Von der Lochkamera zur Digicam – wie funktioniert die Fotografie?

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Von der Lochkamera zur Digicam – wie funktioniert die Fotografie?
8. Wie funktioniert die Fotografie?
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Von der Lochkamera zur Digicam – wie funktioniert die Fotografie?
Doris Walkowiak, Görlitz
Wie funktioniert die Fotograie? Geht es
einfach nur darum, im richtigen Moment
auf den Auslöser zu drücken? Oder gehört
noch mehr dazu? Was muss man bei der
Wahl des Motivs beachten?
Foto: D. Walkowiak
Fast jeder besitzt heutzutage einen Fotoapparat. Die meisten Schüler haben ihn
sogar immer dabei – in Form der Handykamera. Meist wird sie nur dazu genutzt,
in bestimmten Situationen Schnappschüsse zu machen. Doch auch mit diesen
relativ einfachen Geräten kann man gute
Fotos machen, wie zahlreiche Beispiele
bei Flickr, Facebook usw. beweisen.
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An den Champs-Élysées, Tour de France, 2011
Fotografieren ist wie Schreiben mit Licht,
wie Musizieren mit Farbtönen, wie Malen
mit Zeit und Sehen mit Liebe.
(Almut Adler, 1951, Münchner Fotokursleiterin)
Der Beitrag im Überblick
Klasse: 6–8
Inhalt:
Dauer: 8 Einzelstunden
• Bildentstehung in einer Lochkamera
1 Doppelstunde
• Farbaddition und -subtraktion
Ihr Plus:
• Relexion und Brechung
ü Fototipps
• Bildentstehung an Sammellinsen
ü GEONExT-Dateien zur Bildentstehung
in der Lochkamera, an Sammellinsen
und im Fotoapparat
• Aufbau und Funktionsweise eines
einfachen Fotoapparats
• Aufnahmetechniken und Objektive
• Aulösung und Dateiformate
• Fotopraxis
26 RAAbits Physik Februar 2012
8. Wie funktioniert die Fotograie?
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Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise
Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit den Grundlagen der (digitalen) Fotograie.
Dabei geht es um physikalische Prinzipien sowie Tipps und Tricks für gute Bilder.
Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts
Die meisten Kinder und Jugendlichen stehen dem Thema Fotografie aufgeschlossen
gegenüber. Knüpfen Sie an die Erfahrungswelt der Schüler an. Lassen Sie sie erzählen,
welche Erlebnisse sie als Fotograf oder auch als Modell gemacht haben. Dies reicht von
Urlaubsfotos über Bilder bei einer Geburtstagsparty bis hin zu außergewöhnlichen Situationen. Gehen Sie dabei auch auf ethische Grundregeln und Persönlichkeitsrechte ein.
Nicht jedes Foto gehört ins Internet. Grundsätzlich gehört zur Veröffentlichung immer das
Einverständnis der betreffenden Person.
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Das Thema Fotografie ist hervorragend für den fachübergreifenden Unterricht geeignet,
insbesondere für das Fach Physik in Kombination mit Kunsterziehung und Informatik.
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Physik
In der Physik geht es darum, die technischen Grundlagen zu erklären:
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– Welche Rolle spielen Relexion und Brechung?
– Wie entsteht in einer Kamera ein scharfes Bild?
– Welche Bedeutung hat die Brennweite?
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Die Schüler wenden ihre Kenntnisse über die Eigenschaften des Lichtes und die Bildentstehung an Linsen an. Darüber hinaus experimentieren sie selbstständig, wobei gerade
der Bau der Lochkamera feinmotorisches Geschick verlangt.
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Kunsterziehung
Dem Kunsterziehungsunterricht zuzurechnen ist die Untersuchung, wie ein Bild aufgebaut und wie es farblich gestaltet ist. Die Schüler lernen, dass ein Foto keine einfache
1 : 1-Wiedergabe der Realität ist. Die Aussage eines Fotos hängt vielmehr zum einen vom
Blickwinkel des Fotografen und zum anderen vom Gesichtspunkt des Betrachters ab.
