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Lochkamera

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Physik

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.

Lochkamera, Aufbau einer Lochkamera, StudySmarterAbbildung 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.

Lochkamera, Funktionsweise Entstehung eines Bildes, StudySmarterAbbildung 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.

Lochkamera, Funktionsweise Entstehung eines Bildes, StudySmarterAbbildung 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.

Lochkamera, Entstehung eines Bildes, StudySmarterAbbildung 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.

Lochkamera, Entstehung eines Bildes, StudySmarterAbbildung 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:

Lochkamera Formel Verhältnis Bildgröße Bildweite StudySmarter

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.

Lochkamera, bauen Bauanleitung einer Lochkamera, StudySmarterAbbildung 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.

Lochkamera, bauen Bauanleitung einer Lochkamera, StudySmarterAbbildung 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.

Lochkamera, Wie funktioniert die Camera Obscura, StudySmarterAbbildung 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.

Lochkamera, Auswirkung von Lochgrößen, StudySmarterAbbildung 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.

Lochkamera

Das Prinzip der Camera Obscura gab es schon in der Antike. Die erste Beschreibung eines solchen Apparats stammt von Aristoteles. Im Zusammenhang mit der Erfindung wird auch oft Joseph Nicéphore Niépce genannt, da dieser als erster die Camera Obscura nutzte, um eine Fotografie herzustellen.

In der Lochkamera wird das Licht durch das kleine Loch auf kleine Strahlen reduziert. Abhängig davon, in welchem Winkel sie auf das Loch treffen, setzen sie in der Kamera ihren Weg fort und treffen dann auf einen Punkt auf dem Schirm.

Für eine Lochkamera benötigst du nur eine Chipsdose, einen Bogen Tonpapier, etwas Transparentpapier und Klebeband. Anstelle der Chipsdose kannst du auch einen weiteren Bogen Tonpapier verwenden.

Je größer du das Loch in der Lochkamera machst, desto unschärfer wird das Bild. Da das Bild aber nicht hell genug ist, wenn das Loch zu klein ist, muss ein Mittelweg aus Schärfe und Helligkeit gewählt werden.

Finales Lochkamera Quiz

Frage

Wie ist die Lochkamera aufgebaut?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Lochkamera besteht aus zwei ineinander verschiebbaren Zylindern. Der äußere hat einen undurchsichtigen Boden mit einem Loch darin, während der innere einen Boden aus Transparentpapier hat, der als Schirm dient.

Frage anzeigen

Frage

Warum ist es wichtig, dass der Schirm aus Transparentpapier oder einem ähnlichen Material besteht? 

Antwort anzeigen

Antwort

Nur bei einem transparenten Material kannst du das Bild von außen betrachten, da dieses auf die innere Seite des Schirms projiziert wird. 

Ist das Material jedoch vollständig durchlässig, wird gar kein Bild abgebildet.

Frage anzeigen

Frage

Warum entsteht auf dem Schirm der Lochkamera ein Bild?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Licht, das durch das Loch in die Kamera gelangt, wird auf sehr schmale Strahlen reduziert. Diese treffen dann jeweils an bestimmten Punkten auf den Schirm und bilden damit das betrachtete Objekt ab.


Frage anzeigen

Frage

Worin besteht der größte Unterschied zwischen der Realität und der Abbildung der Lochkamera?

Antwort anzeigen

Antwort

Die in der Lochkamera dargestellten Bilder stehen immer auf dem Kopf.

Frage anzeigen

Frage

Welche Größen spielen eine Rolle bei der Berechnung der Bildgröße B?

Antwort anzeigen

Antwort

Um die Bildgröße B zu berechnen, benötigst du die Gegenstandsgröße G, die Gegenstandsweite g und die Bildweite b.

Frage anzeigen

Frage

Wie lautet der Zusammenhang, der zur Berechnung der relevanten Größen verwendet werden kann?

Antwort anzeigen

Antwort

Für die Berechnung der Größen gilt der Zusammenhang .

Frage anzeigen

Frage

Welcher mathematische Zusammenhang ist dafür verantwortlich, dass die Formel für die Größen in der Lochkamera gilt?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Formel basiert auf den Strahlensätzen.

Frage anzeigen

Frage

Wo lassen sich die ähnlichen Dreiecke finden, auf die die Strahlensätze angewendet werden können?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Dreiecke werden jeweils von den Lichtstrahlen aufgespannt, die von den äußersten Punkten des Gegenstands ausgehen. Diese treffen sich am Loch der Kamera, sodass hier eine Ecke der beiden Dreiecke entsteht. Begrenzt werden die Dreiecke durch die Höhe des Gegenstands beziehungsweise die Höhe des Bilds.

Frage anzeigen

Frage

Wie verändert sich das Bild, wenn du ein kleineres Loch verwendest?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Bild wird bei einem kleineren Loch schärfer, aber dunkler. In der Grafik siehst du, wie die höhere Schärfe zustandekommt.


Frage anzeigen

Frage

Wie verändert sich das Bild, wenn du ein größeres Loch verwendest?

Antwort anzeigen

Antwort

Ein größeres Loch führt zu einem helleren, aber weniger scharfen Bild. In der Grafik siehst du, wie die Unschärfe zustande kommt.

Frage anzeigen

Frage

Wie verändert sich das Bild, wenn du eine größere Bildweite verwendest?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei größerer Bildweite wird das Bild größer.

Frage anzeigen

Frage

Was benötigst du zur Herstellung einer Lochkamera?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Zwei Bögen Tonkarton / Einen Bogen und eine Chipsdose
  • Transparentpapier für den Schirm
  • Einen Bleistift
  • Klebstoff oder Tesafilm
  • Eine Schere 
  • Einen kleinen Nagel

Frage anzeigen

Frage

Wie stellst du das Bild der Lochkamera scharf?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Schärfe des Bilds kann durch verändern der Bildweite angepasst werden.

Frage anzeigen

Frage

Kannst du mit einer Lochkamera eine Sonnenfinsternis beobachten?

Antwort anzeigen

Antwort

Ja, das ist möglich. Jedoch solltest du dabei sehr vorsichtig sein, da die intensive Strahlung deinen Augen sehr schaden kann.

Frage anzeigen

Frage

Ein Gegenstand wird bei einer Bildweite von 10 cm und einer Gegenstandsweite von 2 m betrachtet. Das Bild ist dabei 5 cm groß. Wie groß ist der Gegenstand in der Realität?

Antwort anzeigen

Antwort

​Der Gegenstand ist in der Realität einen Meter groß.

Frage anzeigen
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