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Lochkamera - Camera obscura

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Lochkamera - Camera obscura
oben: Versuchsaufbau bei angeschaltetem Licht unten: Versuchsaufbau bei ausgeschaltetem Licht

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Kurzbeschreibung
Der Nebenraum wird durch die Lochblende seitenverkehrt und kopfstehend auf dem Butterbrotpapier abgebildet.
Kategorien
Optik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 7, Klasse 8
Basiskonzept: System
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1
Anspruch des Aufbaus mittel
Informationen
Name: Franziska Tolksdorf
Kontakt: tolksdfr@cms.hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Nico Westphal
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Die Lochkamera - Camera obscura ist der Anfangsoptik zuzuordnen. Das Experiment zeigt das Phänomen der Bilderzeugung durch eine kleine Öffnung in einem sonst dunklen Raum. Das Bild wird kopfstehend und seitenverkehrt in dem dunklen Raum abgebildet.

Durch das "im Allgemeinen greifbar[e] und mit der menschlichen Erfahrung der Lebenswelt verbunden[e]" Phänomen (Kircher,Girwidz,Häußler[1], 2009, S.59) soll das Interesse bei den Schüler_innen geweckt werden.


Didaktischer Teil

Der Versuch zur Lochkamera kann im Rahmen vom Pflichtbereich "Sehen und gesehen werden" in der Doppeljahrgangsstufe 7/8 ([1]) durchgeführt werden. Er eignet sich optimal, um mit den Schüler_innen anschaulich und beeindruckend in die Anfangsoptik einzusteigen. Durch bloße Beobachtungen und ohne umfangreiche, teilweise recht trocken wirkende, Messungen, können die Schüler_innen die Funktionsweise der Lochkamera verstehen. Beim Verständnisprozess von Phänomenen der Realität "erfolgen in fruchtbaren Momenten Erschütterungen, Krisen und in deren Gefolge möglicherweise Umstrukturierungen des bisherigen Wissens und bisheriger Einstellungen" (Kircher,Girwidz,Häußler[1], 2009, S.62). So ist jedoch besonders auch auf die Schülervorstellungen einzugehen und im Vorfeld abzuwägen, welche Strategie zum "Konzeptwechsel" (Wiesner,Schecker,Hopf[2], 2011, S.49) bei der Lochkamera am sinnvollsten ist, damit "fruchtbare Momente" (Kircher,Girwidz,Häußler[1], 2009, S.62) bei den Schüler_innen auch tatsächlich entstehen.

Eine weit verbreitete Schülervorstellung zur Lochkamera ist die "Trichtervorstellung" (Wiesner,Schecker,Hopf[2], 2011,S.41f.). Dabei handelt es sich um die Vorstellung, dass "das Bild sich als Ganzes durch die enge Öffnung quetscht" (ebd., S.42). Das Bild wird also wie durch einen Trichter verkleinert, so dass es durch die Öffnung durchpasst und vergrößert sich dann gleichermaßen wieder zum Abbildungsschirm hin (siehe Abb. 1). Mit Hilfe des Experiments zur Lochkamera und der passenden "Konzeptwechselstrategie" (ebd., S.49) kann auf diese Schülervorstellung eingegangen werden.

Die Konfrontationsstrategie bietet sich bei der Lochkamera gewissermaßen an, da bei der "Trichtervorstellung" das Bild aufrecht und nicht seitenverkehrt auf dem Schirm abgebildet würde. So können die Schüler_innen leicht mit dem kopfstehenden und seitenverkehrten Bild auf dem Schirm konfrontiert werden. Doch obwohl das Bild, entgegen der bisherigen Vorstellungen der Schüler_innen, kopfstehend und seitenverkehrt abgebildet wird, muss dies nicht zur Überzeugung der Schüler_innen beitragen, dass ihre bisherigen Vorstellungen nicht richtig sind. So könnte es hingegen passieren, dass sie auf ihren bisherigen Vorstellung beharren und diese versuchen zu retten (vgl. Kircher,Girwidz,Häußler[1], 2009, S.613). So ist die Konfrontationsstrategie gleich zu Beginn und als einzige Strategie nicht unbedingt zu empfehlen. Weiterhin kann eine ausschließliche Konfrontation der falschen Vorstellungen mit den fachlich richtigen Ergebnissen auch oftmals sehr frustrierend für die Schüler_innen sein, da sie dann schnell das Bild bekommen können, überhaupt kein Verständnis für die Physik zu haben. Daher ist es ratsam, die "Entstehung eines neuen (physikalischen) Weltbildes zu verlangsamen und den Kindern Zeit zu lassen für neue und neuartige Lernprozesse" mit Hilfe des "faszinierenden Wechselspiel von Hypothese und Experiment" (Kircher,Girwidz,Häußler[1], 2009, S.65).
Da die Alltagsvorstellungen der Schüler_innen nicht generell falsch sind, bietet es sich mehr an, an diesen anzuknüpfen (Anknüpfungsstrategie) und zunächst zu benennen, was an der "Trichtervorstellung" der Wahrheit entspricht. So kann der Abstand des Abbildungsschirmes zur Öffnung variiert werden, wobei zum Einen sich die Größe des Bildes auf dem Abbildungsschirm analog zur bereits bestehenden Vorstellung verändert. Zum Anderen wird das Bild farblich auf dem Schirm abgebildet, was der "Trichtervorstellung" auch nicht widerspricht (siehe Abb. 2).