Informatik
Die Digitalfotograie hat in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung erfahren. Hier
werden die Pixel auf sogenannten CCD-Chips abgebildet und anschließend auf Speicherkarten gesichert. Deren Speicherkapazität wird in Mega- oder Gigabyte angegeben.
Außerdem wird das Bild in der Regel komprimiert, wobei natürlich keine wichtigen Daten
verloren gehen dürfen. Das alles sind Inhalte der Informatik.
Hinweise zu den GEONExT-Dateien
Zur Simulation der Bildentstehung in der Lochkamera, an der Sammellinse und im Fotoapparat stehen GEONExT-Dateien (erkennbar an der Endung gxt) bzw. HTML-Dateien zur
Verfügung. Letztere müssen sich mit der Datei geonext.jar im selben Verzeichnis beinden.
Dann lassen sie sich direkt starten und werden bei installierter Java-Umgebung automatisch im Standardbrowser geöffnet.
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8. Wie funktioniert die Fotograie?
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Materialübersicht
· V = Vorbereitungszeit
SV = Schülerversuch
Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt
· D = Durchführungszeit
LV = Lehrerversuch
Fo = Folie
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SV
Die Camera obscura – wir bauen eine Lochkamera
· V: 20 min
· D: 20 min
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M2
Ab, Fo
CMY und RGB – Farben überlagern
M3
SV
Ein Experiment mit Licht – Reflexion und Brechung
· V: 5 min
· D: 35 min
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SV
Wir verbessern unsere Lochkamera
· V: 20 min
· D: 20 min
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M4
2 Papprollen, die sich gerade ineinanderschieben lassen
Pergamentpapier (circa 5 cm • 5 cm)
Schere
Zirkel
Kleber
Tesailm
Pappscheibe (circa 5 cm • 5 cm)
Experimentierleuchte
ebener Spiegel
Winkelmesser
halbrunder Glaskörper
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Lochkamera (aus M 1)
Pappstreifen (circa 10 cm • 2,5 cm)
Schere
Sammellinse
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SV
Leuchte, Dia, Linse, Schirm – Bildentstehung an Sammellinsen
· V: 5 min
· D: 35 min
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M6
Ab
Der prinzipielle Aufbau eines Fotoapparates
M7
Ab
Big Ben – Aufnahmetechniken und Objektive
M8
Ab
Von Pixeln und Bytes – Auflösung und Dateiformate
M9
Ab
Bildaufbau, Tiefenschärfe und Nachtaufnahmen – Tipps
M 10
SW-Fo
Bildaufbau, Tiefenschärfe und Nachtaufnahmen – Beispiele
M 11
Ab
Ran an die Kamera! – Kreativ werden
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Experimentierleuchte
Dia
Schirm
Sammellinse
Lineal (mindestens 50 cm)
Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 17.
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8. Wie funktioniert die Fotografie?
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Die Camera obscura – wir bauen eine Lochkamera
Camera obscura – das klingt geheimnisvoll, irgendwie magisch. Früher glaubten die
Menschen an ein Wunder, wenn Licht, das durch eine schmale Öffnung iel, in dunklen
Räumen Bilder von Bäumen oder Tieren an die Wand malte. Doch bald nutzte man diesen
Effekt aus, z. B. bei der Beobachtung von Sonneninsternissen. Im Mittelalter verwendeten
Maler dunkle Kammern, um die Bilder von Landschaften, Häusern oder Personen, die
an der gegenüberliegenden Wand erschienen, abzuzeichnen. Daraus leitet sich das Wort
Camera obscura ab à instere Kammer. Das Prinzip einer solchen Lochkamera bildet die
Grundlage für die heutigen modernen Fotoapparate. Auch unser Auge funktioniert ähnlich.
Bau einer Lochkamera
Schülerversuch
· Vorbereitung: 20 min
Durchführung: 20 min
Materialien
r 2 Papprollen, die sich gerade ineinanderschieben lassen
r Pergamentpapier (circa 5 cm • 5 cm)
r Schere, Zirkel
r Kleber, Tesailm
r Pappscheibe (circa 5 cm • 5 cm)
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Bauanleitung
1. Schneide aus der Pappscheibe einen Kreis aus, der den Durchmesser der größeren
Papprolle hat. Nutze die Röhre als Schablone. Gib beim Ausschneiden ringsum 2 mm
zu.
