Die Lochkamera ist ein beliebtes Experiment der Schulphysik. Da sie vergleichsweise simpel aufgebaut und leicht herzustellen ist, kannst du sie auch gut selbst bauen. Wie die Lochkamera funktioniert und wie du diese selbst ausprobieren kannst, erfährst du in diesem Artikel.
Lochkamera – Aufbau
Eine Lochkamera besteht aus zwei Zylindern, meist aus Tonkarton, die ineinander verschiebbar sind. Der größere, äußere der beiden hat dabei an einer Seite einen undurchsichtigen Boden mit einem kleinen Loch in der Mitte. Dieses gibt der Lochkamera ihren Namen!
Der kleinere Zylinder hingegen hat einen Boden aus Transparentpapier, der als Schirm dient. Das erkennst du unten in der Abbildung 1 anhand der schraffierten Fläche. Auf ihm kannst du später das Bild der Kamera betrachten. Das Material ist hier wichtig, weil du nur so das Bild von der anderen Seite erkennen kannst.
Abbildung 1: Der Aufbau der Lochkamera
Das ist dann schon die gesamte Lochkamera. Wie du siehst, ist sie für einen physikalischen Versuch sehr einfach aufgebaut. Das Ergebnis dieses Versuchs ist allerdings alles andere als schwach oder langweilig. Das Experimentieren mit der Lochkamera kann gerade durch ihre Einfachheit sehr faszinierend und beeindruckend sein.
Lochkamera – Funktionsweise
Die Lochkamera funktioniert nur dann, wenn das Loch in der vorderen Abdeckung wirklich sehr klein ist. Dadurch wird Licht, dass durch das Loch fällt auf einen sehr schmalen Strahl reduziert. Das Licht breitet sich daher nicht überall im Inneren der Kamera aus, sondern verfolgt eine klare Richtung auf seinem Weg vom Loch zum Schirm.
Abbildung 2: Strahlengang der Lochkamera
Eine der auffälligsten Eigenschaften einer Lochkamera ist, dass ihr Bild immer auf dem Kopf steht. Das lässt sich anhand der Abbildungen leicht erklären. Fällt ein Lichtstrahl in die Lochkamera ein, der vom oberen Ende des betrachteten Gegenstandes kommt, setzt dieser seinen Weg in der gleichen Richtung fort, in die er auch vorher gerichtet war. Er kommt daher am unteren Ende des Schirms an. Ein Lichtstrahl, der hingegen vom unteren Ende des Gegenstandes startet, kommt oben am Schirm an. Dadurch wird alles, was du mit der Lochkamera betrachtest auf dem Schirm genau falsch herum, also auf den Kopf gestellt, gezeigt.
Abbildung 3: Entstehung eines Bildes
Wie groß werden Objekte in der Lochkamera gezeigt?
Die benötigten Größen
Aus der Art, wie die Lichtstrahlen in die Lochkamera einfallen, kannst du auch berechnen, wie groß die Objekte am Ende angezeigt werden. Dabei hängt die Bildgröße B von drei verschiedenen Größen ab.
Zuerst einmal spielt die Gegenstandsgröße G eine Rolle. Logisch: Je größer der Gegenstand ist, desto größer wird er auch dargestellt.
Außerdem brauchst du die sogenannte Gegenstandsweite g. Diese ist der Abstand zwischen dem betrachteten Gegenstand und dem Loch der Lochkamera.
Zuletzt fehlt noch die Bildweite b. Diese beschreibt den Abstand zwischen dem Loch der Lochkamera und dem Schirm im Inneren. Diese kann von Betrachtung zu Betrachtung variieren, da du sie richtig einstellen musst, bevor du ein scharfes Bild siehst.
All diese Größen kannst du dir noch einmal in der Abbildung 4 anschauen, damit du sie sicher richtig zuordnen kannst.
Abbildung 4: Entstehung eines Bildes
Die Strahlensätze
Auch wie wir daraus jetzt eine Bildgröße berechnen können, können wir aus der Abbildung ableiten. Dafür benötigen wir die Strahlensätze. Wenn du diese noch nicht kennst oder sie nicht mehr so richtig im Kopf hast, schau dir gern unseren Artikel dazu an, um dir einen Überblick zu verschaffen.
Wir können bei der Lochkamera Strahlensätze anwenden, weil die Lichtstrahlen, wenn sie das Loch passieren, ihren Einfallswinkel beibehalten. Wichtig sind dann zwei ganz bestimmte Lichtstrahlen: Diejenigen, die vom obersten und vom untersten Punkt des Gegenstands ausgehen. Der Winkel zwischen diesen beiden muss dann außerhalb und innerhalb der Lochkamera der gleiche sein. Diese beiden Strahlen und die Höhe des Gegenstands in Realität und auf dem Schirm bilden dann die beiden ähnlichen Dreiecke, die Voraussetzung für die Strahlensätze sind. Diese Dreiecke siehst du in Abbildung 5 in rot/hellblau.