Erst nach der Benennung der Ergebnisse, die sich mit der bereits bestehenden Vorstellung decken, sollten die Schüler_innen mit dem kopfstehenden und seitenverkehrten Bild konfrontiert werden. Um die Schüler_innen zur physikalisch korrekten Funktionsweise der Lochkamera zu führen, ist es ratsam, in der Phase der Konfrontationsstrategie die Schüler_innen zu fragen, wie das seitenverkehrte, kopfstehende Bild entstehen kann und so gemeinsam die Lösung zu erarbeiten (siehe Abb. 3).

Ein weiterer Schritt dieser Erarbeitung kann mit Hilfe der Brückenstrategie getätigt werden. So können die Schüler_innen gefragt werden, was sie selbst sehen, wenn sie durch ein Loch schauen (siehe Abb. 4). Dieser kurze und unaufwendige Versuch kann auch schnell in der Klasse durchgeführt werden. Dadurch, dass die Schüler_innen selbst durch das Loch im Vorhang an unterschiedlichen Postionen durchschauen, soll die Erkenntnis gefördert werden, warum das Bild auf dem Abbildungsschirm kopfstehend und seitenverkehrt abgebildet ist.

Auf die "Trichtervorstellung" zur Lochkamera kann am Besten durch das Zusammenspiel der verschiedenen "Konzeptwechselstrategien" eingegangen werden.

Abb. 1:Trichtervorstellung
Abb. 2:Anknüpfungsstrategie: Vergrößerung des Bildes auf dem Abbildungsschirm bei Vergrößerung des Abstandes vom Abbildungsschirm zur Lochöffnung
Abb. 3:Konfrontationsstrategie: <br\> oben "Trichtervorstellung"; <br\> unten tatsächliche Abbildung auf dem Schirm
Abb. 4:Brückenstrategie Schüler_innen sollen selber an unterschiedlichen Positionen durch das Loch schauen


Versuchsanleitung

Aufbau

Abb. 5: Skizze vom Versuchsaufbau
Abb. 6: Änderung der Lochgröße
Abb. 7: Änderung des Abstandes vom Abbilungsschirm zur Lochblende
  • Lichtundurchlässiger Vorhang in der Größe des abzudunkelnden Fensters
  • Irisblende
  • Butterbrot-Papier auf der Rolle
  • Zwei stehende Halterungen, an denen das Brotpapier fixiert und anschließend gespannt werden kann
  • Panzertape

Zur Vorbereitung des Experiments ist in den Vorhang ein Loch zu schneiden mit einem ca. 5 cm großen Durchmesser. Die Position des Lochs auf dem Vorhang sollte so gewählt werden, dass sich das Loch nach Anbringung des Vorhangs vor das Fenster etwa 100 cm bis 130 cm über dem Boden befindet. Vor das Loch ist die Irisblende zu fixieren, ggf. kann auch eine kleine Halterung für die Irisblende an den Vorhang genäht werden.

Mit dem präparierten Vorhang ist das Fenster abzudunkeln. Dies kann recht unkompliziert mit Hilfe von Panzertape getan werden. Alle weiteren Lichtquellen im Raum, wie lichtdurchlässige Türspalte und elektronische Leuchten, müssen ebenfalls abgedunkelt werden.

Das Butterbrot-Papier wird an den Halterungen befestigt. Dafür werden zwei bis drei Reihen Butterbrot-Papier, je 1 m lang, übereinander an die Halterungen gebracht.