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2. Stich mit dem Zirkel oder einem Stift ein etwa 3 mm großes Loch in die Mitte des
Pappkreises.
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3. Klebe den Pappkreis mit dem Tesailm auf die eine Seite der größeren Papprolle. Achte
darauf, dass an den Rändern kein Licht durchdringen kann.
4. Zeichne auf das Pergamentpapier einen Kreis, der den Durchmesser der kleineren
Papprolle hat. Nutze dabei die Röhre als Schablone.
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5. Zeichne um diesen Kreis einen weiteren Kreis, der ringsum etwa 5–8 mm größer ist.
Schneide um den größeren Kreis herum aus.
6. Schneide bis zum inneren Kreis jeweils kleine Zacken aus, falze diese in eine Richtung
und klebe sie an der kleineren Papprolle fest, sodass eine Öffnung der Papprolle mit
dem Pergamentpapier verschlossen ist.
7. Schiebe die beiden Papprollen wie im Bild ineinander.
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8. Wie funktioniert die Fotograie?
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Aufgaben
1. Richte die Lochkamera auf einen hellen Gegenstand (z. B. eine Kerzenlamme, ein helles
Fenster, ein Haus im Sonnenlicht). Beschreibe das Bild.
2. Vervollständige folgende Zeichnung, indem du Bild und Strahlengang ergänzt.
3. Wie verändert sich das Bild, wenn du die Röhre mit dem Transparentpapier weiter in
die Röhre mit der Lochblende hineinschiebst? Begründe mithilfe der Zeichnung.
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4. Wie verändert sich das Bild, wenn du die Blendenöffnung vergrößerst? Begründe
mithilfe der Zeichnung.
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Für Experten
Blick auf die Dächer von
Waiblingen bei Stuttgart
– aufgenommen mit der
Camera obscura
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Foto: A. G. Wittnebel
Öffne die Datei „Lochkamera.html“. Experimentiere mit der Gegenstandsweite und -größe
sowie der Größe der Blendenöffnung und dem Abstand von Blende und Schirm.
8. Wie funktioniert die Fotografie?
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CMY und RGB – Farben überlagern
Paul und Lisa schauen sich gemeinsam Urlaubsfotos an. „Sieh mal, wie blau der Ozean
ist!“, ruft Lisa begeistert. „Ja, aber die Aufnahmen in der Kirche sind alle zu dunkel und
gelbstichig“, wendet Paul ein. Lisa tröstet ihn: „Das können wir am Computer nachbearbeiten.“ „Toll, was man aus drei Farben so alles machen kann.“
Wieso drei Farben? In der Natur gibt es doch viel mehr. Und trotzdem reichen zum
Ausdrucken eines Landschaftsfotos drei Farbpatronen? Das wollen wir etwas näher
untersuchen.
Aufgaben
1. Untersuche die Farbüberlagerung von drei Farben auf zwei verschiedene Arten. Nutze
dazu die Farbfolie – für Aufgabe a) Cyan, Magenta und Yellow (CMY) und für Aufgabe
b) Rot, Grün und Blau (RGB).
a) Lege die blaugrüne (Cyan) und die purpurne (Magenta) Folie so übereinander, dass sie
sich teilweise überlappen. Lege beide Folien auf den Tageslichtprojektor oder halte sie
gegen eine andere Lichtquelle (Lampe, helles Fenster oder Ähnliches). Schiebe noch
die gelbe (Yellow) Folie darüber. Beschreibe deine Beobachtung. Ergänze im Bild die
Farben, die bei der Überlagerung entstehen.
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b) Nutze mit zwei Mitschülern gemeinsam drei verschiedene Lichtquellen (Taschenlampen,
Diaprojektoren oder Ähnliches). Halte vor jede der Lichtquellen je eine Farbfolie und
richte das Licht so aus, dass sich alle drei Farben an einer möglichst weißen Projektionsläche überlagern. Beschreibe deine Beobachtung. Ergänze im Bild die Farben.
