE] Gerät 12., außerdem 13. Experimentierleuchte (ohne Kondensor) 14. 3 T-Füße 15. Blendrahmen mit Linse (/ = +50 mm) 16. Blendrahmen mit Linse (/= +100 mm) 17. Blendrahmen mit Schiebeschacht Methodische Hinweise 1. Von allen dargestellten Versuchen kommt die Variante a sowohl vom Bau als auch vom physikalischen Sehvorgang her dem menschlichen Auge am nächsten, weil durch den wassergefüllten Rundkolben der Glaskörper des menschlichen Auges simuliert wird. 2. Die große Ähnlichkeit der Abbildung durch das menschliche Auge und durch die fotografische Kamera macht man deutlich, indem man nebeneinander entsprechende Versuche von V 3.3.5. und 3.3.8. vorführt. j Variante a: Versuch mit einem .wassergefüllten Augenmodell Auf die kurze optische Bank wird auf einem kleinen Klemmreiter ein mit Wasser gefüllter und verschlossener Rundkolben gesetzt (vgl. Abschnitt 1.3.1. und Abb. 1.3.1./14b), so daß der Mittelpunkt der Kugelwölbung in Höhe der optischen Achse liegt. Die mit Schmirgelpapier aufgerauhte Mäche wird so angeordnet, daß sie von der optischen Achse zentral durchstoßen wird. Dicht vor den Rundkolben werden auf einem Klemmreiter die Linse mit +200 mm Brennweite sowie die Irisblende aufgestellt und so dicht an den Kolben herangebracht, daß ein 149 • V 3.3.8. ■ Abb. 3.3.8./1 Versuchsanordnungen zur Demonstration der Wirkungsweise des menschlichen Auges im Lehrerexperiment mit einem Augenmodell mit simuliertem Glaskörper (a) und ohne Glaskörper (b) sowie mit einem einfachen Augenmodell für das Schülerexperiment (c) \ weit entfernter Gegenstand, z. B. die mit Stativmaterial in Höhe der optischen Achse montierte Optikleuchte, scharf auf der mattierten Fläche des Bundkolbens abgebildet wird. Damit ist das Augenmodell auf den Fernpunkt eingestellt (Abb. 3.3.8./la). Zur Demonstration der Einstellung des Augenmodells auJE den Nahpunkt wird die zweite Linse mit +250 mm Brennweite so dicht wie möglich an die Irisblende 150 ■ V 3.3.9. # gesetzt und damit die Akkommodation der Augenlinse simuliert. Die Optikleuchte muß dem Augenmodell bis auf etwa 220 mm genähert werden, damit der Glühfaden wieder scharf auf der mattierten Kolbenfläche erscheint. Die helligkeitssteuernde Wirkung der Irisblende erkennt man leicht beim öffnen bzw. Schließen. Variante b: Versuch mit einem einfachen Augenmodell (Lehrerexperiment) Ein einfacheres Augenmodell stellt man sich aus zwei dicht auf einem Reiter zusammenstehenden Linsen von +200 mm und +250 mm Brennweite und einem kleinen transparenten Schirm her, der in den Schiebeschacht einer Blendscheibe eingeschoben ist. Die Einstellung auf den Eernpunkt geschieht wie bei Variante a (Abb. 3.3.8./lb). Zur Nahpunkteinstellung tauscht man die Linse mit einer Brennweite von +250 mm gegen eine solche von +150 mm aus. Der Nahpunkt liegt dann ungefähr 330 mm vor der Augenlinse. Nach Einfügen einer Irisblende kann man deren Funktion vorführen. Variante c: Versuch mit einem einfachen Augenmodell {Schülerexperiment) Das Augenmodell besteht aus einem kleinen transparenten Schirm im Blendrahmen mit Schiebeschacht als Netzhaut und einer Linse von +50 mm Brennweite. Zur Einstellung auf den Fernpunkt wird die als Gegenstand fungierende Glühwendel in der Experimentierleuchte ohne Kondensorlinse scharf abgebildet (Abb. 3.3.8,/lc). Bringt man 20 mm vor die Augenlinse eine zweite Linse'mit +100 mm Brennweite, kann man mit der Experimentierleuchte ohne Kondensor prüfen, daß der Nahpunkt etwa 100 mm vor dem Augenmodell liegt. Um Überstrahlungen und Blendungen zu vermeiden, betreibt man die Glühlampe mit beträchtlicher Unterspannung. 