Zwischen Fenster und Schüler_innen, in etwa 20 cm bis 30 cm vor dem Fenster, ist ein Tisch hinzustellen auf dem das Papier parallel zur Fensterfront positioniert wird. Ziel dabei ist es, dass das Licht, was durch das Loch im Vorhang durchkommt, auf das Butterbrot-Papier trifft. So ist die optimale Position des Papiers durch Probieren zu bestimmen. (siehe Abb. 5)

Durchführung

Das Licht im Raum wird ausgeschaltet, so dass die einzige Lichtquelle im Raum die Öffnung im Vorhang ist. Die Irisblende ist ganz geöffnet.

Nach einer kurzen Gewöhnungsphase für die Augen, können die Schüler_innen beschreiben, was sie auf dem Butterbrot-Papier erkennen.

Anschließend wird die Irisblende nach und nach geschlossen (siehe Abb. 6). Wieder sollen die Schüler_innen beschreiben, was sie sehen und inwiefern sich das Bild auf dem Butterbrot-Papier mit Schließen der Irisblende verändert hat.

Als weitere Einstellung kann nun die Tischposition verändert werden, so dass die Schüler_innen sehen können inwiefern sich eine Postionsänderung des Abbildungsschirms auf die Abbildung auswirkt. So wird der Tisch mit der Butterbrot-Papier-Konstruktion einmal näher an das Fenster geschoben und einmal weiter weg (siehe Abb. 7 und Bermerkungen 2.).


Beobachtungen

Das Bild, welches auf dem Butterbrot-Papier zu sehen ist, zeigt die Objekte, die sich draußen vor dem Fenster befinden, beziehungsweise im Fall der Abb. 9 bis Abb. 13 den Blick in das Nebenzimmer (Abb. 8) (siehe Bermerkungen 1.). Das Bild steht auf dem Kopf und ist seitenverkehrt. Die Farben der jeweiligen Objekte sind erkennbar. Vorrangig sind die Lampen und der Himmel abgebildet, da ihre Lichintensität am stärksten ist.

Abb. 8: Motiv
Abb. 9: seitenverkehrte und kopfstehende Abbildung des Raumes auf dem Abbildungsschirm


  • Veränderung der Lochgröße:

Je weiter die Irisblende geschlossen ist, d.h. je kleiner das Loch ist, durch das das Licht fällt, desto schärfer und lichtschwächer ist das abgebildete Bild.

Je weiter die Irisblende geöffnet ist, d.h. je größer das Loch ist, durch das das Licht fällt, desto unschärfer und lichtstärker ist das abgebildete Bild.

Abb. 10: Blende ist komplett geöffnet bei einem Schirmabstand von 20cm zur Blende
Abb. 11: Blende ist nur zur Hälfte geöffnet bei einem Schirmabstand von 20cm zur Blende


  • Veränderung der Tischposition:

Je weiter weg sich der Abbildungsschirm von der Lochblende befindet, desto größer werden die einzelnen Lichtquellen auf dem Schirm abgebildet
(vergleiche die Abbildung des Fensters unten rechts von Abb. 12 und Abb. 13).

Je weiter weg sich der Abbildungsschirm von der Lochblende befindet, desto schärfer und lichtschwächer wird das Bild auf dem Schirm abgebildet.

Abb. 12: Blende ist komplett geöffnet bei einem Schirmabstand von 20cm zur Blende
Abb. 13: Blende ist komplett geöffnet bei einem Schirmabstand von 90cm zur Blende


Auswertung und Bermerkungen

Das Experiment zur Lochkamera wurde in der Versuchsanleitung lediglich als qualitativer Versuch durchgeführt. Eine quantitative Auswertung wäre jedoch auch denkbar für die Unterrichtsgestaltung. So könnten leicht die Entfernung zum Loch und die Größe der Bilder gemessen werden und mit den Abständen und Größen auf der anderen Seite verglichen werden.

  1. Entgegen der Versuchsbeschreibung wurde in diesem Fall der Vorhang mit der lochförmigen Öffnung an eine Tür fixiert, die zum hellbeleuchteten Nebenraum führt. Dies war aus organisatorischen Gründen nicht anders möglich. Jedoch ist es generell zu empfehlen den Vorhang mit dem Loch an ein Fenster anzubringen, da dann durch die höhere Lichtintensität bessere und beeindruckendere Beobachtungen zu machen sind.
  2. Der Tisch war in diesem Fall in einem Abstand von 20 cm bis 90 cm vor dem Vorhang positioniert.

Literatur

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Kircher, E.; Girwidz, R.; Häußler, P. (Hrsg.) (2009): Physikdidaktik - Theorie und Praxis; 2.Auflage, Springer Verlag, Heidelberg
  2. 2,0 2,1 Wiesner, H.; Schecker, H.; Hopf, M. (Hrsg.) (2011): Physikdidaktik kompakt; Aulis Verlag, Köln

Siehe auch