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a) Farbsubtraktion (CMY)
b) Farbaddition (RGB)
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Cyan
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Magenta
Yellow
Blau
Rot
Grün
2. Betrachte eine weiße Fläche bei einem Farbmonitor durch eine Lupe. Beschreibe deine
Beobachtung. Welche Art der Farbüberlagerung liegt hier vor?
3. Welche Art der Farbüberlagerung wird beim Tintenstrahldrucker genutzt? Begründe. Warum gibt es meist
noch eine vierte Patrone mit schwarzer Tinte?
4. Bastele einen Farbkreisel. Bemale ihn dazu mit den
Regenbogenfarben. Beschreibe und erkläre deine Beobachtung, nachdem du ihn in eine schnelle Drehung
versetzt hast.
Für Experten
Was hat unser Farbkreisel mit einem Regenbogen zu tun?
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8. Wie funktioniert die Fotograie?
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Ein Experiment mit Licht – Reflexion und Brechung
Aufgabe
Untersuche den Zusammenhang zwischen einfallendem und
a) relektiertem Lichtstrahl,
b) gebrochenem Lichtstrahl.
Schülerversuch
· Vorbereitung: 5 min, Durchführung: 35 min
Materialien
r Experimentierleuchte
r ebener Spiegel
r Winkelmesser
r halbrunder Glaskörper
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Versuchsaufbau
a) Relexion
b) Brechung
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Versuchsdurchführung
Entwirf für beide Messungen jeweils eine Messtabelle. Trage dort die entsprechenden
Werte für die gemessenen Winkel ein.
Auswertung
1. Formuliere deine Ergebnisse jeweils in einem Satz. Unter welchen Bedingungen gelten
diese Sätze?
2. Nenne Ursachen für Messungenauigkeiten.
3. Welche Bedeutung haben Relexion und Brechung in der Fotograie?
Erläutere anhand von Beispielen.
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Fotos: D. Walkowiak
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8. Wie funktioniert die Fotografie?
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Wir verbessern unsere Lochkamera
Paul und Lisa experimentieren mit ihrer selbst gebauten Lochkamera. Paul ist enttäuscht:
„Das Bild ist ziemlich dunkel und unscharf.“ „Wie wäre es, wenn wir noch eine Sammellinse verwenden?“, schlägt Lisa vor. „Bei Brillen funktioniert das Scharfstellen ja auch.“
„Damit das Bild heller wird, vergrößern wir einfach die Öffnung“, überlegt Paul. „Nein,
das geht nicht, dann wird das Bild ja wieder unschärfer.“ „Dann basteln wir uns einfach
mehrere Blenden mit unterschiedlich großen Öffnungen.“
Schülerversuch
· Vorbereitung: 20 min
Durchführung: 20 min
Materialien
r Lochkamera (aus M 1)
r Pappstreifen (circa 10 cm • 2,5 cm)
r Schere
r Sammellinse
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Versuchsaufbau
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Versuchsdurchführung
1. Halte eine Sammellinse unmittelbar vor die Öffnung deiner Blende und beobachte, wie
sich dadurch das Bild verändert. Variiere auch den Abstand zwischen Linse und Schirm.
2. Vergrößere die Blendenöffnung auf circa 2 cm.
3. Schneide rechts und links Schlitze mit einer Größe von 2,6 cm • 0,2 cm in die Papprolle
(siehe Abbildung).
4. Schneide in den Pappstreifen 4 Öffnungen von unterschiedlicher Größe (circa 3–15 mm
Durchmesser).
5. Schiebe den Pappstreifen in die Schlitze. Versuche, zusammen mit der Linse ein ausreichend helles und scharfes Bild zu erzeugen.
Auswertung
Beschreibe deine Ergebnisse in einigen kurzen Sätzen.
Tipp
Funktion der Sammellinse?
Einluss der Blendengröße?
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8. Wie funktioniert die Fotograie?
