EXP:Brennweitenbestimmung bei einer Sammellinse

Mit diesem Experiment soll die Brennweite einer unbekannten Sammellinse mithilfe dreier verschiedener Möglichkeiten bestimmt werden. Zuerst wird die Brennweite mit einer Freihandmethode bestimmt. Dabei wird die Linse in mglichst paralleles Licht gehalten und die Brennebene bestimmt. Im zweiten Schritt werden für verschiedene Bildweiten die Gegenstandsweiten bestimmt und mithilfe der Linsengleichung ${\frac {1}{f}}={\frac {1}{g}}+{\frac {1}{b}}$ dann die Brennweite berechnet. Und im letzten Schritt wird das Besselverfahren genutzt um die Brennweite der Sammellinse zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser drei Möglichkeiten werden dann verglichen.

Theoretische Zusammenfassung

Strahlt man mit einem parallelen Lichtbündel auf eine Sammellinse so wird das gesamte Licht hinter der Sammellinse im Brennpunkt vereint. Strahlt man mit dem parallelen Lichtbündel in einem Winkel auf die Sammellinse so wird auch dieses Licht in einem Punkt gebündelt. All diese Punkt befinden sich in einer Ebene, die durch den Brennpunkt verläuft und orthogonal zur optischen Achse verläuft. Diese wird Brennebene genannt.

Freihandmethode

Um nun ohne einen großen Versuchsaufbau die Brennweite einer Sammellinse abschätzen zu können benötigt man nahezu paralleles Licht, dass dann mithilfe der Linse in die Brennebene abgebildet wird. Dazu kann in erster Näherung das Licht verwendet werden, dass draußen von einem weit entfernten Gebäude reflektiert wird. Bildet man nun das Licht des Gebäudes scharf auf einen Schirm ab kann der Abstand zwischen der Linseneben und des Schirms grob als Brennweite der Linse bestimmt werden. Es sollte nicht das Licht der Sonne direkt mit der Linse auf einen Schirm scharf abgebildet werden. In diesem Punkt wird es dann sehr heiß was zu Verbrennungen führen kann.

Bestimmung der Gegenstands- und Bildweite

Für die Bestimmung der Brennweite der unbekannten Linse mittels Gegenstandsweite $g$ und Bildweite $b$, wird der Versuch wie in Abbildung 1 aufgebaut. Auf einer 2 m langen optischen Bank befindet sich eine Experimentierleuchte und ein Diffusorschirm. Daneben wird ein Dia mit einem Buchstaben beleuchtet, der den Gegenstand darstellt. Am anderen Ende der Bank wird der Schirm aufgebaut. Zwischen dem Dia und dem Schirm wird die Linse aufgestellt. Es werden fünf verschiedene Gegenstandsweiten eingestellt. Dafür bleibt das Dia an einer festen Position und die Linsenposition wird für jede neue Messung verändert. Anschließend wird die Position des Schirms so verschoben, bis der Buchstabe auf dem Dia scharf auf dem Schirm zu sehen ist. Die Gegenstandsweiten und die zugehörigen Bildweiten werden jeweils gemessen und notiert.

Besselverfahren

Der Aufbau ist identisch zum oben beschriebenen Aufbau beim Verfahren zur Bestimmung der Brennweite mittels Gegenstands- und Bildweite. Das Dia mit dem Buchstaben und der Schirm müssen dem Vierfachen der Brennweite der Linse entsprechen. Dazu sollte diese zuvor mit der Freihandmethode grob agbeschätzt werden. Hier werden daher als Abstand zwischen dem Dia und dem Schirm 30 cm eingestellt. Dazwischen wird die Linse auf der Bank verschoben, bis ein scharfes vergößertes und ein scharfes verkleinertes Bild auf dem Schirm zu sehen ist. Die beiden Linsenpositionen werden notiert. In vier weiteres Messungen wird der Schirm um je 5cm weiter von dem Gegenstand entfernt und der Vorgang wird wiederholt. Der Abstand von Schirm und Einzelspalt und den Linsenpositionen wird notiert.