3.3.9. Demonstration des Strahlenverlaufes im menschlichen Auge 3 1. Manipermtafel 2. 2 Haftleuchten 3. kleine Haftleuchte 4. Linsenkörper, bikonvex (/= +150 mm) 5. Lmsenkörper, bikonvex (/ = +90 mm) 6. Augenquerschnittsmodell aus Zeichenkarton ® (siehe 1.3.2.) 7. Manipermkerne 8. 2 Blenden Methodischer Hinweis Im Versuch wird die Änderung der Brennweite der Augenlinse nicht wie im menschlichen Auge durch Kontraktion des Ziliarmuskels erreicht, sondern durch Auswechseln der bikonvexen Linsenkörper. Der an der Lichtbrechung im menschlichen Auge beteiligte Glaskörper entfällt bei der modellhaften Darstellung vollständig. Diese erheblichen Unterschiede sind den Schülern bewußtzumachen. 151 # V 3.3.9. Versuch Auf der Hafttafel mit vorgezeichneter optischer Achse wird möglichst weit rechts das Augenquerschnittsmodell aus weißem Zeichenkarton mit Manipermkernen befestigt und zur Demonstration der Einstellung des Auges auf den Fernpunkt der bikonvexe Linsenkörper von +150 mm Brennweite als Augenlinse eingesetzt. Die zwei von den Haftleuchten erzeugten, etwa 80 mm voneinander entfernten Lichtspuren treffen als achsenparallele Strahlen die Augenlinse und werden auf der „Netzhaut" zu einem Bildpunkt des weit entfernten Gegenstandes vereinigt (Abb. 3.3.9./la). Abb. 3.3.9./1 Versuchsanordnung zur Demonstration des Strahlenverlaufes im menschlichen Auge bei Einstellung auf den Fernpunkt (a, b) und bei Einstellung auf den Nahpunkt (c, d) Unter Beibehalten der Parallelität der Lichtspuren gibt man ihnen eine leichte Neigung zur optischen Achse. Der Bildpunkt liegt dann auf einer anderen Stelle der „Netzhaut" (Abb. 3.3.9./lb). Zur Einstellung des Auges auf den Nahpunkt ersetzt man den Linsenkörper von +150 mm Brennweite durch den von +90 mm Brennweite. Etwa 220 mm bis 230 mm vor der Augenlinse wird etwas außerhalb der optischen Achse die kleine Haftleuchte befestigt und ihr divergenter Lichtkegel auf das Augenmodell gerichtet. Der Bildpunkt entsteht wiederum auf der „Netzhaut" (Abb. 3.3.9./lc). Das volle Strahlenbündel kann in diesem Teilversuch natürlich auch durch zwei Lichtspuren ersetzt werden (Abb. 3.3.9./ld). Durch Einbringen von zwei Blenden in den Strahlengang des vollen Lichtkegels kann man leicht die Wirkungsweise der Augenpupille demonstrieren (Abb. 3.3.9./lc). 152 V 33.10. $ 3.3.10. Demonstration der Akkommodation der Augenlinse # 1. Sechskantschiene (0,5 m) 2. Optikleuchte 3. 2 große Klemmreiter 4. kleiner Klemmreiter 6. Irisblende 6. akkommodationsfähige Linse (D (siehe 1.3.1.) Methodischer Hinweis Der Versuch zeigt sehr überzeugend die Akkommodation der Linse im menschlichen Auge. Der Versuch sollte parallel mit einer der Varianten von V 3.3.8. durchgeführt werden. Versuch Zur Vorführung der Akkommodationsfähigkeit der Augenlinse stellt man einen mit dehnbaren durchsichtigen Plastmembranen versehenen Hohlkörper (vgl. Abschnitt 1.3.1. und Abb. 1.3.1./14a), der voll mjt destilliertem Wasser gefüllt ist, am Ende der kurzen optischen Bank auf. Dicht dahinter bringt man die Irisblende. Am anderen Ende der optischen Bank steht der transparente Schirm, Ungefähr zwei Meter vor der akkommodationsfähigen Linse steht die Optikleuchte in Höhe der optischen Achse (Abb. 3.3.10./1). In den Hohlkörper wird über einen Schlauch langsam Luft geblasen. Die Membranen wölben sich beiderseits konvex auf und man kann beobachten, daß die Glühwehdel immer schärfer auf dem Schirm abgebildet wird. Bei Erreichen der größten Schärfe quetscht man den Schlauch ab. Die Abbildung kann verbessert werden, wenn man die Irisblende bis auf etwa 40 mm bis 30 mm schließt. Nunmehr wird soviel Luft in den Hohlkörper geblasen, wie bei Aufwenden aller Lungenkraft möglich ist. Danach wird der Schlauch wieder abgequetscht. Die Linse ist jetzt auf den Nahpunkt akkommodiert. Man muß die Lichtquelle erheblich näher an die Linse heranrücken, um wieder ein scharfes Bild auf dem Schirm beobachten zu können. Abb. 3.3.10./1 Versuchsanordnung zur Demonstration der Wirkungsweise einer akkommodationsfähigen Linse " 153 V 3.3.11. 