Veröffentlichung aus ‚Physik und Didaktik’ 4, 1984, S. 319 - 324, BSV München:

 

Klaus G. Schröder

Die Lochkamera - ihr Einsatz im Oberstufenunterricht

 

Die Physik der Lochkamera ist anspruchsvoller als sie vielfach insbesondere in Schulbüchern dargestellt wird. Ein Oberstufeneinsatz der Lochkamera ist also auch in einem umfangreicheren Rahmen möglich, zumal sie ein sehr billiges und - wie die Erfahrung des Autors zeigt - außerordentlich motivierendes Experimentiergerät darstellt.

Es werden einige Anregungen für den Unterrichtseinsatz gegeben, ohne jedoch der pädagogischen Umsetzung durch den Lehrer vorzugreifen.

 

Im Rahmen eines Grundkurses "physikalische Aspekte der Fotografie" in der Stufe 13 wurde von mir als Einstiegsthema die Lochkamera behandelt. Es zeigt sich dabei, dass die Lochkamera ein sehr billiges und außerordentlich motivierendes Experimentiergerät darstellt, das insbesondere auch für Schülerübungen gut geeignet ist.

Die Physik der Lochkamera ist anderseits komplex genug, um an ihr wesentliche physikalische Grundlagen zu erarbeiten, z.B. Strahlenmodell und Wellenmodell des Lichts, Auflösungsvermögen, Gesetz über die Abnahme der Lichtintensität, usw.

 

1. Die Physik der Lochkamera in Oberstufendarstellung

Herkömmlicherweise wird die Lochkamera mit Hilfe des Strahlenmodells des Lichtes er- klärt (s. Abb. 1 ). In diesem Modell wird jeder Objektpunkt - sofern er genügend weit vom Loch entfernt ist - auf dem Film als ein Lichtfleck abgebildet, dessen Durchmesser l gleich dem Lochdurchmesser d ist (siehe Abb. 2a).

Nach diesem Modell ist also das Bild auf dem Film um so schärfer, je kleiner der Lochdurchmesser d ist. Für den Lichtfleckdurchmesser l gilt also die Beziehung:

l = d                            (1)

Verkleinert man nun den Lochdurchmesser d zu stark, so treten jedoch die nach der Wellentheorie des Lichtes an der Lochkante entstehenden Beugungserscheinungen in den Vordergrund. Der Lichtfleck auf dem Film vergrößert sich jetzt mit kleiner werdendem Lochdurchmesser (siehe Abb. 2b).

Nach der Fraunhoferschen Beugungstheorie gilt für den Lichtfleckdurchmesser l auf einem im Abstand f von einer Lochblende aufgestelltem Schirm:

 

                 (2)

Man erkennt also, dass sich für die Lichtfleckgröße ein minimaler Wert ergibt, der nicht unterschritten werden kann. Berechnen wir den zu diesem Wert gehörenden "optimalen Lochdurchmesser" durch gleichsetzen von ( 1) und (2) , so erhalten wir:

dOpt =                (3)

Wie M. Young [ 1] experimentell gezeigt hat, handelt es sich hierbei jedoch nur um einen theoretischen Näherungswert, da im Bereich des "optimalen Lochdurchmessers" offen- sichtlich keines der beiden Lichtmodelle die Situation tatsächlich beschreibt (siehe Abb. 3).

Der tatsächliche von Young experimentell ermittelte Wert für den "optimalen Lochdurch-messer" liegt bei:

dOpt =            (4)

 

Die Existenz des "optimalen Lochdurchmessers" lässt sich relativ problemlos im Unterricht zeigen (siehe Abb. 4).

 

2. Einsatz der Lochkamera im Unterricht

Wenn man erleben will, wie Schüler der Oberstufe im Physikunterricht in Begeisterung ge- raten, so sollte man Experimente mit der Lochkamera in den Unterricht einplanen. Die Lochkamera fasziniert durch ihre Einfachheit. Die Grundausrüstung für Lochkamera­experimente besteht aus einem verdunkelbaren Raum, einer roten Glühbirne und drei Schalen mit Entwickler, Unterbrecherbad und Fixierbad, sowie einer Packung Fotopapier oder Planfilm.

Die Lochkameras können sich die Schüler selbst anfertigen: eine Kaffeedose, eine Zigarrenkiste, eine Waschpulvertrommel oder Ähnliches sind als Lochkamerakorpus sehr gut geeignet. Das eigentliche Loch kann man mit einer Nadel in Aluminiumhaushaltsfolie stechen, die man vor ein größeres Loch im Lochkamerakorpus klebt. Löcher mit einem Durchmesser größer als 0, 1 mm sind so ohne Schwierigkeiten zu erhalten.

