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Modellversuch zur Skiaskopie

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Modellversuch zur Skiaskopie
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Modellversuch zur Skiaskopie

Kurzbeschreibung
Bei diesem qualitativen Modellversuch sollen einerseits statisch durch Beleuchten der Patientenpupille mit Hilfe einer Sekundärlichtquelle entschieden werden, ob das Auge normal- oder fehlsichtig ist. Darüberhinaus liefern eine zusätzliche Bewegung der Lichtquelle und die damit zusammenhängende Mit- bzw. Gegenläufigkeit des Lichtflecks Ergebnisse über die Art der Fehlsichtigkeit.
Kategorien
Optik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 9/10
Basiskonzept: Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 2
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Yen Luong
Kontakt: luongyen@physik.hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Tobias Ludwig
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Moderne Refraktionsverfahren zur Bestimmung der Brechkraft des Auges basieren auf der sogenannten Skiaskopie, abgeleitet aus dem griechischen "σκιά" = Schatten und "σκοπή" = Beobachten (vgl. Rössler [1] (1985), S. 10). Bei der Untersuchung mit einem Skiaskop wird Licht über einen halbdurchlässigen Spiegel in das Patientenauge geworfen. Auf der Netzhaut erfolgt eine diffuse Streuung des Lichtes, das nun als sekundäre Lichtquelle fungiert, an der beim Modellversuch von Colicchia et al. angesetzt wird. Das Licht, welches von der Netzhaut des Patienten ausgeht, passiert seine Pupille und wird bei Bewegung der Lichtquelle unterschiedlich vom Arztauge aufgefangen und so wahrgenommen, als ob ein heller Lichtfleck auf der Patientenpupille wandern würde. Je nachdem, ob diese Leuchterscheinung mit der Bewegungsrichtung der Lichtquelle mitgeht, eine entgegengesetzte Bewegung oder nur ein kurzes Aufleuchten der ganzen Patientenpupille zu beobachten ist, kann auf Weitsichtigkeit und Kurzsichtigkeit (hier: hervorgerufen durch Fehlkonstruktion des Augapfels) bzw. Normalsichtigkeit geschlossen werden (vgl. Colicchia [2] (2002), S. 135ff.). Dieses objektive Verfahren zur Brechkraftbestimmung des Auges, das u.a. bei kleinen Kindern angewendet wird, kann anhand eines Modellversuchs im Rahmen des naturwissenschaftlichen Unterrichts erläutert werden. Da dieser Versuch sowohl auf Inhalte aus der Biologie als auch aus der Physik zurückgreift, ist er für den fächerübergreifenden Unterricht gut geeignet. Im didaktischen Teil wird ausgehend von den Grundsätzen des Berliner Rahmenlehrplans den Begriff des "fachübergreifenden naturwissenschaftlichen Unterrichts" erläutert.


Didaktischer Teil

Der Berliner Rahmenlehrplan für das Fach Physik sieht vor, dass der Schulunterricht Schülerinnen und Schüler auf die Anforderungen der späteren Arbeitswelt vorbereiten soll. Zu diesen Anforderungen gehören u.a. fachliche und überfachliche Kompetenzen. Es wird daher vorgeschlagen, physikalische Sachverhalte mit fachfremden Inhalten wie z.B. aus Sport oder Biologie zu vernetzen (vgl. Senatsverwaltung für Bildung (2006), [3] S. 5, 25).

Der fachübergreifende naturwissenschaftliche Unterricht als Organisationsform, bei der mehrere Fächer beteiligt sind, kann in unterschiedlichen Ausprägungen stattfinden. Labudde definiert den Begriff des fachübergreifenden Unterrichts durch drei Unterbegriffe: fachüberschreitend, verknüpfend und koordinierend. Eine Unterrichtsstunde wird demnach als fachüberschreitend bezeichnet, wenn fachfremde Erkenntnisse in den Fachunterricht eingebracht werden. Bei dieser niedrigsten Stufe wird z.B. im Rahmen des Biologieunterrichts eine relevante Strukturformel diskutiert, ohne tiefer in die Chemie einzusteigen. Beim verknüpfenden Unterricht werden zudem fachspezifische Basiskonzepte und Methoden in anderen Bereichen übernommen und verwendet. So findet beispielsweise die Differentialrechnung ihre Anwendung in der Physik. Schließlich wird beim koordinierenden Unterricht ein übergeordnetes Thema aus verschiedenen fachlichen Gesichtspunkten beleuchtet. Auf diese Weise kann der Treibhauseffekt aus den entsprechenden Sichtweisen eines Physikers, eines Biologen oder eines Geografen thematisiert werden (vgl. Labudde [4] (2008)).

