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Optik (3)

 

Hier findest du die Folien zur Unterrichtseinheit OPTIK


Inhalt 

 

→ Teil 1:

Lichtquellen   

Gegenstände sehen:  

Lichtausbreitung:  

Optische Täuschungen  

Lichtausbreitung: Lichtbündel  

Die Lichtgeschwindigkeit  

Licht und Schatten  

Kern- und Halbschatten  

Übergangsschatten  

Sonnen- und Mondfinsternis  

Der Mond und seine Gestalt 

Reflexion von Licht  

→ Teil 2:

Das Spiegelbild  

Gekrümmte Oberflächen  

Wölbspiegel  

Hohlspiegel  

Brechung von Licht (1)  

Brechung von Licht (2)  

Abhängigkeit vom Einfallswinkel  

Brechung von Licht (3)  

Die Totalreflexion  

Optische Abbildungen (1)  

  → Die Lochkamera 

  → Abbildung durch eine Linse  

Teil 3:

Optische Abbildungen (2)  

Abbildungen durch eine Linse  

Optische Abbildungen (3)  

Abbildungen durch die Sammellinse (1)  

Optische Abbildungen (4)  

Abbildungen durch die Sammellinse (2)  

Optische Abbildungen (5)  

Die Lupe  

Linsen  

Die Konvexlinse (Zerstreuungslinse)  

Das Mikroskop  

Das Fernrohr (1) [Kepler]  

Das Fernrohr (2) [Galilei]  

Farben 

 

Alle Folien in einem Heft:

Produktplatzierungen

Hinweis:
Für die Unterrichtseinheit ist die Anschaffung des Skripts für meine Schüler nicht notwendig! Die Folien werden nacheinander bearbeitet und notwendige Materialien ggf. kopiert. Es sind keine Lösungen zu den Aufgaben enthalten.

Publikationen


Hinweis zur Printausgabe (ISBN 978-3-739-226576): Bitte Korrekturhinweise beachten 
Korrekturen (Skript-Optik)

Hinweis:
Die Inhalte dieser Unterrichtseinheit zielen ab auf die Vermittlung von Grundlagen zum Thema Optik. Dafür können im Rahmen des Physikunterrichts nur bestimmte Teile der Unterrichtseinheit behandelt werden. Im Rahmen des technich-naturwissenschaftlichen Wahlpflichtfachs werden einzelne Inhalte weiter vertieft. Sie richtet sich an Schüler der 8. Jahrgangsstufe.

Physik: Skriptsammlung





Infotext - Optische Abbildungen


Das Problem der Bildschärfe bei gleichzeitig guter Helligkeit bei einer Lochkamera lässt sich durch Bündelung des Lichts mittels einer Sammellinse lösen. Als Linsen bezeichnet man in der Optik transparente Scheiben (Glaskörper), von deren zwei Oberflächen wenigstens eine – meistens kugelig bzw. sphärisch – gekrümmt ist. Man unterscheidet prinzipiell zwei Arten von optischen Linsen: Sammellinsen (Konvexlinsen lenken das Licht um und konzentrieren parallel auftreffende Lichtstrahlen in einem Punkt (Fokus oder auch Brennpunkt). Weiterhin gibt es Zerstreuungslinsen (Konkavlinsen), parallele Lichtbündel werden dadurch in divergierende Lichtbündel umgewandelt. Die zunächst parallel auftreffenden Lichtstrahlen verlaufen nach dem Durchqueren der Linse so, als kämen sie von einer punktförmigen Lichtquelle.
 
Die Funktionsweise der Linsen lässt sich durch die Brechung des Lichts an den Oberflächen der Linse erklären. Hindurchdringendes Licht wird beim Auftreffen auf die Linse gebrochen. Es findet ein Übergang von der Luft in den Glaskörper statt. Auf der anderen Seite der Linse wird das Licht ein zweites Mal gebrochen und verlässt den Glaskörper wieder. Bei Verwendung einer Sammellinse führt das bei ausgedehnten Objekten zu einem zweidimensionalen Bild das unter bestimmten Bedingungen auf einem Schirm aufgefangen werden kann. Dieser Vorgang kann leicht mit einer Lupe und dem Licht einer strukturierten Lichtquelle (Glühlampe, Tageslicht im Fensterkreuz) auf einem Blatt Papier nachvollzogen werden. 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Optik: [13:42]

Bildentstehung bei der Sammellinse (1)

(Bildkonstruktion mit den Hauptstrahlen)

Die Bildentstehung/Konstruktion an einer Sammellinse wird dargestellt. Durch die vereinfachte Konstruktion mit den Hauptstrahlen erhält man auf einfache Weise die gesuchten Zusammenhänge. 

