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? 1 von 24 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. I/E T H C I S N A R O V 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? 2 von 24 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. I/E Das Thema Fotografie ist hervorragend für den fachübergreifenden Unterricht geeignet, insbesondere für das Fach Physik in Kombination mit Kunsterziehung und Informatik. T H C Physik In der Physik geht es darum, die technischen Grundlagen zu erklären: I S N – Welche Rolle spielen Relexion und Brechung? – Wie entsteht in einer Kamera ein scharfes Bild? – Welche Bedeutung hat die Brennweite? A R O 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. V 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. 26 RAAbits Physik Februar 2012 8. Wie funktioniert die Fotograie? 4 von 24 Materialübersicht · V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt · D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie M1 SV Die Camera obscura – wir bauen eine Lochkamera · V: 20 min · D: 20 min r r r r r r r M2 Ab, Fo CMY und RGB – Farben überlagern M3 SV Ein Experiment mit Licht – Reflexion und Brechung · V: 5 min · D: 35 min r r r r SV Wir verbessern unsere Lochkamera · V: 20 min · D: 20 min r r r r I/E 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 T H C I S N Lochkamera (aus M 1) Pappstreifen (circa 10 cm • 2,5 cm) Schere Sammellinse A R O M5 SV Leuchte, Dia, Linse, Schirm – Bildentstehung an Sammellinsen · V: 5 min · D: 35 min r r r r r 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 V Experimentierleuchte Dia Schirm Sammellinse Lineal (mindestens 50 cm) Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 17. 26 RAAbits Physik Februar 2012 8. Wie funktioniert die Fotografie? M1 5 von 24 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) I/E T H C 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. I S N 2. Stich mit dem Zirkel oder einem Stift ein etwa 3 mm großes Loch in die Mitte des Pappkreises. A R O 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. V 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. 26 RAAbits Physik Februar 2012 8. Wie funktioniert die Fotograie? 6 von 24 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. I/E T H C I S N 4. Wie verändert sich das Bild, wenn du die Blendenöffnung vergrößerst? Begründe mithilfe der Zeichnung. A R O V Für Experten Blick auf die Dächer von Waiblingen bei Stuttgart – aufgenommen mit der Camera obscura 26 RAAbits Physik Februar 2012 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? M2 7 von 24 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. I/E T H C 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. I S N a) Farbsubtraktion (CMY) b) Farbaddition (RGB) A R O Cyan V 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? 26 RAAbits Physik Februar 2012 8. Wie funktioniert die Fotograie? 8 von 24 M3 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 T H C Versuchsaufbau a) Relexion b) Brechung I S N A R O V 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. 26 RAAbits Physik Februar 2012 Fotos: D. Walkowiak I/E 8. Wie funktioniert die Fotografie? M4 9 von 24 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 I/E Versuchsaufbau T H C I S N A R O V 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? 26 RAAbits Physik Februar 2012 8. Wie funktioniert die Fotograie? 10 von 24 M5 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 T H C I S N A R O Foto: D. Walkowiak I/E V 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. 26 RAAbits Physik Februar 2012 8. Wie funktioniert die Fotografie? M6 11 von 24 Der prinzipielle Aufbau eines Fotoapparates Wie eine Lochkamera funktioniert, wissen wir bereits. Doch wie ist ein richtiger Fotoapparat aufgebaut? Und wie arbeitet er? 1 2 Fotos: D. Walkowiak 3 4 I/E T H C I S N 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? A R O 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). V 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? 26 RAAbits Physik Februar 2012 8. Wie funktioniert die Fotograie? 12 von 24 M7 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 T H C Merke: Brennweite Die Brennweite kennzeichnet den Abstand zwischen der Linse im Objektiv und dem Bildsensor. Je größer die Brennweite, desto stärker ist die Vergrößerung. I S N Aufgaben 1. Ordne die Begriffe „Normalobjektiv“, „Weitwinkelobjektiv“ und „Teleobjektiv“ den jeweiligen Brennweiten und Vergrößerungen zu. Ergänze: A R O circa 18 mm bis 35 mm: V -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. 26 RAAbits Physik Februar 2012 Foto: D. Walkowiak I/E „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? 14 von 24 M9 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: T H C Tiefenschärfe I S N 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. A R O V 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. 26 RAAbits Physik Februar 2012 Fotos: D. Walkowiak Tipp 3: Blende 25, große Tiefenschärfe 8. Wie funktioniert die Fotografie? 17 von 24 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. I/E T H C I S N A R O 3. V 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. . 26 RAAbits Physik Februar 2012