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Textaufgaben im Abiturformat

5.2.1 Abbildungsmaßstab bestimmen

Zwei Aufgaben im Abiturformat — mit Operatoren-Erklärung, gestuften Hinweisen und vollständigem Erwartungshorizont.

1

Messreihe auf der optischen Bank

AFB II

Eine Gruppe bildet einen 4,0 cm hohen Gegenstand mit derselben Linse in drei Aufbauten ab und misst jeweils Gegenstandsweite, Bildweite und Bildgröße.

M1Messwerte
Aufbaug in cmb in cmB in cm
I40202,0
II30304,0
III24488,0

Die Gegenstandsgröße betrug in allen Fällen G = 4,0 cm.

  1. Berechnen Sie für alle drei Aufbauten den Abbildungsmaßstab auf beiden Wegen, also aus B : G und aus b : g.
  2. Begründen Sie, warum beide Wege denselben Wert liefern müssen.
  3. Beschreiben Sie, wie sich der Abbildungsmaßstab von Aufbau I zu Aufbau III ändert und woran das liegt.
Hinweis zu Aufgabe a)
Sechs Quotienten; Kommazahlen genügen mit zwei Nachkommastellen.„Berechnen“ verlangt den Ansatz mit eingesetzten Zahlen.
Hinweis zu Aufgabe b)
Zeichnen Sie den Mittelpunktstrahl und betrachten Sie die beiden Dreiecke, die er mit der optischen Achse bildet.
Hinweis zu Aufgabe c)
Die Gegenstandsweite nimmt ab, die Bildweite zu — was folgt daraus für den Quotienten?
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Aufbau I: B : G = 2,0 : 4,0 = 0,50  ·  b : g = 20 : 40 = 0,50

Aufbau II: B : G = 4,0 : 4,0 = 1,0  ·  b : g = 30 : 30 = 1,0

Aufbau III: B : G = 8,0 : 4,0 = 2,0  ·  b : g = 48 : 24 = 2,0

Beide Wege stimmen in allen drei Fällen überein.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Der Mittelpunktstrahl läuft von der Gegenstandsspitze ungebrochen durch die Linsenmitte zur Bildspitze.

Er bildet mit der optischen Achse zwei rechtwinklige Dreiecke: eines mit den Katheten G und g vor der Linse, eines mit den Katheten B und b dahinter. Beide haben einen rechten Winkel und im Linsenmittelpunkt gleiche Scheitelwinkel, sind also ähnlich.

Bei ähnlichen Dreiecken stehen entsprechende Seiten im gleichen Verhältnis: B : G = b : g. Genau das ist die Aussage der Formel — beide Quotienten müssen übereinstimmen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Der Abbildungsmaßstab wächst von 0,50 über 1,0 auf 2,0, das Bild wird also vom verkleinerten über das gleich große zum vergrößerten Bild.

Ursache ist die abnehmende Gegenstandsweite: Weil g und b gegenläufig sind, wächst b, während g fällt. Im Quotienten b : g wirken beide Effekte in dieselbe Richtung, sodass β besonders schnell zunimmt.

Aufbau II markiert dabei die Grenze: Dort ist g = b = 30 cm, also β = 1. Nach der Fallübersicht muss dort g = 2f gelten, die Linse hat demnach die Brennweite f = 15 cm — was sich mit der Linsengleichung an den anderen beiden Aufbauten bestätigen lässt.

2

Wie groß ist der Mond auf dem Foto?

AFB III

Der Mond wird mit einem Teleobjektiv fotografiert. Aus den Angaben soll die Größe des Mondbildes auf dem Sensor bestimmt werden.

M1Daten
GrößeWert
Brennweite des Objektivs300 mm
Durchmesser des Mondes3476 km
Abstand Erde – Mond384 400 km
Sensorhöhe24 mm
  1. Begründen Sie, warum hier die Näherung b ≈ f verwendet werden darf.
  2. Berechnen Sie den Durchmesser des Mondbildes auf dem Sensor.
  3. Ein Fotograf möchte, dass der Mond die Sensorhöhe vollständig ausfüllt. Bestimmen Sie die dafür nötige Brennweite und bewerten Sie das Ergebnis.
Hinweis zu Aufgabe a)
Vergleichen Sie g mit f — um wie viele Zehnerpotenzen unterscheiden sich die beiden?
Hinweis zu Aufgabe b)
β = b : g ≈ f : g, anschließend B = β · G. Achten Sie auf einheitliche Einheiten.
Hinweis zu Aufgabe c)
Stellen Sie β = f : g nach f um. Denken Sie beim Bewerten an Baulänge, Gewicht und Luftunruhe.
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Die Gegenstandsweite beträgt 384 400 km = 3,844 · 1011 mm, die Brennweite 300 mm. Die Gegenstandsweite ist also rund 109-mal so groß wie die Brennweite.

In 1 : b = 1 : f − 1 : g ist der Term 1 : g damit völlig vernachlässigbar; b und f unterscheiden sich erst in der neunten Stelle. Die Näherung b ≈ f ist hier praktisch exakt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

β ≈ f : g = 300 mm : 3,844 · 1011 mm = 7,804 · 10−10

B = β · G = 7,804 · 10−10 · 3,476 · 109 mm

B ≈ 2,7 mm

Der Mond nimmt auf dem 24 mm hohen Sensor also nur etwa ein Neuntel der Bildhöhe ein — deutlich kleiner, als die meisten erwarten.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Gefordert ist B = 24 mm, also β = 24 mm : 3,476 · 109 mm = 6,904 · 10−9.

Aus β = f : g folgt f = β · g = 6,904 · 10−9 · 3,844 · 1011 mm ≈ 2650 mm, also rund 2,7 m Brennweite.

Bewertung: Das entspricht ungefähr dem Neunfachen des vorhandenen Objektivs. Ein Linsenobjektiv dieser Brennweite wäre nach b ≈ f auch etwa 2,7 m lang, entsprechend schwer und sehr teuer; man verwendet dafür in der Praxis Spiegelteleskope, die den Lichtweg falten.

Hinzu kommt eine physikalische Grenze: Bei so großen Brennweiten begrenzt nicht mehr die Optik, sondern die Luftunruhe der Atmosphäre die Schärfe. Ein formatfüllendes Mondfoto vom Erdboden aus ist deshalb weniger eine Frage der Brennweite als der Beobachtungsbedingungen.