Lochkamera-Abbildung Leitfaden

Übersicht

Vor mehr als 2000 Jahren verzeichnete das "Mo Jing" das Phänomen der Lochkamera-Abbildung. Dies ist das intuitivste Experiment, um zu zeigen, dass sich "Licht geradlinig ausbreitet". Wenn Licht von einem Objekt durch ein kleines Loch fällt, konvergiert es und projiziert ein umgekehrtes (auf dem Kopf stehendes und seitenverkehrtes) reelles Bild auf den Bildschirm dahinter. Diese Entdeckung öffnete nicht nur die Tür zur menschlichen Erforschung der Optik, sondern diente auch als Vorläufer für das Design moderner Kameras.

Hintergrund

• In der Zeit der Streitenden Reiche in China (über 400 v. Chr.) detaillierte das "Mo Jing", dass "ein umgekehrtes Bild entsteht, wenn Licht durch ein Loch fällt", was die weltweit älteste schriftliche Aufzeichnung der Lochkamera-Abbildung ist.
• Im Jahr 350 v. Chr. beobachtete Aristoteles, dass Sonnenlicht, das während einer Sonnenfinsternis durch die Lücken zwischen Blättern fiel, sichelförmige Formen bildete, was ihn dazu veranlasste, über das Problem des Lichts nachzudenken, das durch kleine Löcher fällt.
• Im 11. Jahrhundert beschrieb der arabische Wissenschaftler Ibn al-Haytham nicht nur die Lochkamera-Abbildung, sondern erklärte auch erstmals korrekt das Prinzip der menschlichen Augenabbildung, was ihm den Titel "Vater der Optik" einbrachte.

Schlüsselkonzepte

Formeln & Herleitung

Experimentier-Schritte

1. 1

   Beobachtung des Bildes

   Beobachte das Bild der Kerze auf dem Bildschirm. Beachte seine Ausrichtung: Es ist nicht nur umgekehrt (steht auf dem Kopf), sondern auch seitenverkehrt. Bewege die Kerze und beobachte: Bewegt sich das Bild in die gleiche Richtung wie das Objekt oder in die entgegengesetzte Richtung?
2. 2

   Untersuchung von Größenänderungen

   Halte den Bildschirm stationär und bewege die Kerze nach links (erhöhe die Objektweite $u$). Wie verändert sich die Größe des Bildes? Wenn du den Bildschirm nach rechts bewegst (erhöhe die Bildweite $v$), wie verändert sich das Bild?
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   Überprüfung der proportionalen Beziehung

   Nachdem du die Positionen angepasst hast, überprüfe die "Messdaten". Berechne das Verhältnis von Bildweite zu Objektweite $v/u$ und berechne dann das Verhältnis von Bildhöhe zu Objekthöhe $h'/h$. Sind sie gleich?
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   Nachdenken über die Blendengröße

   Obwohl dieses Experiment ein ideales Loch simuliert, versuche nachzudenken: Wenn das Loch in der Realität sehr groß gebohrt würde, gäbe es dann immer noch ein klares Bild auf dem Bildschirm? (Hinweis: Ein großes Loch kann als eine Sammlung unzähliger kleiner Löcher angesehen werden)

Lernergebnisse

• Bestätigung der Eigenschaften der Lochkamera-Abbildung: umgekehrtes, reelles Bild
• Beherrschung der Gesetze, die regeln, wie Objektweite $u$ und Bildweite $v$ die Bildgröße beeinflussen
• Überprüfung der Anwendung der Gesetze ähnlicher Dreiecke in der optischen Abbildung durch experimentelle Daten
• Verständnis, dass die Größe des Lochbildes von der Form des Objekts abhängt, nicht von der Form des Lochs (solange das Loch klein genug ist)

Praxisanwendungen

• Lochkamera: Das primitivste Fotowerkzeug, das Fotos ohne Objektiv mit unendlicher Schärfentiefe aufnehmen kann.
• Sonnenfinsternis-Beobachtung: Während einer Sonnenfinsternis sind unter dem Schatten von Bäumen unzählige kleine sichelförmige Lichtflecken zu sehen, bei denen es sich um Lochbilder handelt, die durch die Lücken zwischen den Blättern gebildet werden.
• Röntgenastronomie: Verwendung der Technologie der codierten Blendenabbildung zum Fotografieren von Hochenergie-Strahlenquellen.

Häufige Irrtümer

Weiterführende Literatur

• Pinhole Camera - Wikipedia