Didaktischer Rahmen

Fachdidaktische Zielsetzung

Bei diesem Experiment sollen Schülerinnen und Schüler die Physik hinter einem Verfahren kennenlernen. Dazu sollen sie ihre vorhandenes Wissen zur Sammellinse anwenden und so weiter vertiefen.

Nötige Vorkenntnisse

Beschreibe hier genauer welche Vorkenntnisse ein*e SuS benötigt um das Experiment verstehen zu können. Dabei müssen auch die nötigen Vorkenntnisse aus anderen Fächern beachtet werden.

Mögliche Schülerschwierigkeiten

Beschreibe hier welche Schwierigkeiten die SuS beim Beobachten des Demonstrationsexperiments bzw. beim eigenständigen Durchführen des Experiments haben könnten. GGf. kannst du hier auch Lösungsansätze beschreiben.

Schülervorstellungen, die hier relevant werden

Gibt es in der Literatur (z.B. Schecker, Horst; Wilhelm, Thomas; Hopf, Martin; Duit Reinders (Hrsg.) (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Berlin: Springer-Verlag GmbH) bereits erforschte Schülervorstellungen, die bei diesem Experiment relevant werden könnten? Beschreibe die Schülervorstellungen mit eigenen Worten und beschreibe warum sie hier relevant sind. GGf. kannst du auch einen Lösungsansatz beschreiben.

Die Auswahl des Bildes sollte symbolisch den gesamten Versuch beschreiben und ansprechend sein

Allgemein

Klassenstufe	Klasse 7/8
Kategorie	Optik
Einordnung in den Bildungsplan von BW	Kapitel, Abschnitt 3.2.2 (11)

Klassifikation

Quantitativ/Qualitativ	Quantitativ
Demo-/Schülerexperiment	Beides Möglich
Unterrichtsphase	Vertiefungsphase zum Thema Linsen
Einzelversuch/Versuchsreihe	Versuchsreihe

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

Als Liste einfügen mit den Links zur Hardware, wenn sie sich schon im Wiki befindet. Beispiel:

• Influenzmaschine

Versuchsaufbau

Genauere Beschreibung des Versuchsaufbaus. Hier können auch einzelne Schritte beschrieben werden. Gerne zu jedem Schritt Bilder einfügen.

Schritt 1

BlaBla.

Schritt 2

Aber bitte nicht jede einzelne angezogene Schraube beschreiben! Wenn bestimmte Größen ausgeschrieben werden wie z.B. 500 g dann kann man zwischen der Maßzahl wie hier ein halbes Leerzeichen einfügen.

Durch das geschickte Setzen von Umgebungen kann das Bild des Kolibris hier an dieser Stelle erscheinen und könnte jetzt zum Beispiel den ersten Schritt des Experiments beschreiben

Versuchsdurchführung

Beschreibe hier genauer was man zur Durchführung tun muss. Aus was muss dabei geachtet werden?

Auswertung

Hier sollen Diagramme, Werte und eine Fehlerabschätzung zum Experiment hin. Gegebenenfalls können hier auch Gleichungen eingebunden werden. Mathematische Ausdrücke werden durch den <math>-Tag initiiert:

$\mathrm {i} \hbar {\frac {\partial }{\partial t}}|\,\psi (t)\rangle ={\hat {H}}|\,\psi (t)\rangle .$

Beim Vergleich mit Literaturwerten oder ähnlichem sollte durch die Referenzumgebung <ref> auf geeignete Quellen verwiesen werden, diese erscheinen dann auch automatisch am Seitenende.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Treten beim Experiment häufiger Fehler auf? Bitte beschreibe sie hier.

Sicherheitshinweise

Hier nötige Sicherheitshinweise notieren. Ggf. Betriebsanweisung verlinken.

• Influenzmaschine

Fotos

Am Ende des Dokuments kommt eine Galerie aller Bilder, die zu diesem Experiment unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind. Im Allgemeinen lohnt es sich häufig auch, bereits bestehende Texte und deren Syntax zu betrachten:
<div class="row"> <div class="large-4 large-centered columns"> <ul class="example-orbit" data-orbit> <li> [[Datei:Bild.png|slide 1]] <div class="orbit-caption"> Bildbeschreibung </div> </li> </ul> </div> </div>

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      Platzhalter
  

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       Ein Kolibri
  

Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0