Abbildung 5: Entstehung eines Bildes
Die Abbildungsformel bei der Lochkamera
Durch diese Ähnlichkeit können wir nun eine Gleichung aufstellen, die die Größenverhältnisse untereinander klärt und in ein Verhältnis setzt.
Bei der Lochkamera kann das Verhältnis zwischen Bildgröße B und Bildweite b sowie der Gegenstandsgröße G und der Gegenstandweite g mit Hilfe einer einfachen Formel beschrieben werden:
Diese Gleichung, die besagt, dass die Quotienten aus Bildgröße B und Gegenstandsgröße G sowie aus Bildweite b und Gegenstandsweite g gleich sind, kann verwendet werden, um eine beliebige dieser Größen zu berechnen, sofern die restlichen Größen bekannt sind.
Dafür muss die Gleichung einfach nach der gesuchten Größe umgestellt werden. Um dies auf unsere ursprüngliche Fragestellung zu beziehen, zeigen wir dir hier noch einmal die umgestellte Form, mit der du die Bildgröße B berechnen kannst:
Misst du nun die Gegenstandsgröße G, die Gegenstandsweite g und die Bildweite b aus, kannst du die Bildgröße auf deinem Schirm berechnen. Außerdem kannst du mit der Formel bestätigen, was du beim Experimentieren mit der Lochkamera sicher schon festgestellt hast:
Eine größere Bildweite b und ein größerer Gegenstand G sorgen für ein größeres Bild B, während mehr Abstand zum Gegenstand (eine größere Gegenstandsweite g) für ein kleineres Bild B sorgen.
Da die Bildgröße B umso größer ist, je größer die Bildweite b und je größer die Gegenstandsgröße G ist, kannst du hier einen proportionalen Zusammenhang zwischen der Bildgröße B, der Bildweite b und der Gegenstandsgröße G feststellen. Damit gilt:
Da die Bildgröße B umso kleiner Ist, je größer die Gegenstandsweite g ist, liegt hier ein antiproportionaler Zusammengang zwischen der Bildgröße B und der Gegenstandsweite g vor. Damit gilt hier:
Schauen wir uns im folgenden doch direkt mal eine Aufgabe an, in der du die Bildgröße eines Objektes beim Nutzen einer Lochkamera berechnest!
Aufgabe
Berechne die Bildgröße eines 12 cm hohen Gegenstands bei einer Bildweite von 15 cm und einer Gegenstandsweite von 30 cm.
Lösung
Du benötigst zur Lösung der Aufgabe die Formel für die Bildgröße:
In diese kannst du nun deine angegebenen Größen einsetzen:
Der Gegenstand ist also in der Abbildung der Kamera 6 cm groß.
Lochkamera bauen
Die Materialien
Die meisten Lochkameras bestehen aus schwarzem Tonkarton. Dieser sorgt dafür, dass das Innere der Kamera sehr dunkel wird, wodurch du das Bild besser erkennen kannst. Für den äußeren Zylinder kannst du auch gut eine Chipsdose verwenden. Dadurch wird die Kamera deutlich stabiler und du sparst auch ein wenig Arbeitsaufwand.
Insgesamt benötigst du:
- Zwei Bögen Tonkarton (oder einen Bogen Tonkarton und eine Chipsdose)
- Transparentpapier für den Schirm
- Einen Bleistift
- Klebstoff oder Tesafilm
- Eine Schere
- Einen kleinen Nagel
Wenn du eine Chipsdose zur Hand hast solltest du diese vorher gut ausspülen und anschließend abtrocknen. Dann musst du nur noch mit dem Nagel mittig in den Boden der Dose ein kleines Loch stechen.
Der äußere Zylinder
Wenn du keine Dose hast, rolle den einen Bogen Tonkarton zu einem Zylinder zusammen und verklebe ihn mit einem langen Streifen Tesafilm, sodass er in seiner Form bleibt. Dann musst du ihm einen Deckel aufsetzen, indem du einen Kreis aus Tonkarton ausschneidest, an dem du einige Klebelaschen lässt, sodass du diesen auf das eine Ende des Zylinders kleben kannst. Auch in diesen Boden musst du anschließend ein Loch stechen.