Der Modellversuch zur Skiaskopie eignet sich nach der oberen Unterscheidung einerseits, Physik fachüberschreitend mit Biologie zu unterrichten. Obwohl Kenntnisse aus der Biologie zur Anatomie des menschlichen Auges angesprochen werden, spielen biologische Prozesse für das Sehen keine Rolle. Dafür stehen physikalische Gesetzmäßigkeiten bei der Erklärung der zu beobachtenden Erscheinungen im Vordergrund. Andererseits bietet dieses Experiment den Schülern erste Einblicke in den Arbeitsalltag eines Augenarztes. Inbesondere zeigt es eine mögliche Situation auf, bei der der Arzt sich nicht auf automatisierte Systeme wie z.B. einen Refraktometer verlassen kann. Anders als bei Erwachsenen sind kleine Kinder noch nicht in der Lage, für eine längere Zeit auf einen Bildschirm zu schauen. In dem Fall müsste der Arzt mit einem Skiaskop (in der Praxis häufig ein Strich-Skiaskop) zunächst die Art der Fehlsichtigkeit feststellen und zur Korrektur die entsprechenden Gläser (Sammellinse bei Weitsichtigkeit und Zerstreuungslinse bei Kurzsichtigkeit) vor dem Auge des Kindes halten. Die richtige Brillenstärke (physikalisch: das Glas mit der entsprechenden Brechkraft) erhält der Arzt, wenn er nur ein kurzes Aufleuchten der ganzen Pupille beobachtet. Beim Augenrefraktometer läuft der gesamte Vorgang über ein optisches System automatisch ab.

Zur Vorbereitung des Versuchs soll die Brechung an Linsen behandelt worden sein. Zudem kann die Anatomie des Auges den Schülern als Grundlage dazu dienen, den Sehvorgang zu verstehen und anschließend die Bestimmung von anatomisch bedingten Fehlsichtigkeiten physikalisch nachzuvollziehen. Eine mögliche Vernetzung ist Physik W3 9/10 Von der Lupe zum Fernrohr (Augenmodell, Sehvorgang im Auge) in Verbindung mit Biologie P3 9/10 Sinneswahrnehmungen (vgl. Senatsverwaltung für Bildung (2006), [5] S. 51). Da die geometrische Optik in der Schule oft einfach gehalten wird und dieses Modellexperiment relativ komplex ist, empfiehlt es sich, davor drei Experimente durchzuführen: den Nachweis des blinden Flecks und den Nachweis von Streulicht mit Hilfe des blinden Flecks (vgl. Campenhausen [6] (2002), S. 88, 90 ) sowie ein Vorexperiment mit Farbfolien, um die Farbumkehr zu veranschaulichen, die bei der Kurzsichtigkeit im eigentlichen Experiment nur noch als Gegenbewegung des Lichtflecks zu erkennen ist (vgl. Colicchia [7] (2002), S. 139-140). Anschließend kann durch Hinzufügen von geeigneten Linsen die Korrektur der entsprechenden Fehlsichtigkeit ergänzt werden.