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Leuchte, Dia, Linse, Schirm – Bildentstehung an Sammellinsen
Aufgabe
a) Untersuche die Bildentstehung an Linsen. Bestimme den Zusammenhang zwischen
Gegenstands- und Bildgröße sowie Gegenstands- und Bildweite.
b) Bestimme zeichnerisch die Brennweite der Sammellinse.
Schülerversuch
· Vorbereitung: 5 min
Durchführung: 35 min
Materialien
r Experimentierleuchte
r Sammellinse
r Dia
r Lineal (mindestens 50 cm)
r Schirm
Versuchsaufbau
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Foto: D. Walkowiak
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Versuchsdurchführung
1. Verändere die gegenseitige Lage von Leuchte, Linse und Schirm so, dass du ein scharfes
Bild erhältst.
2. Miss folgende Größen:
Gegenstandsgröße G =
Gegenstandsweite g =
Bildgröße
Bildweite
B=
b=
3. Berechne das Verhältnis aus Gegenstands- und Bildgröße sowie Gegenstands- und
Bildweite. Gib den Zusammenhang in Form eines Satzes und einer Gleichung an.
4. Fertige eine maßstabsgerechte Zeichnung an. Ermittle mit ihrer Hilfe die Brennweite f
der Linse.
Tipp
1 1 1
= + =
f
g b
5. Gib mögliche Fehlerquellen an.
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8. Wie funktioniert die Fotografie?
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Der prinzipielle Aufbau eines Fotoapparates
Wie eine Lochkamera funktioniert, wissen wir bereits. Doch wie ist ein richtiger Fotoapparat aufgebaut? Und wie arbeitet er?
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Fotos: D. Walkowiak
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Aufgaben
1. Beschrifte die wichtigsten Bestandteile der Kamera. Ordne dafür folgende Begriffe den
Nummern zu: Bildsensor, Blende, Objektiv, Verschluss.
2. Welches Teil ist für das Scharfstellen des Bildes verantwortlich? Wie funktioniert das?
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3. Wo wird das Bild bei einer Digitalkamera und wo bei einer Analogkamera aufgezeichnet?
Die Belichtung des Fotos hängt von der Größe der Blendenöffnung und der Verschlusszeit ab. Dadurch wird die Lichtmenge beeinlusst, die auf den Film bzw. Sensor fällt. Dies
kannst du dir so ähnlich wie das Füllen eines Glases mit Wasser vorstellen. Je weiter du
den Wasserhahn aufdrehst (größere Blendenöffnung), desto weniger Zeit brauchst du, bis
das Glas vollständig gefüllt ist (kleinere Verschlusszeit).
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Nur die richtige Kombination aus beiden Werten ergibt eine korrekte Belichtung.
4. Vervollständige folgende Sätze:
Je größer die Blendenzahl ist, desto
desto
ist die Blendenöffnung und
ist das Bild.
Die Verschlusszeit wird in Bruchteilen einer Sekunde angegeben (z. B. 1/250). Je größer
der Nenner ist, desto
wird das Bild belichtet.
Für Experten
Welche Bedeutung hat die ISO-Zahl?
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8. Wie funktioniert die Fotograie?
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Big Ben – Aufnahmetechniken und Objektive
Lisa und Paul haben mit ihren Urlaubsfotos eine kleine Fotoshow gestaltet und
führen diese ihren Eltern vor. „Toll!“,
schwärmt ihr Vater. „Da kann man ja
jedes Detail am Big Ben erkennen.“
„Mir gefällt das erste Bild besser“, sagt die
Mutter. „Da bekommt man einen guten
Eindruck von der Höhe des Turmes.“
Fotos: D. Walkowiak
Big Ben
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Merke: Brennweite
Die Brennweite kennzeichnet den Abstand zwischen der Linse im Objektiv und dem
Bildsensor. Je größer die Brennweite, desto stärker ist die Vergrößerung.