(siehe auch: Bildentstehung bei der Sammellinse - Teil 2, 3 und 4)    


Infotext - Optik (18/19/20) - Optische Abbildungen


Funktionsweise der optischen Abbildung mit einer Sammellinse
Allgemein kann man Objekte mit Hilfe einer Sammellinse abbilden. Dabei bezeichnet g den Abstand des Objektes von der Linse (auch Gegenstandsweite genannt), b den Abstand des Bildes von der Linse (Bildweite) und f den Abstand des Brennpunktes (Brennweite) von der Linse. Die idealisierende Strahlenoptik geht meist von parallel zueinander verlaufen Strahlen aus. Zu Konstruktion der Abbildung stellt man sich weiterhin die Linse vereinfachend unendlich dünn vor und reduziert sie dadurch auf eine Ebene im Zentrum der Linse. Dadurch reduzieren sich alle Überlegungen (zweifache Brechung des Lichts) auf die gedachte Ebene der Linse, die von der Seite in der Schemazeichnung als Mittellinie sichtbar ist. Weiterhin beschränkt man sich bei der Konstruktion auf drei Lichtstrahlen: Parallelstrahl, Brennstrahl und Mittelpunktsstrahl. Mit Hilfe dieser drei Strahlen wird zu einem Gegenstandspunkt der zugehörige Bildpunkt ermittelt: Der Parallelstrahl verläuft parallel zur optischen Achse vom Gegenstandspunkt zur Mittellinie der Linse und knickt dort in den Brennstrahl ab, der durch den Brennpunkt verläuft. Der Mittelpunktsstrahl verläuft, ebenfalls vom Gegenstandspunkt ausgehend, durch den Mittelpunkt der Linse (Schnittpunkt von Mittellinie der Linse und optischer Achse) und geradlinig über die Linse hinaus. Am Schnittpunkt von Mittelpunktsstrahl und Brennstrahl liegt der gesucht Bildpunkt. Oft genügt die Konstruktion eines einzigen Bildpunktes, die übrigen Bildpunkt ergeben sich aus Symmetriegründen. 
 
Wir unterscheiden verschiedene Fälle:
  1. Die Gegenstandsweite ist größer als die Brennweite ( g > f ) : Dabei wird der abzubildende Gegenstand, der sich im Abstand g von einer Linse mit der Brennweite f befindet, auf einen Schirm abgebildet (reelles Bild), der sich im Abstand b auf der anderen Seite der Linse befindet. Man erhält ein auf dem Kopf stehendes, aber sehr lichtstarkes und scharfes Bild. Abhängig vom Abstand des Gegenstands von der Linse kann dabei ein vergrößertes (g < 2f), gleichgroßes (g = 2f) oder auch ein verkleinertes Bild (g > 2f) des Gegenstands entstehen.
  2. Die Gegenstandsweite ist kleiner als die Brennweite ( g < f ): Wenn sich das Objekt also zwischen Brennpunkt und Linse befindet, dann entsteht das Bild vor der Linse. Brennstrahl und Mittelpunktsstrahl müssen bei der Konstruktion dann nach hinter verlängert werden, um den Bildpunkt zu konstruieren. Das Bild kann dann nicht auf einem Schirm aufgefangen werden, man bezeichnet es deshalb als virtuelles Bild. Trotzdem ist es für einen Beobachter, der durch die Linse blickt, ohne weitere Hilfsmittel sichtbar. Eine Lupe arbeitet nach diesem Prinzip

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Optik:  [8:27]

Bildentstehung bei der Sammellinse (2)

Zweiter Teil zur Bildkonstruktion bei der Sammellinse: Es wird die Konstruktion der Abbildung mit einer Sammellinse für verschiedene Gegenstandsweiten gezeigt. Dabei wird an drei Beispielen die unterschiedliche Auswirkung verschiedener Gegenstandsweiten auf die Bildgröße gezeigt. Weiterhin wird abschließend kurz auf die Linsengleichung hingewiesen. (siehe auch: Bildentstehung bei der Sammellinse - Teil 3 und 4 - verschiedene Gegenstandsweiten)   

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Optik: Die Lupe [6:52]

Bildentstehung bei der Sammellinse (3)

Im dritten Teil zur Bildentstehung bei der Sammellinse wird die Konstruktion der Abbildung eines Gegenstands für Gegenstandsweiten kleiner und gleich der Brennweite der Sammellinse demonstriert. Hierbei entsteht ein virtuelles Bild. Diese Bedingungen entsprechen der Funktionsweise einer Lupe.

