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Versuche

Reelle und virtuelle Bilder bei Sammellinsen

Das Ziel des Versuchs

Wie hängt das Schirmbild eines Gegenstandes, der durch eine Sammellinse abgebildet wird, vom Abstand des Gegenstands zur Linse und vom Abstand des Schirms zur Linse ab?

Aufbau und Durchführung

reelle-und-virtuelle-bilder-bei-sammellinsen-bild-1.jpg
Abb. 1 Aufbau des Versuchs zu reellen und virtuellen Bildern bei Sammellinsen

Abb. 1 zeigt den Aufbau des Versuchs: In der Mitte einer optischen Bank befindet sich eine Sammellinse mit der Brennweite \(f=300\,\rm{mm}\). Links vor der Linse wird ein Gegenstand platziert; wir benutzen ein LED-Bild, das sind 4 LED-Lämpchen, die in Form eines 'L' angeordnet sind. Rechts hinter der Linse wird ein weißer Schirm befestigt.

Unser Versuch besteht nun aus zwei Teilen:

  • Im ersten Teil platzieren wir den Gegenstand so, dass die Gegenstandsweite \(g\), d.h. der Abstand des Gegenstands zur Linse, größer als die Brennweite \(f\) der Linse ist. Dann verschieben wir den Schirm auf der optischen Bank und beobachten das Bild auf dem Schirm.
  • Im zweiten Teil platzieren wir den Gegenstand so, dass die Gegenstandsweite \(g\), d.h. der Abstand des Gegenstands zur Linse, kleiner als die Brennweite \(f\) der Linse ist. Dann verschieben wir wieder den Schirm auf der optischen Bank und beobachten das Bild auf dem Schirm.

Beobachtung

Das folgende Video zeigt dir, was du bei der Durchführung der beiden Versuchsteile auf dem Schirm beobachten kannst.

Aufgabe

Beschreibe jeweils in der rechten Spalte der Tabelle die Beobachtungen, die du in den beiden Teilversuchen machen kannst.

Position des Gegenstands Beobachtung
Erster Teilversuch: Die Gegenstandsweite ist größer als die Brennweite: \(g \gt f\)  
Zweiter Teilversuch: Die Gegenstandsweite ist kleiner als die Brennweite: \(g \lt f\)  

Lösung

Position des Gegenstands Beobachtung
Erster Teilversuch: Die Gegenstandsweite ist größer als die Brennweite: \(g \gt f\)
reelle-und-virtuelle-bilder-bei-sammellinsen-bild-3.jpg
Abb. 3 Mögliches scharfes Schirmbild bei \(g>f\)
Wenn die Gegenstandsweite größer als die Brennweite ist, dann kann man den Schirm in eine Position verschieben, so dass auf dem Schirm ein scharfes Bild entsteht. Dieses Bild ist umgekehrt und seitenverkehrt.
Zweiter Teilversuch: Die Gegenstandsweite ist kleiner als die Brennweite: \(g \lt f\)
reelle-und-virtuelle-bilder-bei-sammellinsen-bild-4.jpg
Abb. 4 Stets unscharfes Schirmbild bei \(g
Wenn die Gegenstandsweite kleiner als die Brennweite ist, dann ist das Bild auf dem Schirm in jeder Position des Schirms unscharf.

Ergebnis

Wenn man einen Gegenstand mit einer Sammellinse abbildet und versucht, auf einem Schirm ein scharfes Bild aufzufangen, dann können zwei Fälle auftreten:

  • Im Fall \(g>f\) kann man in einem ganz bestimmten Abstand des Schirm zur Linse ein scharfes Bild auffangen. Das auf einem Schirm auffangbare Bild bezeichnet man als reelles Bild, den "passenden" Abstand des Schirms zur Linse nennt man Bildweite \(b\).
  • Im Fall \(g<f\) kann man in keiner Position des Schirms ein scharfes Bild auffangen. Wie wir aus dem Versuch zum Bildumschlag bei Sammellinsen aber wissen, kann eine Kamera auch in dieser Position des Gegenstands ein scharfes Bild aufnehmen. Dieses nicht auf einem Schirm auffangbare Bild nennt man ein virtuelles Bild.

Der Versuch zum Bildumschlag bei Sammellinsen und dieser Versuch zu reellen und virtuellen Bildern bei Sammellinsen wirft nun einige Fragen auf:

  • Warum ist das Bild eines Gegenstands manchmal umgedreht und seitenverkehrt, manchmal aber aufrecht und seitenrichtig?
  • Warum kann man das Bild eines Gegenstands manchmal mit einem Schirm auffangen (relles Bild), manchmal aber nicht (virtuelles Bild)?
  • Wovon hängt der Abstand des Schirms zur Linse ab, um ein scharfes reelles Bild auffangen zu können?
  • Wovon hängt die Größe des Bildes im Kameradisplay oder auf dem Schirm ab?

Die Antworten auf diese Fragen kannst du finden, wenn du dir den Weg des Lichts durch die Linse genauer anschaust, zum Beispiel mit Hilfe einer Simulation.