Optische Instrumente![]() | ||
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Optische Instrumente in Java (Autor: H.Fesefeldt(cc)2007) ![]() Konvexlinsen sind durch zwei Kugelflächen so begrenzt, dass sie in der Mitte dicker als am Rand sind. Parallel zur optischen Achse hindurchtretende Strahlen werden im Brennpunkt F gesammelt. Sein Abstand von der Hauptebene ist die Brennweite f. Daher nennt man sie auch Sammellinsen. Konkavlinsen sind durch zwei Kugelflächen so begrenzt, dass sie in der Mitte dünner sind als am Rand. Parallel zur optischen Achse hindurchtretende Strahlen werden so gebrochen, als kämen sie von einem vor der Linse liegenden Brennpunkt F. Sein Abstand von der Hauptebene ist wiederum die Brennweite f, allerdings mit einem negativen Zahlenwert. Da diese Linse die Lichtstrahlen nicht sammelt, sondern zerstreut, nennt man sie auch Zerstreuungslinse. Mit dieser Linse kann man keine reellen Bilder erzeugen, sondern nur sogenannte virtuelle Bilder, die auf der vorderen Linsenseite liegen. Der Kehrwert der Brennweite bezeichnet man als Brechkraft D = 1/f mit der Einheit Dioptrie = 1/m. Zur Konstruktion des Bildes benutzt man mindestens 2 der 3 Hauptstrahlen: 1. der Parallelstrahl, er wird zum Brennpunktstrahl 2. der Brennpunktstrahl, er wird zum Parallelstrahl 3. der Mittelpunktstrahl, er geht ohne Richtungsänderung durch die Linse. Die Gegenstandsweite g und die Bildweite b sind dann durch die berühmte Linsenformel miteinander verknüpft: ![]() Die Grösse des Bildes ist ![]() wobei G die Grösse des Gegenstandes ist. Das Verhältnis B/G nennt man auch den Abbildungsmasstab. Das Bild ist reell, wenn b > 0 wird, es ist virtuell, wenn b < 0 wird. Das Bild steht umgekehrt zum Gegenstand, wenn B > 0 ist, es steht aufrecht, wenn B < 0 wird. In unserem kleinen Java- Applet können Sie mit eine Linse spielen. Dieses und alle folgenden Applets besteht aus einem grafischen Hauptfenster und einem kleinen Control- Fenster. Dieses kleine Fenster verschwindet häufig hinter dem Hauptfenster oder dem Browser. Sie müssen es dann hinter den anderen Fenstern hervorholen. Hier können Sie die Brennweite einstellen und verschiedene Gegenstandsweiten ausprobieren. Sie werden bemerken, dass auch bei einer Sammellinse virtuelle Bilder auftreten können, sobald sich der Gegenstand zwischen Brennpunkt und Hauptebene der Linse befindet. Betätigen Sie auch ab und zu mal den Start- Button. Mit Reset können Sie wieder aufräumen. Aufgabe 1: Ein Gegenstand bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit v von einer Linse weg. Der Abstand von der Linse ist also g = vt, wobei t die Zeit ist. Wie bewegt sich das Bild ? Visuell können Sie die Lösung dieser Aufgabe in diesem Java- Applet verfolgen. ![]() Aufgabe 2: In welcher Mindestentfernung a vom Objektiv einer Kamera mit Brennweite 50 mm und Filmformat 24 x 36 mm muss sich eine Person mit der Körpergrösse von 1,75 m aufstellen, um vollständig abgebildet zu werden ? ![]() Die Grösse des Bildes auf der Netzhaut ist durch den Sehwinkel gegeben. Entscheidend ist nicht die Grösse des Gegenstandes, sondern das Verhältnis von Grösse zur Gegenstandsweite. Der Sehwinkel kann mit ![]() berechnet werden. Aufgabe 3: Im folgenden werden wir immer die Approximation benutzen, das der Tangens des Sehwinkels durch den Sehwinkel selbst ersetzt werden kann. Eine Person betrachtet ein Bild der Grösse 30 cm im Abstand von 50 cm vom Auge. a) Wie gross ist der Sehwinkel ? b) Wie genau (in Prozent) ist die Bestimmung des Sehwinkels mit der Approximation der Ersetzung des Tangens vom Winkel durch den Winkel selbst ? ![]() 1. DM(Auge) = 22 mm: extreme Weitsichtigkeit, Brille ist Zerstreuungslinse 2. DM(Auge) = 23 mm: Weitsichtigkeit, Brille ist Zerstreuungslinse 3. DM(Auge) = 24 mm: Normalsichtig 4. DM(Auge) = 25 mm: Kurzsichtigkeit, Brille ist Sammellinse 5. DM(Auge) = 26 mm; Extreme Kurzsichtigkeit, Brille ist Sammellinse Die Augenlinse und die Brille bilden ein optisches System aus 2 Linsen. Die Brennweite des Gesamtsystems kann mit der Formel ![]() berechnet werden. d ist hierbei der Abstand der beiden Linsen L1 und L2. Das Problem ist nur, dass wir die Hauptebene des Systems noch nicht kennen. Die