(siehe auch: Bildentstehung bei der Sammellinse - Teil 4 - Das Mikroskop)     
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Infotext 1 - Optik (21) - Linsenarten


Sphärische Linsen 
Bei den einfachsten Linsen sind die beiden optisch aktiven Flächen sphärisch (altgriechisch sphaira, deutsch ‚Kugel,). Das heißt, sie sind Oberflächenausschnitte einer Kugel. Man unterscheidet:
  • Konvexlinsen (Sammellinsen; lat. convexus: nach außen gewölbt, gekrümmt): 
    In der Mitte dicker als am Rand.
    → Ein Bündel parallel zur optischen Achse einfallender Lichtstrahlen wird idealerweise in einem Punkt hinter der Linse, dem Brennpunkt oder Fokus F, gesammelt. 
    → Ihre Brennweite f ist positiv
  • Konkavlinsen (Zerstreuungslinsen; lat. concavus: nach innen gewölbt, gekrümmt):
    Am Rand dicker als in der Mitte.
    → Ein Bündel von einfallenden Parallelstrahlen läuft hinter der Linse so auseinander, als käme es von einem Punkt auf der Einfallseite des Lichts. 
    → Die Brennweite f ist negativ.
In beiden Gruppen gibt es Linsen, die sowohl eine konkave als auch eine konvexe Fläche besitzen. Solche Linsen dienen oft zur Korrektur von Abbildungsfehlern in optischen Systemen mit mehreren Linsen. Es sind Sammellinsen, falls die konvexe Fläche stärker gekrümmt ist, oder Zerstreuungslinsen, falls die konkave Fläche stärker gekrümmt ist. 
 
Asphärische Linsen 
Asphärische Linsen weisen weitere Freiheitsgrade beim Design auf und ermöglichen eine bessere Korrektur eines optischen Systems als eine sphärische Linse. Viele Asphären haben nur geringe Abweichungen gegenüber einer Kugeloberfläche. Auf der anderen Seite gibt es auch Freiformlinsen mit komplexen nicht-rotationssymmetrischen Oberflächen. Nachteile asphärischer Linsen sind erhöhte Fertigungskosten und eine geringere Oberflächenqualität. Ein typischer Effekt sind Riefen, die entweder beim Schleifen selbst oder bei der Herstellung des Presswerkzeugs entstehen.
 
Elastische Linsen
Elastische Linse bezeichnet ein Linse, die die Brechkraft durch die Verformung eines elastischen Festkörpers ändert. Dieses Wirkungsprinzip nutzt das Auge, wird aber auch gelegentlich in der Technik verwendet.
 
Brechkraft und Brennweite
Die Brechkraft D ist der Kehrwert der Brennweite f (in Metern). 
 
 
Maßeinheit für die Brechkraft D optischer Systeme ist die Dioptrie (dia ‚hindurch‘ und opsis ‚das Sehen‘, plural: Dioptrien). Ihr Einheitenzeichen in Deutschland ist dpt. Beispiel: Eine Sammellinse mit +0,25 dpt hat eine Brennweite von 4 Metern.
Die Brechkraft konvexer Linsen ist positiv. Konkave Linsen habe eine negative Brechkraft

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Infotext 2 - Optik (21) - Linsenarten (historische Informationen)


Geschichtliche Hintergründe

 

Antike

Archäologen berichten, dass bereits viele von Menschenhand geschliffene Linsen in der Antike entdeckt wurden, die aus Kristall (meist Quarz) gefertigt wurden, jedoch ist mangels schriftlicher Quellen nicht überliefert, ob diese jeweils als Sehhilfe oder lediglich als Brennglas zum Feuermachen verwendet wurden. Bei dem ältesten Artefakt handelt sich dabei um die sogenannte Nimrud-Linse, die aus dem Assyrien des 7. vorchristlichen Jahrhunderts stammt (1850 von Austen Henry Layard im assyrischen Palast von Nimrud im heutigen Irak ausgegraben). Bei archäologischen Ausgrabungen wurden darüber hinaus ägyptische Wandmalereien aus dem 8. vorchristlichen Jahrhundert entdeckt, die möglicherweise die vergrößernde Eigenschaft von Linsen darstellen, jedoch ist diese Deutung umstritten.
Die älteste eindeutige schriftliche Beschreibung von Brenngläsern, über die wir verfügen, ist das Theaterstück „Die Wolken“ des griechischen Dichters Aristophanes, das 423 v. Chr. uraufgeführt wurde. Plinius der Ältere berichtet, dass Kaiser Nero zur Korrektur seiner Kurzsichtigkeit einen Smaragd benutzte, durch den er die Gladiatorenspiele in der Arena von seiner Loge aus betrachtete. Sowohl Plinius als auch Seneca beschrieben das Phänomen, wonach Gegenstände, die durch mit Wasser gefüllte Glaskugeln betrachtet werden, vergrößert erscheinen. Allerdings gingen die meisten antiken Philosophen nicht davon aus, dass Licht von Objekten ins Auge fällt, sondern sie folgten noch der aus dem fünften vorchristlichen Jahrhundert stammenden Lehre des Empedokles (antiker griechischer Philosoph und Naturforscher), wonach das Auge aktiv die Gegenstände fixieren und abtasten würde, so dass noch kein adäquates Verständnis der Brechungsoptik entwickelt werden konnte. 