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Aufgaben
1. Ordne die Begriffe „Normalobjektiv“, „Weitwinkelobjektiv“ und „Teleobjektiv“ den
jeweiligen Brennweiten und Vergrößerungen zu. Ergänze:
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circa 18 mm bis 35 mm:
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-Objektiv
Bildausschnitt,
um 50 mm:
-Objektiv
ab circa 70 mm:
-Objektiv
Bildausschnitt,
Vergrößerung
Vergrößerung
2. Wie nennt man Objektive, mit denen man einen größeren Brennweitenbereich wählen
kann (z. B. 18–55 mm oder 55–270 mm)?
Für Experten
Kennst du noch weitere Objektivtypen? Für welche
Einsatzzwecke sind diese besonders geeignet?
Tipp
Neben der Brennweite spielt bei der Wahl
des Objektivs vor allem auch die Lichtstärke eine
wichtige Rolle. Diese ist bei den sogenannten Festbrennweiten meist besser als bei Zoomobjektiven, da
hier größere Blendenöffnungen möglich sind.
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Foto: D. Walkowiak
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„Beide Aufnahmen sind vom gleichen
Standort aus entstanden“, erklärt Lisa.
„Das erste Foto hat Paul mit seinem
Weitwinkelobjektiv (Brennweite 18 mm)
gemacht, beim zweiten Bild habe ich
mein Zoomobjektiv (Brennweite 200 mm)
genutzt.“
8. Wie funktioniert die Fotograie?
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Bildaufbau, Tiefenschärfe und Nachtaufnahmen – Tipps
Tipp 1:
Bildaufbau
Für eine ausgewogene Bildkomposition wird meist eine
Bilddrittelung genutzt. Dabei unterteilt man die Aufnahme
in 9 gleich große Rechtecke. Wichtige Linien (z. B. der
Horizont) sollten entlang den Linien liegen, besondere
Bildelemente in den Schnittpunkten. Darüber hinaus
führen Diagonalen den Betrachter in das Bild hinein.
I/E
Tipp 2:
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Tiefenschärfe
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Wenn man das Motiv im Vordergrund besonders hervorheben möchte, kann ein zu
lebhafter Hintergrund störend sein. Dies kannst du vermeiden, indem du eine kleine
Blende verwendest. Dadurch erreichst du eine geringere Tiefenschärfe. Wenn du die Blendenzahl an deinem Fotoapparat nicht verändern kannst, so gehe so nah wie möglich an
das Motiv heran.
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Blende 5, geringe Tiefenschärfe
Nachtaufnahmen
Nichts ist störender als das ständige Blitzen während einer
Abendveranstaltung. Abgesehen davon bringt das Fotograieren mit Blitzlicht in großen Räumen gar nichts. Du
kannst die Stimmung viel besser einfangen, wenn du den
Blitz abschaltest. Um trotzdem ausreichend helle Bilder zu
bekommen, verlängerst du die Belichtungszeit. Nutze ein
Stativ oder lege die Kamera auf einer Mauer oder Ähnliches auf. Alternativ erhöhst du die ISO-Zahl.
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Fotos: D. Walkowiak
Tipp 3:
Blende 25, große Tiefenschärfe
8. Wie funktioniert die Fotografie?
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Erläuterungen und Lösungen
M1
Die Camera obscura – wir bauen eine Lochkamera
Basteln Sie sich zunächst selbst eine eigene Lochkamera. Dann können Sie diese Ihren
Schülern zeigen und wissen, welche Schwierigkeiten beim Bau auftreten. Es hat sich
als günstig erwiesen, einige passende Rollen sowie Pappe, Kleber und 1–2 Scheren als
Reserve zur Verfügung zu haben.
Je nach handwerklichem Geschick kann es durchaus sein, dass es einigen Schülern nicht
gelingt, die Lochkamera in maximal 30 Minuten fertigzustellen. In diesem Falle vollenden
die Schüler ihr Werk zu Hause. Auch die Aufgaben bearbeiten sie dann als Hausaufgabe.
Lösungen
1. Es entsteht eine verkleinertes, umgekehrtes, seitenverkehrtes Bild.
2.
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3.
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Das Bild wird kleiner.
4.
Das Bild wird heller, aber unschärfer. Durch die größere Öffnung kann mehr Licht
hindurchgelangen, aber dafür ist die Konstruktion des Bildes nicht mehr eindeutig.
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