7. – 9. Schuljahr

Bernadette Schorn und Peter Heering

Camera obscura und Camera lucida

Zwei optische Geräte aus der Geschichte der Physik im Unterricht

Die Camera obscura (lat. camera: Gewölbe, auch: Zimmer, Kammer; obscura: dunkel, finster) ist eines der historischen Geräte, die heute nach wie vor im Kontext der Malerei und der Fotografie bekannt sind und deren Funktionsweise im Rahmen der Inhalte zur Optik im Physikunterricht thematisiert werden. Weit weniger bekannt ist heute die Camera lucida (lat. lucida: leuchtend hell, strahlend), die gerade am Anfang des 19. Jahrhunderts im Zusammenhang mit der Malerei sehr populär war.
Die Kästen 1 und 2 geben einen Überblick über die historischen und physikalischen Aspekte dieser beiden Geräte. Darüber hinaus werden Möglichkeiten vorgestellt, wie sie in den Physikunterricht integriert werden können. Da beide Kameras auch in der Malerei Anwendung fanden, gibt der Beitrag auch Anregungen für einen fächerverbindenden Unterricht.
Informationen: Camera obscura
Informationen: Camera obscura
Geschichte
Die Camera obscura wurde insbesondere bis in die Renaissance als Apparat zur Beobachtung von Sonnenfinsternissen und Sonnenflecken und ab dem 16. Jahrhundert bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts als Apparat zum Zeichnen und später in der Fotografie eingesetzt. Dazu wurden verschiedene Modelle verwendet, ggf. mit optischen Bauteilen wie Linsen, Spiegeln, Prismen, Blenden und Mattscheiben.
Das zugrunde liegende Phänomen, dass durch eine kleine Öffnung sowohl horizontal als auch vertikal invertierte Bilder von lichtemittierenden (d.h. sowohl von selbstleuchtenden als auch von beleuchteten) Gegenständen projiziert werden können, war bereits in der Antike bekannt. Neben ihren Anwendungen in der Astronomie und Malerei wurde die Camera obscura im 16. und 17. Jahrhundert u.a. von Leonardo Da Vinci und Johannes Kepler als Modell zur Erklärung des Sehvorgangs zugrunde gelegt.
Aufbau und Funktionsweise
Die klassische Camera obscura (auch: Camera obscura naturalis (vgl. [1], S. 127)) besteht aus einem völlig dunklen Raum, in den durch ein kleines Loch in einer Wand Licht von außen eintritt und ein Bild der Außenwelt auf der gegenüberliegenden Wand (oder einer Leinwand) projiziert wird (s. Abb. 1 ). Dieses Bild ist bei Betrachtung auf der (Lein-)Wand vertikal invertiert (auf dem Kopf stehend). Betrachtet man das Bild in der Camera obscura z.B. auf einer lichtdurchlässigen Leinwand mit Blickrichtung auf den Gegenstand, so ist das Bild sowohl vertikal als auch horizontal invertiert (seitenverkehrt).
Physikalische Erklärung
Die in Abbildung 2 schematisch illustrierte Entstehung des Bildes auf einem Schirm einschließlich seiner geometrischen Eigenschaften lässt sich mithilfe der Grundgesetze der geometrischen Optik und dem „Fleck-zu-Fleck-Abbildungsschema (s. dazu [2], S. 11) erläutern.
Bei einer gegebenen Lochgröße, Gegenstandsgröße G und Gegenstandsweite g ist die Größe des Bildes B von der Lage des Schirms, d.h. von der Bildweite b abhängig. Diese ist im Prinzip beliebig wählbar. Es gilt dabei die Abbildungsgleichung B/G = b/g (vgl. Abb. 3 ).
Darüber hinaus sind die Lichtintensität und die Schärfe des Bildes der Camera obscura naturalis von der Größe des Lochs abhängig: Je kleiner das Loch ist, desto schärfer und dunkler ist das Bild, bzw. je größer das Loch ist, desto unschärfer und heller ist das Bild (s. Abb. 4 ).
Die Form des Lochs hat keinen Einfluss auf die Form des Bildes, wenn die Bildweite groß gegenüber dem Durchmesser des Lochs ist (s. [3], S. 5f.).
Varianten
Nachdem Linsen hergestellt werden konnten, wurde die Camera obscura naturalis ab dem 16. Jahrhundert durch das Einbringen von Sammellinsen in das Loch zu einer sog. Camera obscura artificialis (vgl. [1], S. 127) erweitert und vor allem als Zeichenhilfe genutzt. Dabei machte man sich zunutze, dass durch die Verwendung einer Sammellinse die divergenten Lichtbündel fokussiert werden (s. Abb. 5 ) und sich auch bei...

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