Blackbox zur Lochkamera

Blackbox zur Lochkamera
Versuchsaufbau
Kurzbeschreibung
Erklären der physikalischen Eigenschaften einer Lochkamera
Kategorien
Optik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für:	Klasse 7
Basiskonzept:	System, Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform	Demoexperiment, Lehrerexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie	3
Anspruch des Aufbaus	mittel
Informationen
Name:	Nils Lüder
Kontakt:	${\text{luederni}}$@${\text{student.hu-berlin.de}}$
Uni:	Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in:	Wiebke Musold

Die Lochkamera (Camera Obscura) ist erstmals im 13. Jahrhundert von Roger Bacon (siehe Götz, Langensiepen, Dahncke (1995), S. 323) erwähnt worden. Sie bildet in der heutigen Zeit für Schüler und Schülerinnen eine gute Grundlage für das Verständniss über die Ausbreitung des Lichts. Dieser Versuch erklärt den genauen Aufbau einer Lochkamera sowie die Bedingungen für das Entstehen eines Bildes. Der Versuch ist in drei Teile unterteilt. Zuerst wird sich mit der Fragestellung beschäftigt: "Wieso ist das Bild auf dem Schirm eigentlich seitenverkehrt?". Im zweiten Teil der Versuchsreihe werden verschiedene Blenden verwendet und die Auswirkung der unterschiedlichen Blendenformen und Blendengrößen untersucht. Im Anschluss wird der Abstand zwischen Lampe und Blende variiert und deren Auswirkung auf das entstehende Bild beobachtet.

Didaktischer Teil

Die Lochkamera ist ein Element des Pflichtbereichs "Sehen und gesehen werden" des Berliner Rahmenlehrplans in der Doppeljahrgangsstufe 7/8 (siehe Rahmenlehrplan Berlin (2006), S. 28). Die Lochkamera eignet sich besonders gut für den Einstieg in die Anfangsoptik, da sie ohne viel Aufwand sehr beeindruckende Erkenntnisse liefert. Außerdem ist sie einfach aufgebaut und es benötigt kaum Vorerfahrungen, um die physikalischen Grundlagen der Lochkamera zu verstehen. Da die Schüler und Schülerinnen meist sehr begeistert von der Lochkamera sind und teilweise sogar schon Vorstellungen über die Funktionsweise haben, bietet sich die hier vorgestellte Blackbox zur Lochkamera an, um einen Phänomen-orientierten Unterricht nach Wagenschein zu unterrichten. In diesem Fall wurde der genetische Unterricht gewählt, wie er von Wagenschein (siehe Wagenschein (1968)) entwickelt wurde.

Unter genetischem Unterricht wird die Erklärung der Phänomene aus der logischen Entwicklung heraus verstanden. Es wird, laut Wagenschein, ein fließender Übergang von den vorwissenschaftlichen Erfahrungen hin zu den wissenschaftlich abgesicherten Erkenntnissen geschaffen. (siehe Priemer (2016)) Der genetische Unterricht wird unterteilt in individuell-genetisch und logisch-genetisch. Unter individuell-genetisch versteht man einen Schüler-orientierten genetischen Unterricht. Das bedeutet, dass die Lehrkraft bei den vorwissenschaftlichen Erfahrungen/ Schülervorstellungen der Schüler und Schülerinnen startet und dieses Vorwissen weiter entwickelt, bzw. ändert und sich dann kleinschrittig zu den wissenschaftlich abgesicherten Erkenntnissen vorarbeitet. Hierbei gilt es vorallem darauf zu achten, dass die Lehrkraft keine den Schülern und Schülerinnen fremde Fachwörter (siehe Kircher, Girwidz, Häußler (Hrsg.) (2010), S.172) verwendet, da sonst die Gefahr droht diese auf ihrem Weg zur wissenschaftlichen Erkenntnis zu verlieren.

In der folgenden Versuchsreihe wurden die Funktionsweise sowie die Rahmenbedingungen einer Lochkamera kleinschrittig auseinandergenommen und mit dem Fokus auf einzelne Details wieder zusammen gesetzt. So könnte zum Beispiel der erste Teil (Seitenverkehrte Abbildungen) zusammen mit dem zweiten Schritt behandelt werden. Da hier allerdings weitere Beobachtungen hinzu kommen, wurde das Experiment nochmal überarbeitet und separat an den Anfang gestellt. Alle "störenden" Faktoren wurden beseitigt, wodurch sich lediglich auf das Vertauschen der Farben konzentriert wurde.

