Zuerst demonstriere ich anhand eines Versuchs mit einer Sammellinse die Begriffe Brennpunkt und Brennweite. Danach erkläre ich wie Brennweite und Linsenkrümmung zusammenhängen. Anschließend zeige ich, wie divergente Lichtbündel zu konvergentem Licht wird. Schließlich zeige ich wie durch eine Linse ein Bild entsteht. Das ist das Grundprinzip des Fotoapparates.
Versuch mit einer Sammellinse
Wir bestrahlen verschiedene Sammellinsen mit parallelem Licht.
Dabei kann der Lehrer Begriffe wie Brennpunkt und Brennweite klären.
Brennweite und Brennpunkt bei einer Sammellinse
Licht wird hinter einer Sammellinse im Brennpunkt F vereinigt. Die Entfernung von der Linsenmitte bis zum Brennpunkt ist die Brennweite f. Je stärker die Linse gekrümmt ist, desto kleiner ist die Brennweite.
Eine Sammellinse kann man sich aus einzelnen Prismen zusammengesetzt vorstellen. Ähnlich wie bei einem Kugelspiegel verlaufen Randstrahlen nicht mehr durch den Brennpunkt. Dieser Effekt tritt verstärkt bei dicken Linsen auf. Wenn man die Randstrahlen ausblendet, kann man diesen störenden Einfluss vermindern.
Frage: Kann man vorhersagen, wie Licht durch eine Sammellinse hindurch geht?
Versuch
Wir untersuchen Parallelstrahl, Mittelpunktsstrahl und Brennpunktstrahl mithilfe eines Lasers.
Beim Durchgang durch eine Sammellinse wird:
- Der Parallelstrahl zum Brennpunktstrahl
- Der Brennpunktstrahl zum Parallelstrahl.
- Der Mittelpunktstrahl bleibt unverändert.
Wie hängen Brennweite und Linsenkrümmung zusammen?
Sammellinsen vereinigen achsenparallel einfallendes Licht im Brennpunkt. Je stärker die Linse gekrümmt ist, desto kürzer ist ihre Brennweite. Ausgezeichnete Strahlen sind solche, deren Verlauf durch die Linse bekannt ist.
Eigenschaften von Sammellinsen
Versuch
Wir bestimmen den Brennpunkt einer Linse auf der optischen Scheibe durch paralleles Licht.
Divergentes Lichtbündel wird zu konvergentem Licht
Das von einem Punkt kommende divergente Lichtbündel wird auf eine Sammellinse gelenkt. Hinter der Sammellinse ist das Licht konvergent. Es vereinigt sich im Bildpunkt.
Versuch
Wir verschieben eine Lichtquelle entlang der optischen Achse.
Merke
Entfernt man die Lichtquelle vom Brennpunkt, dann bewegt sich der Bildpunkt auf den Brennpunkt zu. Nähert man die Lichtquelle dem Brennpunkt, so entfernt sich der Bildpunkt allerdings vom Brennpunkt.
Es gibt aber auch Grenzfälle: Ist die Lichtquelle sehr weit vom Brennpunkt entfernt, dann befindet sich der Bildpunkt genau im Brennpunkt. Ist die Lichtquelle genau im Brennpunkt, dann befindet sich der Bildpunkt im Unendlichen. Nähert sich die Lichtquelle der Linse über den Brennpunkt hinaus, so ist das Licht hinter der Linse divergent. Das heißt, es existiert kein Bildpunkt mehr.
Versuch
Wir verschieben die Lichtquelle senkrecht zur optischen Achse.
Der Bildpunkt wird ebenfalls senkrecht zur optischen Achse verschoben. Dies nennt man Konstruktion des Bildpunktes.
Abbildung durch Sammellinsen
Frage: Wie funktioniert ein Photoapparat?
Die Lehrerin kann Begriffe wie Belichtung, Blende, Entfernungseinstellung und Tiefenschärfe klären.
Frage: Wo entsteht bei der Linse das Bild?
Wie ist der Zusammenhang zwischen Bildweite und Gegenstandsweite?
Versuch
Wir positioniert eine Kerze wird außerhalb der doppelten Brennweite. Dann messen wir die Bildweite. Danach stellen wir die Kerze an einen anderen Platz. Wir beobachten dabei, wie sich die Bildweite ändert.
Zusammenfassung
Ist die Gegenstandsweite gleich der doppelten Brennweite, dann ist die Bildweite gleich der doppelten Brennweite. Mit anderen Worten: Gegenstands- und Bildgröße sind gleich.
Ist die Gegenstandsweite größer als die doppelte Brennweite, dann liegt die Bildweite zwischen der einfachen und der doppelten Brennweite. Die Bildgröße ist dann kleiner als die Gegenstandsgröße.
Liegt die Gegenstandsweite zwischen einfacher und doppelter Brennweite, dann ist die Bildweite größer als die doppelte Brennweite. Die Bildgröße ist dann größer als die Gegenstandsgröße.
Hier findest du eine Übersicht über weitere Beiträge zum Thema Strahlenoptik, elektromagnetische Induktion, darin auch Links zu Aufgaben.