Versuchsanleitung

Modellversuch zur Skiaskopie

Für diese Versuchsanordnung werden folgende Materialien und Geräte benötigt:

  • optische Bank (min. 1m )
  • optische Reiter
  • Verschiebereiter
  • Kleinspannungsnetzgerät
  • rote Leuchtdiode
  • Widerstand (zum Vorschalten)
  • ggf. Steckbrett
  • Amperemeter
  • Kabel
  • Sammellinse (als Modellaugenlinse)
  • Papprohr (z.B. von der Alufolie)
  • verstellbarer Metallring zum Befestigen des Papprohres auf dem Optikreiter
  • Videokamera zur Liveübertragung beim größeren Publikum, falls vorhanden

Aufbau

  • schematische Darstellung des Modellversuchs zur Skiakopie
    Um ein normalsichtiges Auge zu modellieren, wird eine Sammellinse so positioniert, dass die Leuchtdiode in ihrem Brennpunkt liegt. Da das Papprohr zur Fixierung der Beobachtungsrichtung dienen soll, muss es parallel zur optischen Achse verlaufen. Das ist genau dann der Fall, wenn in einem abgedunkelten Raum experimentiert wird und der zur Linse gerichtete Rand des Papprohrs gleichmäßig beleuchtet wird.
  • Das Modell eines weit- bzw. kurzsichtigen Auges kann durch Verschieben der Linse in Richtung der Leuchtdiode bzw. zum Papprohr erzeugt werden, da wir vorausgesetzt haben, dass die Fehlsichtigkeit durch einen zu kurzen bzw. zu langen Augapfel verursacht wird. Um einen deutlichen Unterschied zu sehen, sollte der Lehrer im Vorfeld die geeigneten Linsenpositionen festlegen.
  • Bei dem vorliegenden Versuchsaufbau wurde eine Sammellinse der Brennweite 150 mm verwendet. Der Abstand zwischen der Leuchtdiode und dem Papprohr bzw. vom Papprohr zur Kamera oder zum Beobachter beträgt jeweils ca. 80 cm. Eine schematische Darstellung dieses Versuches kann an dieser Stelle eingesehen werden.

Analogien zwischen Realexperiment und Modellexperiment

Realexperiment Modellexperiment
1. Arztauge Kamera / Beobachter
2. Strich-Skiaskop -
3. Patientenauge Sammellinse
4. das vom Patientenauge zurückgestreute Licht Leuchtdiode
5. Leuchterscheinung auf Patientenpupille hat die längliche Form der Glühwendel
der Lampe im Strich-Skiaskop.
Leuchterscheinung nimmt die runde Form der Leuchtdiode an.
Strich-Skiaskop

Sicherheitshinweise:
Da in der Regel mit einer festen Netzspannung gearbeitet wird und eine rote Leuchtdiode nur einen maximalen Spannungsabfall von ca. 1,8 Volt verträgt, soll ein Widerstand vorgeschaltet werden. Diese Reihenschaltung verhindert ein Durchbrennen der LED. Zur Berechnung des Vorwiderstandes   R_{vor} kann folgende Formel mit Hilfe der zweiten Kirchhoffschen Regel hergeleitet werden:
  R_{vor} = \frac{U_{ges} -U_{s}}{I}, wobei   U_{ges} und U_{s} Abkürzungen für die Gesamtspannung bzw. die Schwellenspannung sind.

Durchführung

Dieser Modellversuch besteht aus zwei Teilen:
a) Bei der statischen Beurteilung bleibt die Leuchtdiode auf der optischen Achse in Ruhe. Ein Schüler beobachtet mit einem Auge durch das Papprohr die Leuchterscheinungen auf der Modellaugenlinse. Diese Beobachtung erfolgt für drei Positionen der Modellaugenlinse: im Brennpunkt bzw. davor und dahinter. Es empfiehlt sich dabei den Verschiebereiter, auf dem die Leuchtdiode besfestigt ist, auf der optischen Bank zu fixieren und die Position der Sammellinse zu verändern.
b) Die statische Untersuchung bei a) liefert nur die Information darüber, ob Normal- oder Fehlsichtigkeit vorliegt. Die zusätzliche Bewegung der Lichtquelle ermöglicht eine Spezifizierung der Fehlsichtigkeit, in diesem Fall Weit- oder Kurzsichtigkeit. Der Lehrer gibt vorher die Art der Fehlsichtigkeit sowie die beabsichtigte Bewegungsrichtung bekannt, bewegt die Leuchtdiode entsprechend und bittet den Schüler wiederum, die Leuchterscheinungen auf der Modellaugnelinse zu beobachten. Anschließend kann die Leuchterscheinung auch bei der Normalsichtigkeit demonstriert werden.