 

Mittelalter

Um 1050 vergruben Wikinger auf Gotland einen Schatz, unter dem sich die eingefassten, reichverzierten, aus Bergkristall gefertigten asphärischen sog. Visby-Linsen befanden, deren Alter selber bis heute nicht bestimmt wurde und die eine mit Mitte des 20. Jahrhunderts industriell hergestellten Hochpräzisionslinsen vergleichbare Verarbeitungs- und Abbildungsqualität besitzen. Es wird angenommen, dass die Visby-Linsen über Handelsverbindungen der Waräger aus Byzanz stammen könnten. 
Die moderne Optik beginnt mit dem arabischen Philosophen al-Kindī, der im 9. Jahrhundert die heute gültige Theorie entwickelte, wonach nicht das Auge die Gegenstände abtastet, sondern umgekehrt das Licht ins Auge fällt. 
Ein Schüler al-Kindis war Alhazen, der im 11. Jahrhundert in seinem siebenbändigen Schatz der Optik schließlich alle überlieferten antiken griechisch-römischen, aber auch neuere arabische Erkenntnisse zur Optik zusammenfasste. Durch Übersetzung dieses Grundlagenwerks ins Lateinische (ab dem mittleren 13. Jahrhundert) erfuhr das mittelalterliche Europa erstmals von der Theorie einfallender Lichtstrahlen. Ende des 13. Jahrhunderts wurden erstmals Sammellinsen in Lesebrillen zur Korrektur von Weit- oder Alterssichtigkeit verwendet. Zentrum dieser Linsenfertigung war zunächst Italien, später auch Frankreich und Holland. 
Die ersten optischen Apparate, die mehrere Linsen hintereinander kombinierten, waren das Mikroskop und das Fernrohr, die Ende des 16. Jahrhunderts bzw. Anfang des 17. Jahrhunderts erfunden wurden.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Infotext - (22) - Das Mikroskop


Ein Mikroskop (griechisch mikrós „klein“; skopeín „betrachten“) ist ein Gerät, das es erlaubt, Objekte stark vergrößert anzusehen oder bildlich darzustellen. Dabei handelt es sich meist um Objekte bzw. die Struktur von Objekten, deren Größe unterhalb des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges liegt. Eine Technik, die ein Mikroskop einsetzt, wird als Mikroskopie bezeichnet. Mikroskope sind ein wichtiges Hilfsmittel in der Biologie, Medizin und den Materialwissenschaften. 

 

Funktionsweise 
Zusammengesetzte Mikroskope bestehen aus mindestens zwei hintereinander geschalteten optischen Systemen. Das sind im einfachsten Fall normale Linsen mit jeweils eigener Vergrößerung. Die vordere Linse (Objektivlinse) erzeugt in einem ersten Schritt ein vergrößertes reelles Bild, das Zwischenbild. Dieses Zwischenbild wird dann in einem zweiten Schritt vom Okular ein zweites Mal vergrößert. Das Okular funktioniert dabei wie eine Lupe, man betrachtet damit direkt das virtuelle Abbild des Zwischenbildes. Dadurch lassen sich deutlich bessere Vergrößerungen erreichen als mit einer einzelnen Linse.
Die ersten zusammengesetzten Mikroskope bestanden aus nur zwei Einzellinsen. Ein Problem ist dabei, dass trotz guter Verarbeitung und guter Qualität der Linsen Abbildungsfehler entstehen. Sehr bald wurde deshalb das Okular zur Vergrößerung des nutzbaren Bildfeldes und Verringerung der Abbildungsfehler aus zwei Linsen zusammengesetzt. In modernen Mikroskopen bestehen Objektive und Okulare jeweils aus mehreren Linsen, um verschiedene optische Abbildungsfehler auszugleichen. Die Objektive und Okulare sind in der Regel wechselbar, so dass die Vergrößerung der jeweiligen Aufgabenstellung angepasst werden kann.
Ein weiteres Problem ist die Beleuchtung des betrachteten Objekts. Je nachdem von welcher Seite das Licht auf das Präparat fällt, wird zwischen Auflicht- und Durchlicht-Beleuchtung beziehungsweise zwischen Auflicht- und Durchlichtmikroskopie unterschieden. Bei der Durchlichtmikroskopie wird die Beleuchtung von hinten durch das Präparat hindurchgeleitet, bevor es vom Objektiv des Mikroskops aufgefangen wird. Daher sind durchsichtige oder dünn geschnittene Präparate erforderlich. Bei der Auflichtmikroskopie wird das Licht entweder vom Mikroskop kommend durch das Objektiv auf das Präparat geleitet oder von der Seite eingestrahlt. Das vom Präparat reflektierte Licht wird wiederum vom Objektiv aufgefangen. Auflichtmikroskopie hat den Vorteil, dass diese Verfahren deshalb auch mit undurchsichtigen Präparaten möglich ist.