Die erste Frage, die die Schüler stellen, wenn sie mit der Lochkamera experimentieren wollen, ist die Frage nach der Belichtungszeit. Es ist den Schülern sofort einsichtig, dass die auf den Film fallende Lichtmenge proportional zur Lochfläche und damit proportional zu d2 ist. Aus den bekannten Oberlegungen, die den Lichtstrom durch Kugeloberflächen von Kugeln mit verschiedenen Radien betreffen, schließt man andererseits, dass die auf den Film fallende Lichtmenge umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands

Loch-Film f ist. Die für die Belichtung entscheidende Größe ist also der Quotient d/f bzw. die Blendenzahl B = f/d. Ist diese für die jeweilige Lochkamera erst einmal ermittelt, so lässt sich mit Hilfe eines Belichtungsmessers und durch Weiterführung der BIendenreihe bis zum ermittelten Wert, die Belichtungszeit problemlos bestimmen (die Empfindlichkeit von Fotopapier liegt bei etwa 14 DIN). Wegen des Schwarzschildeffektes sollte man allerdings Belichtungszeiten ab 3 Minuten mindestens verdoppeln.

Wie Abbildung 4 zeigt, lässt sich die Existenz des "optimalen Lochdurchmessers" eindeutig erkennen. Der Nachweis der Zunahme der Unschärfe bei zu kleinen Lochdurchmessern ist etwas heikel, da sich mit der beschriebenen Methode nur schwer genügend kleine Löcher für Lochkameras "normaler" Länge (also etwa 0,1 m) stechen lassen. Es ergeben sich außerdem recht lange Belichtungszeiten (bis zu einer Stunde und mehr). Wählt man die Lochkamera genügend groß, so verschwindet das erste Problem. Denkbar ist auch die Verwendung "fotografischer Löcher", die aus einem auf Dokumentenfilm fotografierten schwarzen Punkt bestehen, der durch die Aufnahme entsprechend verkleinert, ein Negativ das Loch in der gewünschten - auch extrem kleinen - Größe ergibt.

Die bisher beschriebene Methode Lochkamerafotografien herzustellen hat (zumindest bei der Verwendung von Fotopapier) den Nachteil, dass die Bilder seitenverkehrt und als Negativ entstehen.

Vermeiden lässt sich dies, zusammen mit dem Nachteil der langen Belichtungszeiten, durch die Verwendung eines Lochkameravorsatzes für die Spiegelreflexkamera (siehe Abb. 5). Ein solcher Vorsatz lässt sich z.B. aus einem Gehäuseverschlussdeckel (body-cap) und einer Röhre basteln. Meistens kann man hiermit, bei Verwendung von hochempfindlichen 27 DIN-Filmen, die Aufnahmen noch aus der Hand machen und dabei den eingebauten Belichtungsmesser verwenden. Schwarz-Weiß- und Farbnegativ-Filme sowie Dia- Materialien sind dabei in gleicher Weise geeignet.

Mit Hilfe eines solchen Vorsatzes lassen sich insbesondere auch für den Unterricht Demonstrationsdias aufnehmen, die durch seitenverkehrte Projektion das Bild auf der Lein- wand sogar seitenrichtig entstehen lassen.

Es lassen sich damit auch die zwei auffallendsten Eigenschaften des Lochkamerabildes demonstrieren:

- die extreme Tiefenschärfe (praktisch von 0 bis ¥) und

- die weiche Zeichnung (geeignet das Auflösungsvermögen zu problematisieren - vgl. [2]).

Denkbar sind auch Experimente zum Astigmatismus (für seitwärts liegende Objekte ist das Loch ellipsenförmig verzerrt) und zur chromatischen Aberration.

 

3. Schlussbemerkungen

Ein Teil meiner Schüler experimentierte zusätzlich in einem parallel gehaltenen Kunstkurs "Fotografie" mit Mehrfachlöchern, extremen Nahaufnahmen (die dank der großen Tiefen- schärfe möglich sind) und unterschiedlichen Lochformen.

Aus dem Dargestellten ist zu entnehmen, dass sich das Thema Lochkamera nicht nur für einen Physikkurs mit Schwerpunkt Fotografie eignet, sondern dass es sich auch dazu eignet, in einem Physikkurs mit klassischer Thematik die verschiedenen Modellvorstellungen vom Licht zu problematisieren. Dabei lassen sich das Strahlenmodell des Lichtes und das Wellenmodell des Lichtes in der gezeigten Weise ansprechen. Das bisher nicht angesprochene Teilchenmodell des Lichtes lässt sich dabei am Schwärzungsvorgang des fotografischen Materials erörtern. (siehe z.B. Doppelspaltversuch zum Dualismusproblem in [3])

Es ist selbstverständlich, dass das Thema "Lochkamera" dabei nur ein Schwerpunkt sein kann, zu dessen Ergänzung ständig weitere Experimente durchgeführt werden sollten.

Ziel dieser Ausführungen ist es, einige aus der Unterrichtspraxis erwachsene thematische Anregungen zu geben. Die pädagogische Umsetzung für die konkret vorliegende Unterrichtssituation bleibt dabei dem Leser überlassen.

Literatur:

[1] Young, M.; Pinhole Imagery; American Journal of Physics; Volume 40 (May 1972), S. 715ff.

[2] Solf, K.; Fotografie; Fischer Taschenbuch Nr. 6034; Frankfurt 1980.

[3] Dorn, F. und Bader, F. (Hrsg.); Physik Oberstufe; Bände A und 0; Schroedel, Hannover 1976.