Der phänomenologische Ansatz Wagenscheins wurde in diesem Semester auch in anderen Vorträgen angesprochen, so zum Beispiel in dem Vortrag von Phillip Fischer zum Thema Inklusion. In diesem Vortrag wurde über körperliche Erfahrungen der Kraftbegriff eingeführt. Sodass der menschliche Körper als Messinstrument für spürbare Kräfte genutzt wurde. Des Weiteren gab es einen Versuch von Niklas Sturm zum Thema Reihen-, Parallelschaltung, Leistung am Lastwiderstand, welcher Phänomenologisch betrachtet wurde. (siehe: E-Lehre Stromkreise 1617)

Versuchsanleitung

Aufbau

Abb.2: Aufbau des Rahmens

Abb.3: Blende in Blendenhalterung

Für die Blackbox werden die folgenden Materialien benötigt:

• 4 Tischklemmen
• 8 Doppelgelenkmuffen
• 8 lange Stativstangen
• Butterbrotpapier/ Dünne Papiertischdecke
• Schwarzer Stoff zum Abdecken
• Magnet/ Tesa-Film

Für die Blenden und die Blendenhalterung:

• 4 schmale Holzbretter
• 3 Stativstangen
• 2 Doppelmuffen
• Stativklemme mit Muffe
• 1 Stativfuß

Die vier Tischklemmen am Tisch befestigen und mithilfe der Stativstangen und der Doppelgelenkmuffen einen Rahmen für die Blackbox bauen (Siehe Abbildung 2). Anschließend die dünne Papiertischdecke mithilfe der Magneten/ des Tesa-Films an der Stirnseite der Apperatur befestigen und den restlichen Aufbau mit dem Schwarzen Stoffs abdecken. (Funktioniert auch ohne den Stoff, allerdings entsteht dann sehr viel Streulicht und die Ergebnisse sind nicht gut erkennbar.) Für die Blendenhalterung wird eine Stativstangen mithilfe des Stativfußes aufgestellt. Mit den restlichen Materialien die Sativklemme so positionieren, dass die Holzblenden in der Blackbox befestigt werden können (siehe Abbildung 3). Die verschiedenen Blendenformen (Großer Kreis, kleiner Kreis, großes Dreieck, kleines Dreieck), wie in den Abbildungen 6-9, in die Holzbretter sägen. Optional kann anstelle der Holzbretter auch ein dickes Stück Papier benutzt werden, allerdings sind die Holzbretter wesentlich stabiler.

Für die einzelnen Experimente sollten die folgenden Materialien bereit gelegt werden:

• Ringlampe mit Fassung
• Stablampe mit Halterung
• 2 unterschiedlich farbige Glühbirnen mit zugehörigen Fassungen
• 3 Stativfüße mit Stativklemmen
• Kreisblende mit verstellbarem Durchmesser

Durchführung

Diese Versuchsreihe ist in drei Teile unterteilt:

• Vertauschen der Seiten
• Abhängigkeit von der Blendenform
• Abhängigkeit vom Abstand

Für alle drei Versuchsabschnitte wird die Blackbox (siehe Aufbau) benötigt. Die Schüler und Schülerinnen sollen bei allen Versuchsschritten Beobachtungen machen und diese qualitativ auswerten.

Vertauschen der Seiten

Abb.4:Blick vom Schirm auf die Anordnung der Lampen

Im ersten Teil des Experiments werden die zwei unterschiedlich farbigen Glühbirnen mit zugehöriger Fassung benötigt (hier Blau und Weiß). Die Glühbirnen werden wie in Abbildung 4 aufgestellt. Zwischen den Lampen und dem Schirm (Papiertischdecke) wird die große Kreisblende in der Blendenhalterung montiert. Anschließend werden die Lampen angeschaltet und das Raumlicht abgedunkelt. Die Schüler und Schülerinnen sollen den halbdurchlässigen Schirm beobachten und Vermutungen aufstellen, wie die Lampen hinter der Blende aufgestellt sind. Alternativ kann der Schirm auch entfernt werden und die Schüler und Schülerinnen müssen vor der Blende entlang laufen. Dabei sollten Beobachtungen aufgenommen werden von welcher Position aus die jeweilige Lampe (Farbe) zusehen ist. Dieser Teil sollte besonders aufmerksam durchgeführt werden, da viele Schüler und Schülerinnen mit der Vorstellung am Unterricht teilnehmen, dass sich das Bild als ganzes durch die enge Öffnung quetsche ("Trichterargumentation").(siehe Wiesner, Schecker, Hopf (2011), S. 40f). Eine genauere Beschreibung dieser Schülervorstellung findet sich im Artikel Lochkamera - Camera obscura wieder.