 

Geschichte

Die älteste bekannte Mikroskopietechnik wurde um 1600 vermutlich in den Niederlanden entwickelt. Bei ihr wird ein Objekt durch mehrere hintereinander kombinierte Glaslinsen beobachtet. Anfang des 17. Jahrhunderts erhielt das mit einem Objektiv (Die dem Objekt zugewandte Linse) und einem Okular (Die dem Betrachter zugewandte Linse) ausgestattete Mikroskop in Anlehnung an das Wort „Teleskop“ seinen Namen. Die physikalisch maximal mögliche Auflösung eines klassischen Lichtmikroskops ist auf etwa 0,2 Mikrometer beschränkt. 
Eine höhere Auflösung ermöglichen modernere mikroskopische Verfahren wie beispielsweise die Elektronenmikroskopie, die seit den 1930er Jahren entwickelt wurde. Dabei wird kein sichtbares Licht verwendet. Eine andere Methode kommt bei Rasterkraftmikroskopen zum Einsatz. Sie arbeiten nach einem anderen Prinzip und haben sehr feine Nadeln, mit denen die Oberfläche von Objekten abgetastet wird. Daneben gibt es noch weitere mikroskopische Verfahren.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Optik: Das Mikroskop [5:53]

Bildentstehung bei der Sammellinse (4)

Es werden die grundlegenden Eigenschaften der Bildentstehung am Mikroskop dargestellt. Dabei wird auf die optischen Grundlagen der Sammellinse aufgebaut. Diese wurden in den Animationen zur Bildenstehung bei der Sammellinse Teil 1 - 3 erläutert.

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Infotext 1 - Optik (23) - Das Fernrohr (1) [Keplersches Fernrohr]


Ein Fernrohr (auch Linsenfernrohr oder Refraktor) ist ein optisches Instrument, bei dessen Nutzung weit entfernte Objekte um ein Vielfaches näher oder größer erscheinen. Dies wird durch eine Vergrößerung des Sehwinkels mit Hilfe von Linsen erreicht. Die Entwicklung leistungsfähiger Fernrohre spielte eine wichtige Rolle in der Geschichte der Astronomie. Fernrohre bilden zusammen mit Spiegelteleskopen die Klasse der optischen Teleskope.

 

Wortherkunft

Das Wort Fernrohr ist eine wörtliche Eindeutschung des lateinischen Tubus telescopius „Fern-seh-Röhre“, aus tubus „Rohr, Schlauch“. Das deutsche Wort gab es auch schon in dieser Zeit, die anfangs synonymen Wörter Fernrohr und Teleskop entwickelten sich jedoch auseinander. Heute ist Teleskop der Oberbegriff. Fernrohr steht für ein aus Linsen aufgebautes optisches Teleskop. Tubus bezeichnet den technischen Bauteil der Hülle, in dem die optischen Bauteile eingefasst werden.

 

Grundsätzlicher Aufbau

Fernrohre bestehen generell aus einer Kombination von Linsen, die von einer mechanischen Konstruktion gehalten werden. Je nach Strahlengang des Lichts durch die Linsen unterscheidet man dabei zwischen Galilei-Fernrohr und Kepler-Fernrohr

 

Kepler-Fernrohr

Ein Kepler-Fernrohr (astronomisches Fernrohr), ist ein Fernrohr, das einer von Johannes Kepler 1611 beschriebenen Bauweise folgt und ähnelt dem prinzipiellen Aufbau eines Mikroskops. Danach wird sowohl für die Objektiv- als auch für die Okularlinse eine Sammellinse verwendet. Das Objektiv hat eine große und das Okular eine kleine Brennweite. Beide Linsen sind beim Keppler-Fernrohr im Abstand ihrer addierten Brennweiten aufgestellt. Das erste überlieferte Kepler-Fernrohr wurde vom Jesuiten Christoph Scheiner (Deutscher Jesuitenpater, Optiker und Astronom) um 1613 gebaut.

 

Funktionsweise

Das Objektiv erzeugt ein auf dem Kopf stehendes und seitenverkehrtes reelles Zwischenbild des betrachteten Gegenstands (also insgesamt um 180 Grad gedrehtes). Dieses Zwischenbild wird dann mittels des Okulars (Prinzip der Lupe) vergrößert betrachtet.

 

Seitenvertauschung

Keplersche Fernrohre erzeugen für den Beobachter also ein um 180° gedrehtes Bild. Bei einem Schwenk des Fernrohrs bewegt sich das Bild im Bildfeld daher umgekehrt als wenn man durch eine leere Röhre blickt. Entsprechendes gilt für Schwenks nach oben und unten. Bei astronomischen Anwendungen spielt das allerdings keine Rolle, man spricht deshalb von einem „astronomischen Fernrohr“. Um das Bild umzukehren und gleich dem Original auszurichten, gibt es mit zusätzlichen optischen Komponenten verschiedene Möglichkeiten, sog. „terrestrische Umkehrsätze“. Man spricht dann von einem „terrestrischen Fernrohr“.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Infotext 2 - Optik (23) - Das Fernrohr (1) [Johannes Kepler]


