Textaufgaben im Abiturformat
Zwei Aufgaben im Abiturformat — mit Operatoren-Erklärung, gestuften Hinweisen und vollständigem Erwartungshorizont.
Ein Schüler soll das Bild eines 2,0 cm hohen Gegenstands konstruieren, der 6,0 cm vor einer Sammellinse mit f = 2,0 cm steht. Er beschreibt seine Konstruktion in Worten.
Schritt 1: „Ich zeichne die optische Achse und die Linsenebene und markiere die Brennpunkte 2,0 cm links und rechts der Linse.“
Schritt 2: „Vom Fußpunkt des Gegenstandspfeils zeichne ich den Parallelstrahl und den Mittelpunktstrahl.“
Schritt 3: „Der Mittelpunktstrahl wird an der Linse gebrochen und knickt dabei sichtbar ab.“
Schritt 4: „Wo sich die Strahlen schneiden, liegt das Bild.“
Parallelstrahl: läuft vor der Linse parallel zur optischen Achse und danach durch den Brennpunkt F' hinter der Linse.
Brennpunktstrahl: läuft vor der Linse durch den Brennpunkt F und danach parallel zur Achse.
Mittelpunktstrahl: trifft die Linsenmitte und läuft ungebrochen geradeaus weiter.
Fehler in Schritt 2: Konstruiert wird von der Spitze des Gegenstands aus, nicht vom Fußpunkt. Der Fußpunkt liegt auf der optischen Achse; alle von ihm ausgehenden ausgezeichneten Strahlen fallen mit der Achse zusammen oder kehren zu ihr zurück, sodass sich kein brauchbarer Schnittpunkt ergibt. Sein Bild liegt ohnehin wieder auf der Achse.
Fehler in Schritt 3: Der Mittelpunktstrahl knickt nicht ab. Er wird zwar beim Eintritt und beim Austritt gebrochen, aber gegenläufig gleich stark, weil die Linsenflächen dort praktisch parallel sind. In der Dünne-Linsen-Näherung zeichnet man ihn deshalb als Gerade.
b = 6,0 cm · 2,0 cm : (6,0 cm − 2,0 cm) = 12 : 4 cm = 3,0 cm
β = b : g = 3,0 : 6,0 = 0,50
B = 0,50 · 2,0 cm = 1,0 cm
Das Bild ist also reell, umgekehrt und halb so groß — passend dazu ist g = 6,0 cm größer als 2f = 4,0 cm.
Derselbe 2,0 cm hohe Gegenstand wird nun nur noch 1,0 cm vor dieselbe Linse (f = 2,0 cm) gestellt.
| Größe | Aufbau I | Aufbau II |
|---|---|---|
| Brennweite f | 2,0 cm | 2,0 cm |
| Gegenstandsweite g | 6,0 cm | 1,0 cm |
| Gegenstandsgröße G | 2,0 cm | 2,0 cm |
Bei Aufbau I schneiden sich die Strahlen hinter der Linse; der Schnittpunkt ist die Bildspitze.
Bei Aufbau II steht der Gegenstand innerhalb der Brennweite. Die Strahlen laufen hinter der Linse auseinander und schneiden sich nie. Man verlängert sie deshalb rückwärts (gestrichelt) und findet den Schnittpunkt auf der Gegenstandsseite — dort liegt das virtuelle Bild.
Praktisch verwendet man dabei meist Parallel- und Mittelpunktstrahl; der Brennpunktstrahl ist schwieriger zu zeichnen, weil er hier nicht durch F läuft, sondern nur seine rückwärtige Verlängerung.
b = 1,0 cm · 2,0 cm : (1,0 cm − 2,0 cm) = 2,0 : (−1,0) cm = −2,0 cm
β = b : g = −2,0 : 1,0 = −2,0, also |B| = 2,0 · 2,0 cm = 4,0 cm.
Das negative Vorzeichen ist kein Rechenfehler: Es bedeutet, dass das Bild auf derselben Seite der Linse liegt wie der Gegenstand, nämlich 2,0 cm davor. Ein negatives β steht hier zugleich für ein aufrechtes Bild — die Vorzeichenkonvention dreht sich gegenüber dem reellen Fall um.
Nein, das kann ihm nicht gelingen.
Ein Schirm zeigt ein Bild nur dort, wo tatsächlich Licht auftrifft und sich Strahlen vereinigen. Bei Aufbau II laufen die Strahlen hinter der Linse aber auseinander; an der Stelle des Bildes (2,0 cm vor der Linse) befindet sich überhaupt kein Licht, das von dort ausginge — dort schneiden sich nur die gedachten rückwärtigen Verlängerungen.
Stellt er einen Schirm dorthin, sieht er nur den beleuchteten Gegenstand und die Schirmrückseite. Sichtbar wird das virtuelle Bild allein für ein Auge, das das divergente Bündel hinter der Linse auffangen und selbst wieder bündeln kann — genau so benutzt man eine Lupe.