Abhängigkeit von der Blendenform

Abb.5:Blick vom Schirm auf die Anordnung der Lampen

Für diesen Teil der Versuchsreihe wird die blaue Glühbirne gegen eine Ringlampe und die weiße Glühbirne gegen eine Stablampe ausgetauscht (siehe Abbildung 5). Des Weiteren benötigt man die verschiedenen Holzblenden und die Kreisblende mit variablem Durchmesser. Zuerst werden die Holzblenden in der folgenden Reihenfolge eingesetzt:

• großer Kreis (siehe Abb.6)
• kleiner Kreis (siehe Abb.7)
• großes Dreieck (siehe Abb.8)
• kleines Dreieck (siehe Abb.9)

Mithilfe dieser Formen wird geklärt, welche Größe das Loch der Lochkamera haben muss und ob es notwendig ist einen Kreis zu verwenden oder auch andere Formen verwendet werden können. Das Dreieck steht in diesem Fall als Repräsentant für verschiedene Formen. Alternativ können auch weitere Formen gebastelt und verwendet werden. Anschließend wird die variable Lochblende vor die Holzlochblende gestellt. Die Schüler und Schülerinnen sollen beobachten, wie sich das Bild auf dem Schirm verändert, wenn der Durchmesser der Blende verkleinert/vergrößert wird.

Abb.6: großer Kreis	Abb.7: kleiner Kreis	Abb.8: großes Dreieck	Abb.9: kleines Dreieck

Abhängigkeit vom Abstand zwischen Schirm und Blende

Im letzten Teil der Versuchsreihe wird die Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem Schirm und der Blende untersucht. Hierfür wird die kleine Lochblende in die Blackbox gestellt und zwischen Schirm und Lampen hin und her bewegt. Die Schüler und Schülerinnen sollen beobachten, wie sich das Bild der Lampen auf dem Schirm verändert.

Ergebnisse

Vertauschen der Seiten

Das Bild, welches auf der dünnen Papiertischdecke zu sehen ist, ist genau umgekehrt zu der Anordnung der Lampen. Auf der Seite, auf der die blaue Lampe steht, befindet sich der weiße Lichtfleck und umgekehrt befindet sich auf der Seite der weißen Lampe der blaue Lichtfleck. (siehe Abb.10 und Abb.11) Durch das Abnehmen der Papiertischdecke und das Herausnehmen der Blende kann dieses Vertauschen noch besser gezeigt werden.

Abb.10: Sicht auf den Schirm	Abb.11: Blick auf die Anordnung der Lampen	Abb.12: Skizze der Strahlenverläufe

Abhängigkeit von der Blendenform

Das entstehende Bild sieht bei allen Blendenformen unterschiedlich aus. Allerdings lässt sich beobachten, dass das entstandene Bild nur bei den kleinen Blenden einem Abbild der Lampen entspricht(Abb.14 und 16). Bei den großen Blenden wird ein Abbild der Blende als Bild auf den Schirm geworfen (Abb.13 und 15). Des Weiteren sieht das Bild bei der kleinen, dreieckigen Blende aus, als hätte man es mit einer dreieckigen Stiftmine gemalt (Abb.16).

Abb.13: Bild bei großem Kreis	Abb.14: Bild bei kleinem Kreis	Abb.15: Bild bei großem Dreieck	Abb16.: Bild bei kleinem Dreieck

Benutzt man die Blende mit verstellbarem Durchmesser und verkleinert den Durchmesser immer weiter, lässt sich beobachten, dass das Bild auf dem Schirm immer schärfer aber auch dunkler wird. In dem Video ist diese Beobachtung festgehalten.

Abhängigkeit vom Abstand zwischen Schirm und Blende

Während die Blende vom Schirm wegbewegt wird, vergrößert sich das Bild und es wird schärfer. Wird die Blende wieder auf den Schirm zu bewegt, verkleinert sich das Bild wieder und es wird unscharf. Diese Beobachtung ist in dem folgenden Video festgehalten.

Auswertung

Bei der Lochkamera entsteht ein seitenverkehrtes auf dem Kopf stehendes Bild. Die Bildentstehung hängt nur von der Größe der Blende ab und nicht von der Form. Es lässt sich feststellen: Je kleiner der Lochdurchmesser ist, desto schärfer, aber auch dunkler, wird das Bild. Des Weiteren entsteht bei kleinen Blenden ein Bild der Lampen, welches aussieht als wäre es mit einer Stiftmine in der Form der Blende gemalt worden. Die Experimentierreihe wurde nur qualitativ ausgewertet. Eine quantitative Auswertung ist vorallem im letzten Teil möglich. Hier könnten die Abstände und Größen der einzelnen Komponenten gemessen werden und das folgende Gesetz quantitativ überprüft werden: ${\frac {B}{b}}={\frac {G}{g}}$ , wobei B= Bildgröße, b= Bildweite, G= Gegenstandsgröße und g= Gegenstandsweite gilt.

Sicherheitshinweise

Beim Aufbauen der Blackbox sollte besonders gründlich gearbeitet werden, da lose Teile des Rahmens herunterfallen könnten und zu Verletzungen führen können. Des Weiteren sollte beim Wechsel der Glühbirnen bedacht werden, dass diese bei längerer Betriebszeit heiß werden und somit Verbrennungen hervor rufen können.

Siehe auch

Die Lochkamera - verschiedene Versuche

Lochkamera - Camera obscura