Abbildung 6: Bauanleitung einer Lochkamera
Der innere Zylinder
Nun kannst du den Tonkartonbogen aufrollen und in den äußeren schieben. Wenn du ihn dann loslässt, rollt er sich auseinander, bis er gerade noch kleiner ist, als der äußere. Dann klebst du ihn von innen mit einem kleinen Streifen Tesafilm zusammen, nimmst ihn heraus und verklebst ihn vollständig. Du hast nun die beiden ineinander verschiebbaren Teile der Kamera fertig.
Das einzige, was noch fehlt, ist der Schirm. Für diesen setzt du den inneren Zylinder auf das Transparentpapier und zeichnest einen Kreis darum herum. Auch an diesen zeichnest du noch einige Kleblaschen heran, bevor du ihn ausschneidest.
Dann klebst du den Schirm auf deinen kleinen Zylinder und schiebst die Teile ineinander. Dabei muss der Schirm auf der inneren Seite des kleinen Zylinders sein. Jetzt ist die Lochkamera fertig.
Abbildung 7: Bauanleitung einer Lochkamera
Lochkamera – Camera Obscura
Bekannt wurde das Prinzip der Lochkamera zunächst vor allem im Großformat.
Die Camera Obscura ist ein Raum, der einer Lochkamera insofern ähnelt, als dass er ein kleines Loch in der einen Wand hat, durch das Licht hineinfällt. Das Bild, welches bei der Lochkamera auf dem Schirm abgebildet wird, ist hier auf der gegenüberliegenden Wand zu sehen.
Abbildung 8: Camera Obscura
Ursprünglich diente dies der Himmelsbeobachtung, sodass die Astronomen damals nicht in das helle Licht der Sonne schauen mussten. Große, begehbare Versionen der Camera Obscura wurden als Attraktionen zum Beispiel auf Jahrmärkten genutzt.
Später wurden kleinere Transportable Varianten entwickelt, die ähnlich wie deine Lochkamera einen transparenten Schirm hatten, sodass sie von Künstlern als Zeichenhilfe verwendet werden konnten.
Wie experimentiere ich mit der Lochkamera?
Du verwendest die Lochkamera, indem du in den kleineren Zylinder hineinschaust und sie auf einen Gegenstand ausrichtest, den du betrachten willst. Dann kannst du die Kamerateile gegeneinander verschieben, bis du ein scharfes Bild erhältst.
Du solltest dabei darauf achten, die Kamera direkt an dein Auge zu halten und möglichst Licht, das von außen an dein Auge kommt abzuschirmen. Dadurch kannst du mehr erkennen.
Wenn du kein Bild erkennen kannst oder dieses sehr sehr dunkel ist, kannst du das Loch in der Kamera ein wenig vergrößern. Dabei musst du allerdings extrem vorsichtig sein. Machst du es zu groß, wird das Bild verschwimmen.
In Abbildung 8 sind die Strahlengänge von verschiedenfarbigen Lichts in der Camera Obscura dargestellt. Je kleiner das Loch ist, desto schärfer ist das Bild, was du am Ende erkennst. Je größer das Loch, desto unschärfer wird das Bild.
Abbildung 9: Auswirkung von unterschiedlichen Lochgrößen
Wenn du durch eine Lochkamera schaust, dann äußert sich die Schärfe des Bildes abhängig von der Lochgröße so, wie du in Abbildung 9 erkennen kannst.
Kann man aber mit so einer selbstgebastelten Lochkamera tatsächlich große Experimente machen?
Lochkamera – Sonnenfinsternis
Grundsätzlich gilt: Ja, das geht. Allerdings musst du dabei sehr vorsichtig sein. Direkt in die Sonne zu schauen ist sehr gefährlich für deine Augen, sodass du das unbedingt vermeiden musst. Wenn du mit einer Lochkamera in die Sonne schauen möchtest, solltest du dafür am besten noch eine eigene bauen. Diese muss ein extrem kleines Loch haben, damit nicht zu viel des Sonnenlichts dadurch einfallen kann. Außerdem musst du gut darauf achten, dass dein Schirm nicht zu durchsichtig ist. In der Praxis ist dies also etwas komplizierter!
Lochkamera - Das Wichtigste auf einen Blick
- Eine Lochkamera besteht aus zwei Zylindern mit einem Schirm am inneren und einem Loch im äußeren Zylinder.
- Die Lochkamera produziert ein Bild, weil das Licht durch das Loch nur als kleiner Strahl durchgelassen wird.
- Das Bild einer Lochkamera steht über Kopf.
- Die Größe des Bilds der Lochkamera hängt von der Gegenstandsgröße G, der Gegenstandsweite g und der Bildweite b ab.
- Die Formel die diesen Zusammenhang beschreibt lautet:
- Eine Lochkamera ist sehr einfach zu bauen und daher ein beliebtes Experiment
- Mit einer Lochkamera kann auch eine Sonnenfinsternis beobachtet werden.
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