Bemerkung: Für ein größeres Publikum eignet sich eine Videokamera anstelle des Schülers.

Statische Beurteilung

Beobachtungen

Steht die Leuchtdiode im Brennpunkt der Linse, so leuchtet die ganze Modellpupille rot auf. Andernfalls ist nur der zentrale Teil der Modellaugenlinse hell. Diese Leuchterscheinungen haben jeweils eine runde Form.


Normalsichtigkeit
Fehlsichtigkeit

Auswertung

Anders als beim Strahlenmodell, in dem nur die Brechung einzelner Lichtstrahlen an der Linse betrachtet wird, wird bei diesem Experiment das ganze Lichtbündel, das aus der Netzhaut des Patienten kommt, zur Erklärung der Beobachtungsergebnisse herangezogen.
Liegt die Lichtquelle im Brennpunkt der Linse, wird das Lichtbündel so gebrochen, dass es das Patientenauge parallel verlässt. Das gesammte parallele Lichbündel gelangt wie unten abgebildet ins Beobachterauge. Da dieses als normalsichtig vorausgesetzt wird, wird das Lichtbündel auf die Netzhaut des Beobachterauges abgebildet. Es erscheint ihm, als ob die ganze Pupille des Patienten hell aufleuchtet. Dieser Aufbau soll demnach die Erscheinungen an einem normalsichtigen Patientenauge simulieren.
Befindet sich die Lichtquelle außerhalb der Brennebene der Linse, so divergiert das Lichtbündel vor dem Erreichen des Beobachterauges. Beim weitsichtigen Auge divergiert das Lichtbündel bereits beim Verlassen des Patientenauges, während diese Divergenz beim kurzsichtigen Auge erst stattfindet, nachdem das Lichtbündel im Brennpunkt der Linse konvergierte. Auf diese Weise gelangt nur der zentrale Teil des divergierenden Lichtbündels durch das Beobachterauge, der wiederum auf die Netzhaut des Beobachterauges abgebildet wird. Um diesen Unterschied zum normalsichtigen Auge zu erkennen, sollen insbesondere die rot markierten Bereiche beim Patientenauge in den folgenden Abbildungen genauer betrachtet werden. Da es sich bei der Leuchtdiode um eine ausgedehnte Lichtquelle handelt, werden zur Vereinfachung die Randstrahlen eingezeichnet.

Normalsichtigkeit
Weitsichtigkeit
Kurzsichtigkeit

Der helle Lichtfleck auf der Patientenpupille ist genau der Bereich, durch den der Teil des Lichtbündels, der vom fehlsichtigen Patientenauge ins Beobachterauge gelangt, passierte. Die runde Form des Lichtflecks ist auf die Form der Leuchtdiode zurückzuführen. Wird eine Fehlsichtigkeit diagnostiziert, so ist eine zusätzliche Bewegung der Leuchtdiode erforderlich, die im Teil b) beschrieben wird.

Bewegung der Leuchtdiode

Beobachtungen

Bei Verringerung des Abstandes zwischen der Leuchtdiode und der Linse, bewegt sich ein Lichtfleck mit in die Bewegungsrichtung der Lichtquelle, während eine Gegenläufigkeit bei Vergrößerung des LED-Linse-Abstandes zu beobachten ist. Im Gegensatz dazu leuchtet das Modellauge nur kurz als ganzes auf, wenn die Leuchtdiode im Brennpunkt der Linse steht.

Folgende Videos wurden in einem hellem Raum aufgenommen, damit der Beobachter gleichzeitig die Bewegungsrichtung des Lichtflecks und der Lichtquelle erfassen kann.

