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Wie funktioniert eine Lochkamera?

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Die Autor*innen
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Team Digital
Wie funktioniert eine Lochkamera?
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse - 10. Klasse

Grundlagen zum Thema Wie funktioniert eine Lochkamera?

Inhalt

Nach dem Schauen dieses Videos wirst du in der Lage sein, die Entstehung eines Bildes in der Lochkamera zu erklären.

Zunächst lernst du, wie das Bild in der Lochkamera entsteht. Anschließend geht es darum, welchen Einfluss verschiedene Größen und Abstände auf das Bild haben. Abschließend lernst du, was der Abbildungsmaßstab ist.

Blendengröße

Lerne etwas über Leonardo da Vinci und den Nutzen der Lochkamera für Porträtgemälde.

Abbildungsmaßstab

Das Video beinhaltet Schlüsselbegriffe, Bezeichnungen und Fachbegriffe wie Lochkamera, Camera obscura, Projektion, Schirm, Blende, Gegenstandsweite, Gegenstandsgröße, Bildweite, Bildgröße und Abbildungsmaßstab.

Bevor du dieses Video schaust, solltest du bereits wissen, wie Licht gestreut wird und wie sich Lichtstrahlen ausbreiten.

Nach diesem Video wirst du darauf vorbereitet sein, mehr über optische Abbildungen mithilfe von Linsen zu lernen.

Was ist eine Lochkamera?

Hast du den Begriff Camera obscura schon einmal gehört? Der erste Bestandteil dieses Namens klingt genauso wie Kamera und das ist kein Zufall. Der Begriff Fotokamera stammt nämlich von der Camera obscura. Allerdings bedeutet Camera eigentlich Kammer. Verbunden mit dem Wort obscura, das dunkel bedeutet, ergibt sich der Ausdruck dunkle Kammer. Und genau das ist eine Camera obscura: eine dunkle Kammer – aber mit einem kleinen Loch in der Wand.

Eine Camera obscura, deren Kammer nur so groß wie eine Schachtel oder Box ist, nennt man auch Lochkamera. Aber was ist so besonders an einem solchen Raum oder einer solchen Box mit einem Loch in der Wand? Und was hat das mit Fotokameras zu tun?

Wie funktioniert eine Lochkamera?

Wir betrachten eine kleine Box der Länge $b$, die bis auf ein kleines und kreisrundes Loch vollkommen lichtdicht ist. Außerhalb der Box steht eine Kerze auf der Seite der Box, auf der sich auch das kleine Loch befindet. Den Abstand zwischen Kerze und Box nennen wir $g$. Außerdem nennen wir die Verbindungslinie zwischen dem Loch und der rückwärtigen Wand optische Achse.

Wir können jetzt Lichtstrahlen einzeichnen, die von der Spitze der Kerze ausgehen. Weil sich die Strahlen immer geradlinig ausbreiten, gelangt für einen bestimmten Winkel zur optischen Achse ein kleines Bündel durch das Loch – und zwar genau das Bündel in geradliniger Verbindung zwischen dem Objektpunkt und dem Loch. So entsteht ein runder Bildpunkt auf der rückwärtigen Wand. Wie groß dieser Bildpunkt ist, hängt vom Durchmesser des Lochs ab.

Wir können jetzt ebenso die Strahlen einzeichnen, die vom unteren Ende der Kerze ausgehen. Auch hier gibt es einen Winkel, unter dem ein Strahlenbündel gerade durch das Loch läuft, das einen kreisrunden Bildpunkt an die rückwärtige Wand wirft. Alle anderen Strahlen werden ausgeblendet, also durch die Box abgeschirmt.

Lochkamera Physik – Beispiel der Abbildung

Für jeden anderen Punkt auf der Kerze könnte man nach dem selben Prinzip vorgehen und einen zugehörigen Bildpunkt auf der rückwärtigen Wand finden. Alle diese Punkte ergeben zusammen ein Bild der Kerze. Wir können allerdings schon anhand des oberen und unteren Strahlenbündels wichtige Eigenschaften der Lochkamera ablesen.

