EXP:Schlierenfotografie

Unter Schlierenfotografie versteht man eine optische Technik, die es ermöglicht, Strömungen und Unterschiede in der Brechung von Licht sichtbar zu machen. Diese Methode wird oft verwendet, um die Ausbreitung von Gasen oder Flüssigkeiten zu visualisieren und Phänomene wie Temperaturunterschiede, Dichteschwankungen oder Druckänderungen darzustellen.

Das Grundprinzip der Schlierenfotografie beruht auf der Tatsache, dass Lichtstrahlen beim Übergang durch Medien mit unterschiedlichen optischen Dichten gebrochen werden. Wenn eine Strömung vorliegt, verändert sich die optische Dichte des Mediums, und dies führt zu einer Ablenkung des Lichts. Die Änderung der Lichtintensität wird dann auf einem Fotoschirm oder einem anderen Detektor sichtbar gemacht.

Die Schlierenfotografie kann in verschiedenen Anwendungen nützlich sein, wie z. B. in der Aerodynamik, um den Luftstrom um ein Objekt, wie ein Flugzeug oder eine Rakete, zu untersuchen. Auch in der Strömungsmechanik und der Untersuchung von Wärmeübertragungsprozessen kommt die Technik zum Einsatz, um Veränderungen in Gas- oder Flüssigkeitsströmungen darzustellen.

Schlierenfotografie eines Streichholzes.

Theoretische Zusammenfassung

Welche physikalische Theorie steckt hinter dem Versuch. Gerne so genau wie möglich und so ausführlich wie nötig.

Didaktischer Rahmen

Fachdidaktische Zielsetzung

Auf welche prozessbezogene Kompetenz soll hier Wert gelegt werden? Beschreibe hier genauer was die SuS mit diesem Experiment lernen sollen.

Nötige Vorkenntnisse

Den SuS ist das Snellius'sche Brechungsgesetz sowie das Strahlenmodell des Lichts bekannt.

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.

Allgemein

Klassenstufe	Klasse
Kategorie	?
Einordnung in den Bildungsplan von BW	Kapitel, Abschnitt

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

• Labornetzgerät PeakTech 6226
• Kaltgerätekabel sowie 2 Experimentierkabel
• 12V-Lampe
• optische Bank mit entsprechendem Stativmaterial
• Linse
• Lochblende
• Parabolspiegel mit 3D-gedruckter Halterung
• Rasierklinge mit Halterung
• Spiegelreflexkamera Canon 77D mit Makroobjektiv Canon EF 100mm
• Höhenverstellbares Stativ oder Hebebühne für die Kamera
• Schirm
• Strömungsobjekt (Teelicht, Feuerzeug, Streichholz etc.)

Versuchsaufbau

Schritt 1

Zunächst werden die Lampe, die Linse und die Lochblende auf der optischen Bank in dieser Reihenfolge angeordnet, um eine punktförmige Lichtquelle zu erhalten. Dafür muss sich die Lochblende in der Brennebene der Linse befinden, was mit Hilfe des Schirms realisiert werden kann. Außerdem ist darauf zu achten, dass die Bauteile alle auf einer gemeinsamen Höhe sind und diese Höhe sollte dem Mittelpunkt des Spiegels entsprechend. Anschließend kann die Lampe mit den Kabel angeschlossen und angeschaltet werden.

Schritt 2

Nun wird der Parabolspiegel im Abstand seiner doppelten Brennweite von der Lochblende und die Rasierklinge parallel zur Lochblende platziert. Ziel ist es nun über Drehen und Verschieben des Spiegels und/oder der Rasierklinge das gebündelte, reflektierte Licht auf die Rasierklinge zu bringen, sodass ca. die Hälfte an ihr gebeugt wird, die andere Hälfte abgeblendet wird. Hierbei kann auch wieder der Schirm hilfreich sein und außerdem lohnt es sich die Lampe heller zu stellen, um auch in einem helleren Raum das reflektierte Licht besser justieren zu können.

Versuchsaufbau der Lichtquelle, Rasierklinge und Kamera im Detail.

Schritt 3

Abschließend kann nun entweder der Schirm hinter die Rasierklinge gestellt werden, um die Strömungen zu veranschaulichen oder eben eine Kamera mit Hilfe der Hebebühne auf die Höhe der Rasierklinge gebracht werden, um die Strömungen fotografieren zu können. Dafür wird das Objekt (brennendes Teelicht, etc.) direkt vor den Spiegel platziert und die Kamera so eingestellt, dass sie dieses Objekt fokussiert.

Versuchsdurchführung

Nun können Bilder und Videos der jeweiligen Strömungen der verschiedenen Objekte gemacht werden. Je näher die Rasierklinge an der Lochblende platziert ist, umso höher ist die Chance, dass sich Objekt und Abbild überlappen und man die Schlieren ideal fotografieren kann. Durch entsprechende Ausdehnung der Kamera oder der Lampe ist dies aber nur bis zu einem gewissen Grad möglich. Anschließend kann mit der Helligkeit der Lampe oder auch mit den Einstellungen der Kamera experimentiert werden, um möglichst kontrastreiche Bilder und Videos aufzunehmen.

Auswertung

Im Folgenden sind einige Bilder verschiedener Strömungen zu sehen.

Schlierenfotografie eines Gasbrenners.

Schlierenfotografie eines brennenden Teelichts.

Schlierenfotografie eines gerade ausgepusteten Teelichts.

Schlierenfotografie eines Streichholzes

Versuchsaufbau der Lichtquelle, Rasierklinge und Kamera im Detail.

Versuchsaufbau der Lichtquelle, Rasierklinge und Kamera im Detail.

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

Bei diesem Experiment stellen lediglich die Rasierklinge, sowie die brennenden Elemente, sofern solche beobachtet werden, ein etwas größeres Risiko dar. Da dies aber größtenteils trotzdem Alltagsgegenstände sind, ist das Experiment problemlos mit Schüler:innen durchzuführen.

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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       Ein Kolibri
  

Literatur

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