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Video 1: Weitsichtigkeit
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Video 2: Kurzsichtigkeit
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Video 3: Normalsichtigkeit

Auswertung

Wenn die Lichtquelle aus der Sicht des Beobachters beispielsweise von links nach rechts bewegt wird, so ist bei der Weitsichtigkeit eine Mitläufigkeit des Lichtflecks von links nach rechts zu beobachten. Bei der Kurzsichtigkeit erfolgt eine entgegengesetzte Bewegung von rechts nach links. Die Bewegungsrichtung des Lichtflecks beim weitsichtigen Auge entspricht der der Lichtquelle, da das vom Patientenauge ausgehende Lichtbündel divergiert. Der Teil des Lichtbündels, der durch die linke Hälfte der Patientenaugenlinse (in der unteren Abbildung grün markiert) passiert, trifft als erstes das Beobachterauge. Dem Beobachter erscheint der Lichtfleck auf der Patientenpupille von links nach rechts zu wandern. Ist der Patient kurzsichtig, so konvergiert das Lichtbündel noch vor dem Beobachterauge und divergiert nach der Brennebene der Linse, sodass diesmal der Teil des Lichtes, der durch die rechte Hälfte der Patientenaugenlinse (in der unteren Abbildung rot markiert) geht, zuerst auf das Beobachterauge fällt. Der Lichtfleck scheint sich in der umgekehrten Richtung wie die Lichtquelle zu bewegen. Beim normalsichtigen Auge leuchtet die Patientenpupille kurz als Ganzes auf. Dieses Phänomen wird in der Literatur auch als Neutral- oder Flackerpunkt bezeichnet (vgl. Rössler [8] (1985), S. 39).

Mitläufigkeit beim weitsichtigen Auge
Gegenläufigkeit beim kurzsichtigen Auge


Schlussbemerkung

Dieses Modellexperiment macht deutlich, welche besondere Rolle der Beobachter in einem optischen Versuch einnimmt: Nur das Licht, das in das Beobachterauge fällt, kann gesehen werden.
In der Praxis kann der Augenarzt bei Bedarf dem Patienten eine Brille in seiner Sehstärke verschreiben, indem er durch Aufsetzen geeigneter Linsen den Flackerpunkt, bei dem die ganze Patientenpupille für einen kurzen Moment als ganzes hell aufleuchtet, findet. Wie aus der oberen Versuchsanordnung zu entnehmen, ist dazu ein großer Abstand zwischen Patient und Arzt von Vorteil. Der Arzt umgeht diesen z.B. durch Vorsetzen einer zusätzlichen Sammellinse der Brennweite 50 cm (dies entspricht einer Brechkraft von +2 dpt) vor das Patientenauge, sodass das parallele Licht, das aus dem normalsichtigen Auge kommt, fokussiert wird. Dadurch gelingt es ihm, das Flackern aus einer kürzeren Entfernung wahrzunehmen (vgl. Colicchia (2002), S. 143). Der Wert von zwei Dioptrien muss dann von der Brechkraft der Linse, die vor dem Patientenauge gehalten wird, abgezogen werden.

Literatur

  1. Rolf-Dieter Rössler (1985): Die Skiaskopie Nicht-Rotationssymmetrischer Berechnungsanomalien : optische und klinische Untersuchungen; Dissertation, Universität Bonn, 1985
  2. Giuseppe Colicchia (2002): Physikunterricht im Kontext von Medizin und Biologie - Entwicklung und Erprobung von Unterrichtseinheiten zur Steigerung des Interesses und für den fachübergreifenden Physikunterricht; LMU München, 2002
  3. Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport Berlin: Berliner Rahmenlehrplan; Berlin, verfügbar unter [1] [22.09.2014]
  4. Peter Labudde (2008): Naturwissenschaftten vernetzen, Horizonte erweitern - fächerübergreifender Unterricht konkret; Kallmeyer, 1. Auflage, 2008
  5. Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport Berlin: Berliner Rahmenlehrplan; Berlin, verfügbar unter [2] [22.09.2014]
  6. Christoph von Campenhausen (1981): Die Sinne des Menschen Band II: Anleitung zu Beobachtungen und Experimenten; Georg Thieme Verlag Stuttgart, 1981
  7. Giuseppe Colicchia (2002): Physikunterricht im Kontext von Medizin und Biologie - Entwicklung und Erprobung von Unterrichtseinheiten zur Steigerung des Interesses und für den fachübergreifenden Physikunterricht; LMU München, 2002
  8. Rolf-Dieter Rössler (1985): Die Skiaskopie Nicht-Rotationssymmetrischer Berechnungsanomalien : optische und klinische Untersuchungen; Dissertation, Universität Bonn, 1985


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