3.3.11. Demonstration der Korrektur von Fehlsichtigkeit 3 Zu Variante a Gerate wie beim V 3.3.8., Variante a, 3. (2mal); 6. (2mal), außerdem i 18. Blendscheibe mit Linse (/= +150 mm) 19. Blendscheibe mit Linse (/= +1000 mm; Brillenglas mit +1 Dptr.) (siehe 1.3.1.) 8. Prisma oder Hohlprisma, gleichseitig 9. Pappblende ® (siehe 1.3.1.) Zu Variante c O 10. 2 Sechskantschienen (0,5 m; 1 m) 11. Schwenkverbindung 12. Optikleuchte 13. 4 bis 5 große Klemmreiter 14. 2 kleine Klemmrefter (1 X mit Verlängerungsstück) 15. 2 Kondensorlinsen (/ = +120 mm) 16. Blendscheibe mit Linse (/ = +150 mm) 17. Blendscheibe mit Linse (/ = +200 mm) 18. Blendscheibe mit Linse (/ = —250 mm) 19. Blendscheibe mit Mikrometerspalt • 20. Prismentisch 21. Prisma oder Hohlprisma, gleichseitig 22. Transparentschirm Zu Variante d [SE] 3 Gerät 21., außerdem 23. Experimentierleuchte 24. Spaltblende (0,2 mm) 25. 4 T-Püße 26. Blendrahmen mit Linse (/ = +100 mm) 27. Blendrahmen mit Linse (/ = +250 mm) 28. Blendrahmen mit Linse (/ = +50 mm) 29. Tischchen 30. Gelenkverbindung ® (siehe 1.3.1.) 31. Bildschirm, transparent 32. Papprohre als Blendschutz ® (siehe 1.3.1.) Zu Variante e [SEJ 33. Geradsichtprisma oder Prisma, gleichseitig 34. Stricknadel oder Pappe mit feiner Spaltblende ® 35. schwarze Unterlage Zu Variante f [SE] 3 36. Kühlschrankbox 37. Kerze 194 V 4.1.1. • Methodische Hinweise 1. Vergleiche MB 4.0.1.! 2. Die Varianten e und f sind auch als Hausexperimente durchführbar. 3. Sollen der Strahlengäng und die Erzeugung eines Spektrums erarbeitet werden, wähle man die Variante c oder d, eventuell gemeinsam mit V 4.1.3., ansonsten sind die Varianten a und b zur schnellen Erzeugung eines hellen Spektrums zu empfehlen. Variante a Ein großer Pappspalt wird mit dem Tageslichtschreibprojektor waagerecht und scharf auf einer Projektionswand abgebildet. Mit Hilfe von Stativmaterial bringt man das Geradsichtprisma dicht hinter der Objektivlinse gut durchstrahlt in den Strahlengang. An der Projektionswand ist ein helles Spektrum zu beobachten (Abb. 4.1.1./la). Abb. 4.1.1./1 Versuchsanordnungen zur Demonstration der spektralen Zerlegung des Lichtes bei Verwendung eines Tageslichtschreibprojektors (a) oder eines KLeinbildprojektors (b) Variante b Ein enger Spalt wird in den Diapositivschacht eines Kleinbildprojektors gebracht und scharf auf einer Projektionswand abgebildet. Dicht vor dem Objektiv bringt man ein gleichseitiges Prisma oder ein flüssigkeitsgefülltes Hohlprisma gut durchleuchtet unter Verwendung von Stativmaterial in den Strahlengang. Man dreht die gesamte Anordnung, bis das Spektrum an der Stelle des ehemaligen Spalt-bildes an der Projektionswand liegt. Durch leichtes Nachdrehen des Prismas stellt man auf das Minimum der Ablenkung ein. Seitlich am Prisma vorbeigehendes Licht blendet man mit einer weiten Pappblende ab (Abb. 4.1.1./lb). Variante c ' Nachdem beide Sechskantschienen mit der Schwenkverbindung zusammengesetzt sind, ordnet man auf der kürzeren Schiene die Optikleuchte, den Doppelkon- 13* 195 V 4.1.1. Abb. 4.1.1 ./2 Versuchsanordnung zur Demonstration der spektralen Zerlegung des Lichtes im Lehrerexperiment (a, b) oder im Schülerexperiment