Johannes Kepler (auch Keppler und Johann Kepler, 1571 – 1630) war ein deutscher Astronom, Physiker, Mathematiker und Naturphilosoph.
Von 1594 bis 1600 war Kepler Landschaftsmathematiker in Graz, das heißt, Mathematiker des Landes Steiermark (Österreich). Er unterrichtete Mathematik an der protestantischen Stiftsschule. Ab März 1600 kam es in Prag zu einer schwierigen Zusammenarbeit von Kepler mit Tycho Brahe (dänischer Adeliger und einer der bedeutendsten Astronomen, 1546 - 1601), woraufhin Kepler dessen Nachlass ordnete. Danach wurde Kepler kaiserlicher Mathematiker und behielt diese Stellung bis 1627. 
Johannes Kepler entdeckte die Gesetzmäßigkeiten, nach denen sich Planeten um die Sonne bewegen. Sie werden nach ihm Keplersche Gesetze (siehe Themeseite Astronomie) genannt. Er machte die Optik zum Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchung und bestätigte die Entdeckungen, die sein Zeitgenosse Galileo Galilei mit dem Teleskop gemacht hatte. Kepler zählt damit zu den Begründern der modernen Naturwissenschaften
Seine Entdeckung grundlegender Gesetzmäßigkeiten bei der Planetenbewegung machte aus dem mittelalterlichen Weltbild, in dem körperlose Wesen die Planeten einschließlich Sonne in stetiger Bewegung hielten, ein dynamisches System. Demnach beeinflusst die Sonne aktiv durch ihre Fernwirkung die Planeten. Aus seiner Sicht war es auch die göttliche Vorsehung, die den Theologiestudenten zum Studium der Gestirne führte. Die natürliche Welt war ihm ein Spiegel, in dem die göttlichen Ideen sichtbar werden konnten, der gottgeschaffene menschliche Geist dazu da, sie zu erkennen und zu preisen.
Kepler ging über den Gedanken hinaus, das kopernikanische System sei lediglich ein Modell zur einfacheren Berechnung der Planetenpositionen. Das heliozentrische Weltbild als eine physikalische Tatsache zu sehen, stieß nicht nur bei der katholischen Kirche, sondern auch bei Keplers protestantischen Vorgesetzten auf erbitterten Widerstand

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Infotext 2 - Optik (24) - Das Fernrohr (2) [Galilei-Fernrohr]


Galileo Galilei (1564-1641) war ein italienischer Universalgelehrter. Er war Philosoph, Physiker, Mathematiker, Ingenieur, Astronom und Kosmologe. Viele seiner Entdeckungen – vor allem in der Mechanik und der Astronomie – gelten als bahnbrechend. Er entwickelte die Methode, die Natur durch die Kombination von Experimenten, Messungen und mathematischen Analysen zu erforschen, und wurde damit einer der wichtigsten Begründer der neuzeitlichen exakten Naturwissenschaften. Berühmt wurde er auch dadurch, dass die katholische Kirche ihn verurteilte, weil einige seiner Theorien der damaligen Weltsicht widersprachen; 1992 rehabilitierte sie ihn. 

 

Galileo Galilei erfuhr im April oder Mai 1609 von der Erfindung des Fernrohrs in den Niederlanden durch Hans Lipperhey (deutsch-niederländischer Brillenhersteller). Es hat als Objektiv eine konvexe Sammellinse und als Okular eine konkave Zerstreuungslinse kleinerer Brennweite. Für Galileo Galilei als wissenschaftlichen Instrumentenbauer war die Nachricht von der Erfindung des Fernrohrs ein Glücksfall und so baute er mit käuflichen Brillenlinsen zunächst ein kleines Fernrohr mit zwei- bis dreifacher Vergrößerung, indem er verschiedene Entfernungskombinationen mit konvexen Objektivlinsen und konkaven Okularlinsen ausprobierte. Kurz darauf war er in der Lage, bessere Instrumente mit etwa achtfacher und dann sogar dreißigfacher Vergrößerung zu bauen. Eines dieser leistungsstarken Fernrohre führte er im August 1609 auf dem Turm von San Marco einigen Patriziern der Stadt Venedig vor. Der Wert des 60 cm langen Fernrohres wurde sofort von den Zuschauern erkannt. So konnte man mit dem Galilei-Fernrohr die Schiffe auf hoher See bereits zwei Stunden vor der Ankunft im Hafen erkennen.

 

Dies barg vor allem militärische und handelstechnische Vorteile. Wissenschaftliche Erkenntnis war für die venezianischen Staatsmänner zweitrangig. Ein noch besseres Fernrohr schenkte er dem Dogen von Venedig, ein anderes dem Großherzog von Toskana. Galilei wurde dementsprechend mit einer Gehaltserhöhung von 1000 Florentinern und einer Professur auf Lebenszeit gedankt. Bezeichnend für Galilei als Physiker sind die Bemühungen, das Fernrohr zum Messen zu benutzen. Dazu bestimmte er beispielsweise die Abstände der Jupitermonde. 
Funktionsweise des Fernrohrs: Das Okular ist innerhalb der Brennweite des Objektivs positioniert. Der Aufbau erfolgt so, dass die beiden Brennpunkte von Objektiv (reeller Brennpunkt) und Okular (virtueller Brennpunkt) auf der Seite des Beobachters am gleichen Ort liegen. Durch das Linsensystem entsteht ein virtuelles, aufrechtes und seitenrichtiges Bild (allerdings mit kleinem Sichtfeld). Das Galilei-Fernrohr wird heute beim Opernglas und bei der Fernrohrbrille eingesetzt. 