Die Eigenschaften der Abbildung mit einer Lochkamera

Die Strahlen kreuzen sich beim Durchqueren des Lochs. Das bedeutet, dass das Bild auf der Wand auf dem Kopf steht. Würden wir die Grenzstrahlen der rechten und linken Seite der Kerze zeichnen, würden sich diese ebenso kreuzen. Das Bild ist also auch seitenverkehrt.

Wenn wir die Höhe der Kerze mit $G$ und die Höhe des Bilds mit $B$ bezeichnen und den Strahlensatz anwenden, erhalten wir für die Abbildung mit der Lochkamera die Formel:

$\frac{B}{b} = \frac{G}{g}$

Wir können diese Formel auch nach der Bildhöhe umstellen:

$B = \frac{G}{g} \cdot b$

Wenn die Höhe des Gegenstands gegeben ist, können wir die Bildgröße also ändern, indem wir entweder den Abstand $g$ zwischen Box und Gegenstand verändern oder eine längere oder kürzere Box benutzen.
Wir können diese Formel ebenso nach dem Abbildungsmaßstab $A$ umstellen. $A$ ist definiert als das Verhältnis von Bildgröße zu Gegenstandsgröße. So können wir für gegebene Abstände die Vergrößerung der Lochkamera berechnen:

$A = \frac{B}{G} = \frac{b}{g}$

Wir können noch eine weitere Eigenschaft der Lochkamera erkennen. Der Durchmesser der Strahlenbündel, die durch das Loch fallen können und damit die Größe der Bildpunkte bestimmen, hängen vom Durchmesser des Lochs ab. Auf den Abbildungsmaßstab hat die Lochgröße aber keinen Einfluss. Das heißt, dass die Bildpunkte immer stärker überlappen, wenn das Loch größer wird. Daher wird das Bild umso verschwommener, je größer das Loch wird. Umgekehrt wird es umso schärfer, je kleiner das Loch wird. Allerdings wird es auch dunkler und ist dadurch schlechter zu erkennen.

Lochkamera, Camera obscura und moderne Fotokameras

Die beschriebenen Lochkameras kann man grundsätzlich genauso zum Fotografieren benutzen wie moderne Fotokameras. Man muss nur die Wand, auf die das Bild projiziert wird, durch einen fotosensitiven Film ersetzen und das Loch verschließbar machen. Man bezeichnet daher die Lochkamera auch als Vorgängerin der Fotografie. In modernen Kameras kann der Durchmesser des Lochs verändert werden – man spricht auch von der Blende der Kamera beziehungsweise von der Blendenöffnung. Außerdem sind sie zusätzlich mit Linsen ausgestattet und ermöglichen so mehr Flexibilität und eine wesentlich höhere Schärfe.

Eine Camera obscura ist eine sehr große Lochkamera. Früher wurden sie teilweise so groß gebaut wie kleine Hütten, sodass man die Camera obscura betreten konnte. Vor der Entwicklung der Fotografie nutzten manche Künstler außerdem das Prinzip der Camera obscura als Zeichenhilfe: Sie projizierten das Bild auf eine Leinwand, auf der sie die Projektion dann einfach abzeichnen konnten.

Kurze Zusammenfassung zum Video Wie funktioniert eine Lochkamera

In diesem Video lernst du, was eine Lochkamera ist und wie sie funktioniert. Du kannst mit dem Wissen und der Erklärung aus diesem Video auch selbst eine Lochkamera bauen – du brauchst nicht mehr als einen Schuhkarton. Neben Text und Video findest du zum Thema Lochkamera außerdem ein Arbeitsblatt und interaktive Übungen.

Transkript Wie funktioniert eine Lochkamera?