Bestimmung der Hauptebene verschieben wir auf ein späteres Applet. In diesem Applet haben wir angenommen, dass die Hauptebene weiterhin die Mittelebene der Augenlinse ist, und der Abstand d = 10 mm beträgt. Üblicherweise wird die Stärke einer Brille in Dioptrien angegeben, D = 1/f mit der Einheit 1/m. Die Brennweite in Millimeter ist dann 1000/D. Aufgabe 4: Verschreiben Sie den 4 Patienten des Applets eine Brille. Diese Brille muss den gesamten Bereich vom Nahpunkt bis Unendlich abdecken. Die Akommodationsfähigkeit der Patienten liegt zwischen 20 und 23 mm Brennweite. ![]() V = Sehwinkel mit Instrument/Sehwinkel ohne Instrument. Wir wissen bereits, dass der Sehwinkel vom Abstand des Gegenstandes vom Auge abhängt. Beim Sehwinkel ohne Instrument wird grundsätzlich der Gegenstand in die deutliche Sehweite S = 250 mm gestellt. Beim Sehwinkel mit Instrument gibt es zwei Betrachtungsweisen. Einmal möchte das menschliche Auge gerne ohne jegliche Akkomodation sehen. Wir werden den Gegenstand also möglichst nahe an den Brennpunkt der Lupe bringen, damit das virtuelle Bild sehr weit entfernt ist. Diese Vergrösserung heisst deshalb auch Normalvergrösserung und beträgt V = S/f. Man kann natürlich auch das virtuelle Bild ebenfalls in die deutliche Sehweite bringen und und es dann mit akkomodiertem Auge betrachten. Hier ergibt die Rechnung eine Vergrösserung von V = S/f +1. In unserem Applet können Sie mit allen Parametern der Lupe herumspielen. Sie können die Brennweite f(Lupe) ändern und den Abstand a(F-g) des Gegenstandes vom Brennpunkt der Lupe. Die Handhabung einer Lupe ist sehr verschieden. Zum Zeitung lesen hält man die Lupe in einem gewissen Abstand vom Auge. Möchte man dagegen die maximale Vergrösserung erreichen, muss der Abstand zwischen Auge und Lupe klein sein. Dieser Abstand d(Auge-Lupe) kann daher im Applet auch verändert werden. Aufgabe 5: Ein Leser betrachtet einen Buchstaben der Grösse G = 3 mm aus der Entfernung S = 250 mm. Wenn er ein Leseglas mit Brennweite f = 50 mm benutzt, hält er dieses im Abstand a = 40 mm über der Schrift, ändert dabei aber den Abstand vom Buch nicht. a) In welcher Entfernung x vom Auge entsteht das Bild ? b) Welche Grösse B hat das Bild des Buchstaben ? c) Welche Vergrösserung erhält der Leser auf diese Weise ? ![]() ![]() gegeben. Hierbei ist (t+f1)/f1 = t/f1 der Abbildungsmasstab des Objektivs und S/f2 die Vergrösserung des Okulars. Dieser Wert ist im Applet in Klammern angegeben. Versuchen Sie also durch Einstellung aller Parameter diesen Wert der Vergrösserung zu erreichen. Aufgabe 6: Man kann das Mikroskop auch ohne Auge benutzen und das Bild des Okulars auf eine Leinwand projezieren. Das Mikroskop unserer Aufgabe hat ein Objektiv mit 30 mm Brennweite und ein Okular mit 50 mm Brennweite. Der Gegenstand befindet sich 5 Millimeter vor dem Brennpunkt des Objektivs. Das Bild des zu untersuchenden Gegenstandes vor dem Objektiv soll auf der Leinwand um den Faktor 300 vergrössert erscheinen (Abbildungsmasstab Beta). Welchen Abstand muss die Leinwand vom Okular haben ? (Sie können Ihr Ergebnis mit diesem Applet prüfen.) ![]() ![]() Wir sehen also, dass das Objektiv eine grosse und das Okular eine kleine Brennweite haben sollte. Aus grafischen Gründen betragen die Brennweiten in unserem Applet lediglich f(Objektiv) = 280 mm und f(Okular) = 40 mm, wir erreichen damit nur eine Verstärkung von V = 7. Der Tubus kann um einige Millimeter verändert werden, um die Lage des virtuellen Bildes zu adjustieren. Betrachtungsweisen im Unendlichen (total entspanntes Auge) oder in der deutlichen Sehweite sind damit möglich. Aufgabe 7: Im Innern einer Vakuumkammer befindet sich im Abstand a = 400 mm vom Einblickfenster entfernt ein kleiner Gegenstand. Direkt an das Einblickfenster wird ein Keplersches Fernrohr montiert. Der Abstand zwischen Objektiv und Okular (Länge des Fernrohrs) beträgt bei Beobachtung mit völlig entspanntem Auge d = 200 mm. Das Okular hat eine Normalvergrösserung von V2 = 12. a) Welche Brennweite f1 hat das Objektiv ? b) Wie gross ist die Gesamtvergrösserung V ? ![]() Aufgabe 8: Bei einem Opernglas ist die Normalvergrösserung mit V=3 angegeben. Bei der Einstellung auf die weit