 

Fernrohrbeobachtungen durch Galileo Galilei

Im Jahr 1609 begann Galilei das Fernrohr ausgiebig für astronomische Beobachtungen anzuwenden. Den Anfang der Beobachtungen bildet der Blick zum Mond. Die besondere Rauheit des Mondes hat ihn fasziniert. Außerdem beschreibt er in seinem Werk „Sidereus Nuncius“ (dt. „Sternenbotschaft“, 1610), dass die Oberfläche gebrochen und gezackt wirkt. Berge, tiefe Schluchten und flache Gebiete waren mit dem Fernrohr sichtbar geworden. Diese Beobachtungen entsprachen nicht dem klassischen Bild des Mondes, das ihn als glatten Ball präsentierte. Im Januar 1610 dominierte Jupiter den Nachthimmel und Galilei richtete sein Fernrohr auf den Planeten. Er bemerkt dabei unmittelbar bei Jupiter drei kleine „Sternchen“, zwei östlich vom Jupiter, einer westlich. Da sich in den nächsten Tagen die Stellung und Anzahl dieser „Sternchen“ veränderte, verstand Galilei, dass es immer die gleichen „Sternchen“ sind, die Jupiter umschwärmen. Galilei hatte die Monde des Jupiters entdeckt! Dies war als eindeutig als Bestätigung des kopernikanischen Weltsystems (heliozentrisches Weltbild, Sonne im Zentrum) aufzufassen. 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Infotext 2 - Optik (24) - Das Fernrohr (2) [Heliozentrisches Weltbild]


Das heliozentrische Weltbild (altgriechisch helios, deutsch ‚Sonne‘ und kentron ‚Zentrum‘), auch Kopernikanisches Weltbild genannt, ist ein Weltbild, in dem die Sonne als das ruhende Zentrum des Universums gilt. In seinen Anfängen geht das heliozentrische Weltbild auf die griechischen Astronomen Aristarchos von Samos (um 310 – 230 v. Chr.) und Seleukos von Seleukia zurück, es wurde aber erst im 16. Jahrhundert durch Nikolaus Kopernikus (1473 - 1543) detailliert ausgearbeitet und anschließend dann noch weiter verbessert. Insbesondere waren dabei Johannes Keppler (1571 – 1630) und Isaac Newton (1642 – 1726) beteiligt.

 

Nikolaus Kopernikus war ein Domherr des Fürstbistums Ermland in Preußen sowie Astronom und Arzt, der sich auch der Mathematik und Kartographie widmete. Nach seiner Vorstellung bewegen sich beim heliozentrischen Weltbild die Planeten einschließlich der Erde um die Sonne im Zentrum herum, während die Fixsterne an einer ruhenden äußeren Kugelschale angeheftet sein sollen. Dabei dreht sich die Erde täglich einmal um sich selbst und der Mond bewegt sich etwa jeden Monat einmal um die Erde.
Mit dieser grundsätzlich veränderten Vorstellung von der Welt in der wir leben, setzte sich das heliozentrische Weltbild gegen das seit der Antike vorherrschende geozentrische Weltbild und auch gegen viele Widerstände durch. Sehr lange Zeit glaubte man, dass die Erde kein bewegter Planet ist, sondern ruht und das unbewegte Zentrum der Welt darstellt, um das herum sich Sonne, Mond, Planeten und Fixsterne bewegen. Das geozentrische Weltbild entspricht zwar auf den ersten Blick der unmittelbaren Wahrnehmung der Bewegungen der Gestirne. Es macht aber die Erklärung von kleinen, schon im Altertum beobachteten Unregelmäßigkeiten bei der Bewegung der Planeten außerordentlich kompliziert. Das geozentrische Weltbild konnte im 18. Jahrhundert dann auch durch immer genauere Messungen eindeutig widerlegt werden. 
Gegenüber dem geozentrischen Weltbild war das heliozentrische Weltbild wesentlich einfacher und ebnete erstmals den Weg zu einer erheblich genaueren Beschreibung und Vorhersage der Positionen von Sonne, Sternen und Planeten. Es stand aber schon bei seiner Entstehung im Konflikt mit vielen religiösen Vorstellungen von der Rolle des Menschen und seinem Platz im Universum. Dass die Erde nicht im Zentrum stehe und darüber hinaus selbst in Bewegung sei, erschien lange Zeit als ausgeschlossen. So traf das heliozentrische Weltbild auch auf heftigen Widerstand seitens der christlichen Kirchen. Die Entstehung und Verbreitung des heliozentrischen Weltbilds sind eng verbunden mit dem Aufkommen der modernen Naturwissenschaften und werden daher auch als kopernikanische Wende bezeichnet. 