Das perfekte Bild detailreich, exakt, und dabei so lebendig! Wie ging das vor fünfhundert Jahren? – ganz ohne Handykameras! Nun, auch die Maler der Rennaissance hatten schon ihre Tricks. Wie Leonardo da Vinci, der die „Camera Obscura“ genutzt hat. Du fragst dich, was das ist? Das ist die älteste Form der Kamera, die sogenannte „Lochkamera“. In diesem Video lernst du, wie sie funktioniert. „Camera obscura“ bedeutet wörtlich „dunkle Kammer“ und das ist es auch, was sie ist. Ein dunkler Raum, in den Licht von außen nur durch ein kleines Loch in der Wand gelangen kann. Man kann das Ganze auch kleiner machen und ein Loch in eine geschlossene Schachtel bohren, aber bleiben wir mal bei der großen Version. Das Prinzip ist simpel: Von den Dingen außerhalb der Kammer wird Sonnenlicht in alle Richtungen gestreut. Manche der gestreuten Lichtstrahlen erreichen das Loch, zum Beispiel von der sitzenden Mona Lisa, und gelangen so zur Rückwand der Kammer. Das ist die sogenannte „Projektionsfläche“ oder auch „der Schirm“. Dort erscheint die Mona Lisa als „Projektion“ oder einfach „Bild“. Jeder Punkt, von dem Licht in gerader Linie durch das Loch treten kann, wird als Bildpunkt auf dem Schirm abgebildet. Das führt dazu, dass das Bild auf dem Kopf steht, wie du am Weg der verschiedenen Lichtstrahlen erkennen kannst. Das Bild entsteht allein durch die Ausbreitung des gestreuten Lichts, ohne dass jemand etwas dafür tun muss. Allerdings ist es nur von kurzer Dauer. Hey, hiergeblieben! Wenn die Person, oder der „Gegenstand“, wie in der Optik allgemein gesagt wird, weit weg ist, ist das Bild kleiner. Rückt der Gegenstand näher heran, wird es größer. Die „Gegenstandsweite“ ist entscheidend. Das ist die Entfernung zwischen dem „Gegenstand“, und dem Kameraloch, das auch „Blende“ genannt wird. Die „Bildweite“ ist durch die Größe der Kamera festgelegt. Auch die „Gegenstandsgröße“ hat einen Einfluss auf das Bild. Denn ändert sich diese Größe, dann ändert sich auch die „Bildgröße“ entsprechend. Das Verhältnis zwischen „Bildgröße“ und „Gegenstandsgröße“ wird als „Abbildungsmaßstab“ bezeichnet. Wenn das Bild kleiner ist als der echte Gegenstand, wird der „Abbildungsmaßstab“ kleiner als Eins und beschreibt eine „Verkleinerung“. Aber auch eine „Vergrößerung“ ist mit einer Camera Obscura möglich. Allerdings wird das Bild dann sehr undeutlich. Das liegt vor allem an dem Loch, also der Blende. Die Blende muss groß genug sein, damit genügend Licht hindurch kann. Sonst ist das Bild zu dunkel und man kann nichts erkennen. Je größer die Blende aber wird, desto größer werden einzelne Details des Gegenstands auseinandergezogen. Diese Details überlappen dann auf dem Schirm, was zu einem schwammigen, unscharfen Bild führt. Um Punkt für Punkt scharf abzubilden, sollte die Blende daher so klein wie möglich sein, um unerwünschte Strahlen abzublocken. Abstand, Abbildungsmaßstab und Blendengröße müssen also gut aufeinander abgestimmt sein, damit Leonardo die Mona Lisa detailgetreu abpinseln kann. Fassen wir nochmal zusammen: Die Camera Obscura, oder Lochkamera, ist die einfachste Kamera, die es gibt. In ihr entsteht ein Bild, das auf dem Kopf steht. Je näher und größer der abgebildete Gegenstand, desto größer auch das Bild. Je größer die Blende, desto heller, aber auch unschärfer, das Bild. Die erreichte Vergrößerung oder Verkleinerung wird mit dem Abbildungsmaßstab beschrieben. Und hätte Leonardo die Mona Lisa wirklich eins zu eins mit einer Lochkamera abgemalt müsste sie heute eigentlich auf dem Kopf hängen.

1 Kommentar

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  1. Cool...

    Von Winter Rivera , vor 4 Monaten
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