entfernte Bühne beträgt der Abstand zwischen Objektiv und Okular 60 mm. Dieser Abstand kann beim Einstellen auf näher gelegene Personen (z.B auf die nette Zuschauerin im Parkett) um die Strecke d = 20 mm vergrössert werden. a) Wie gross sind die Brennweiten f1 und f2 von Objektiv und Okular ? b) Wie gross ist der kürzeste Beobachtungsabstand bei völlig entspanntem Auge ? ![]() ![]() berechnet werden kann, hatten aber die Frage offen gelassen, wo dann die Hauptebene liegt, bei der die Brechung der Strahlen vorzunehmen ist. Und tatsächlich, es gibt jetzt zwei Hauptebenen. Die erste liegt in einer Entfernung h1 von der ersten Linse entfernt, die zweite in einer Entfernung h2 von der zweiten Linse. ![]() Die Hauptebenen liegen rechts von der Linse, wenn das Vorzeichen positiv ist, dagegen links von der Linse, wenn das Vorzeichen negativ ist. Die Brennweite f des Gesamtsystems, die Gegendstandsweite g und die Bildweite b sind jeweils auf diese Hauptebenen bezogen. Bei der Bildkonstruktion wird ein Parallelstrahl an der zweiten Hauptebene gebrochen und durch den hinteren Brennpunkt gezeichnet, ein Brennpunktstrahl wird dagegen durch den vorderen Brennpunkt gezeichnet und an der vorderen Hauptebene gebrochen. In unserem Applet haben wir eine konkave und konvexe Linse kombiniert. Da f1 negativ ist, sind beide Hauptebenen rechts von ihren Linsen. In unserem Applet können Sie alle Parameter dieses Systems ändern und die jeweilge Lage der Hauptebenen beobachten. Wenn Sie auf den Text- Button drücken, werden die wichtigsten Grössen des Sytems angezeigt. Aufgabe 9: Ein System besteht aus drei Linsen mit Brennweiten f1 = 50 mm, f2 = -10 mm und f3 = 10 mm. Die Abstände betragen d12 = 40 mm und d23 = 50 mm. Wo liegt die bildseitige Hauptebene und wie gross ist die Brennweite dieses Systems ? (Tip: Verfolgen Sie einfallende Parallelstrahlen durch das System hindurch.) ![]() Aufgabe 10: Ein Teleobjektiv besteht aus einer Sammellinse L1 und einer Zerstreuungslinse L2 im Abstand von d = 24 mm. Die Brennweiten betragen f1 = 30 mm und f2 = -7,5 mm. a) Wie gross ist die Brennweite des Teleobjektivs ? b) Wie gross ist der Abstand zwischen der Sammellinse L1 und dem bildseitigen Brennpunkt ? c) Wo befindet sich die bildseitige Hauptebene ? ![]() ![]() ![]() Bei einer Brechung an einer Hauptebene einer Linse bleibt der Abstand erhalten, es ändert sich die Steigung ![]() wobei f die Brennweite der Linse ist. Bei einem System aus 2 Linsen hat man also 3 Translationen und 2 Brechungen. Wir wiederholen dieses Verfahren für verschiedene Lichtstrahlen des gleichen Objektpunktes, in unserem Applet werden bei jedem Reset 3 neue Strahlen erzeugt. Der Schnittpunkt dieser Strahlen ergibt dann den Bildpunkt. Falls die Strahlen auf der Bildseite des Systems divergieren, muss man den Schnittpunkt der Verlängerungen bestimmen, um den virtuellen Bildpunkt zu erhalten. Wie Sie im Applet sehen können, braucht man bei diesem Verfahren keine Brennpunkte und Hauptebenen. Bei der Konstruktion von Systemen aus mehr aus 2 Linsen müssen Sie dieses Verfahren sogar anwenden, um die Hauptebenen bestimmen zu können. In der Matrizen Optik ist die Gegenstandsweite g jetzt wieder der Abstand von der ersten Linse und nicht der Abstand von der Hauptebene, ebenso ist die Bildweite b der Abstand von der zweiten Linse. In unserem Applet können Sie noch den Abstand d der beiden Linsen und die Brennweiten verändern. Aufgabe 11: im folgenden Applet finden Sie das System aus 3 Linsen von Aufgabe 9. Setzen Sie die hintere Hauptebene an ihren richtigen Platz und verifizieren Sie damit Ihr Ergebnis von Aufgabe 9. h ist der Abstand von der letzten Linse. Literatur: Hecht/Zajac, Optics, Addison Wesley Publishing Company, 1982 A. Recknagel, Physik (Optik), VEB Verlag Technik Berlin, 1966 Kuchling, Taschenbuch der Physik, Verlag Harri Deutsch, 1986 Peter Müller u.a., Übungsbuch Physik, Fachbuchverlag Leipzig, 1996. Damit beschliessen wir unser Tutorial über optische Instrumente. Ich hoffe, es hat Ihnen Spass gemacht. Vielleicht haben Sie auch Einiges gelernt. Falls Sie Fehler finden oder Verbesserungsvorschläge haben, schreiben Sie an
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