 

Weiterentwicklung des Weltbildes

Im strengen Sinn trifft die übliche Bezeichnung als heliozentrisches System nur auf den von Johannes Kepler erreichten Entwicklungsstand zu. Genauere Messungen und Beobachtungen machten im weiteren Verlauf der Entwicklung noch detailliertere Anpassungen notwendig. Dabei wurde aber der eigentliche Grundgedanke, dass nicht die Erde im Zentrum des Universums steht, beibehalten. Der Durchbruch zum heliozentrischen Weltbild in seiner heutigen Form vollzog sich in einer Vielzahl von Schritten. Dabei wurde oft ein vorher als unmöglich ausgeschlossener oder nicht einmal erwogener Gedanke zum neuen Ausgangspunkt der Überlegungen gemacht. Gleichzeitig reifte die moderne Vorstellung, dass das Weltall als Ganzes überhaupt keinen Mittelpunkt besitzt.

Diese Zeichnung im Manuskript des Werkes De revolutionibus orbium coelestium (1543) von Nikolaus Kopernikus veranschaulicht den Ausgangspunkt des kopernikanischen Weltbilds: Die Planeten bewegen sich auf kreisförmigen Bahnen um die Sonne.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Querverweis - Sternwarte Kaiserslautern

→ zur: Sternwarte Kaiserslautern

Optik: Das Kepler-Fernrohr [7:07]

Bildentstehung bei der Sammellinse (5)

(Keplersches/Astronomisches Fernrohr)

Es werden die grundlegenden Eigenschaften der Bildent-stehung am Keplerschen/Astronomischen Fernrohr dargestellt. Dabei wird auf die optischen Grundlagen der Sammellinse aufgebaut. Diese wurden in den Animationen zur  Bildenstehung bei der Sammellinse Teil 1 - 3 erläutert. Weiterhin wird die Erweiterung zum terrestrischen Fernrohr erläutert.      

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Optik: Das Galilei-Fernrohr [7:03]

Bildentstehung bei der Sammellinse (6) / Linsenarten

Es werden die grundlegenden Eigenschaften der Bildentstehung am Galilei-Fernrohr dargestellt. Hierfür wird zunächst auf die verschiedenen, beide notwendigen Linsenarten eingegangen und speziell die Zerstreuungslinse genauer betrachtet. Anschließend wird die Funktion des Galilei-Fernrohrs animiert demonstriert. Dabei wird auf die optischen Grundlagen der Sammellinse aufgebaut. Diese wurden in den Animationen zur  Bildenstehung bei der Sammel-

linse Teil 1 - 3 erläutert.


Infos zum Thema:

Augen



Bildergalerie Optik - Farben

Zu sehen sind hier drei verschiebbare Farbfolien. Im überlappenden Bereich wird jeweils eine neue Farbe sichtbar.

(Abbildungen mit freundlicher Genehmigung des DEUTSCHEN MUSEUMS München und des TECHNOSEUMS Mannheim)


Video als Zusammenfassung der wichtigsten Inhalte zur Optik:

  Einführung in die Physik: Optik (Physikus Lernteil)




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* Hinweis: Es werden keine Bücher oder sonstige, hier benannte Materialien im Unterricht verwendet oder benötigt. 

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α-Centauri ist eine Sendereihe in der der Astrophysiker Harald Lesch in jeweils ca. 15-minütigen Folgen Fragen aus der Physik – insbesondere der Astronomie und Astrophysik – und bisweilen der Philosophie beantwortet.


Alle von mir erstellten Materialien stehen für Bildungszwecke frei zur Verfügung, dürfen allerdings nicht von jemand anderem kommerziell vertrieben werden.

Hinweis: Es werden keine Bücher oder sonstige, hier benannte Materialien im Unterricht verwendet oder benötigt. 



Quellenangaben zu den Inhalten auf dieser Seite


Infotext ([17] Optische Abbildungen)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf dem Artikel Optische_Abbildung aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotext ([18/19/20] Optische Abbildungen)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Optische_Abbildung und Linse (Optik) aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotext (1): Optik (21) - Linsenarten (physikalische Informationen)

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Infotext (2): Optik (21) - Linsenarten (historische Informationen)

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Infotext (1): Optik (23) - Das Fernrohr (1) [Keplersches Fernrohr]

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Infotext (2): Optik (23) - Das Fernrohr (1) [Johannes Kepler]

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Johannes Kepler und Tycho Brahe aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotext (1): Optik (24) - Das Fernrohr (2) [Galilei-Fernrohr]

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Fernrohr und Galileo Galilei aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotext (2): Optik (24) - Das Fernrohr (2) [Heliozentrisches Weltbild]

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Heliozentrisches Weltbild und Nikolaus Kopernikus aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. Die Abbildung zum heliozentrischen Weltbild wurde entnommen bei Wikimeda Commons (gemeinfrei)