30 Tagekostenlos testen

Überzeugen Sie sich von der Qualität unserer Inhalte.

Bildentstehung im Auge – physikalischer Hintergrund

Bewertung

Ø 3.7 / 61 Bewertungen

Die Autor*innen
Avatar
Sandra Haufe
Bildentstehung im Auge – physikalischer Hintergrund
lernst du in der Primarschule 5. Klasse - 6. Klasse - Sekundarstufe 1. Klasse - 2. Klasse - 3. Klasse - 4. Klasse

Beschreibung Bildentstehung im Auge – physikalischer Hintergrund

Inhalt

Wie entsteht das Bild im Auge?

Du weißt bereits, dass es Hilfsmittel und Geräte gibt, die mithilfe von Linsen Bilder erzeugen – zum Beispiel Brillen, Lupen und Kameras. Doch weißt du schon, dass unser Auge auch eine solche Linse enthält? Diese ist dafür verantwortlich, dass wir scharfe Bilder sehen können. Die physikalischen Grundlagen dafür wollen wir uns im Folgenden genauer anschauen.

Die Abbildung im Auge

Die Linse in unserem Auge ist eine konvexe Linse. Wenn wir einen Gegenstand beobachten, wird auf unserer Netzhaut ein scharfes Bild erzeugt. Wir erinnern uns, dass Bilder nur dann entstehen können, wenn von einem beobachteten Gegenstand Lichtstrahlen ausgehen. So können wir zum Beispiel eine Kerze sehen, die selbst Lichtstrahlen aussendet, oder ein Objekt, das Lichtstrahlen der Sonne oder der Zimmerlampe reflektiert. Die Netzhaut enthält Sinneszellen, in denen das ankommende Licht elektrische Signale auslöst. Diese elektrischen Signale werden über Nervenfasern an unser Gehirn weitergeleitet und dort zu einem Bild zusammengesetzt. Die Nervenfasern laufen übrigens an einem Punkt zusammen und verlassen den Augapfel gebündelt als Sehnerv. Dort, wo sie zusammenlaufen, befinden sich keine Sinneszellen, die auf Lichtsignale reagieren könnten – daher wird dieser Punkt auch als blinder Fleck bezeichnet. Die fehlende Information nehmen wir allerdings beim Sehen nicht wahr, denn unser Gehirn nutzt Informationen aus den umliegenden Nervenzellen, um das Bild zu ergänzen.

bildentstehung-auge-physik.svg

Unser Gehirn gleicht noch eine weitere Eigenschaft des Bildes auf der Netzhaut aus: Das reelle Bild, das von der Linse erzeugt wird, steht auf dem Kopf. Das Gehirn dreht dieses Bild um, wir sehen den Gegenstand also richtig herum.

Nun wollen wir uns ein paar Grundlagen zur Abbildung mit Linsen in Erinnerung rufen: Ein Gegenstand, dessen Abstand von der Linse die Gegenstandsweite $g$ ist, ergibt im Abstand der Bildweite $b$ ein reelles Bild. Dabei sind Gegenstandsweite und Bildweite über die Brennweite $f$ der Linse miteinander verknüpft:

$\frac{1}{f}=\frac{1}{g} \cdot \frac{1}{b}$

Das ist die sogenannte Linsengleichung. In unseren Betrachtungen gilt die Annahme, dass der Gegenstand sich in einer größeren Entfernung als $2\cdot f$ vom Auge befindet – das ist fast immer so, denn die Brennweite des Auges ist sehr klein. Der Abstand, bei dem ein scharfes Bild erzeugt wird, hängt also von der Gegenstandsweite und von der Brennweite ab. Doch warum können wir Gegenstände sowohl dann scharf sehen, wenn sie nah an unserem Auge stehen, als auch dann, wenn sie weiter weg sind? Schließlich verändert sich die Gegenstandsweite, aber die Bildweite bleibt gleich – denn die ist ja durch den Abstand von Linse zu Netzhaut vorgegeben. Die Lösung auf diese Frage ist die sogenannte Akkommodation, die wir uns im Folgenden anschauen wollen.

Die Akkommodation

Bei der Akkommodation wird die Brennweite der Augenlinse so angepasst, dass wir sowohl nahe als auch ferne Gegenstände scharf sehen können. Dazu betrachten wir ein Beispiel: Im Gegensatz zur ersten Abbildung wird der Gegenstand nun näher an unser Auge herangestellt (schau dir im Vergleich noch mal die erste Illustration an). Dadurch wird die Gegenstandsweite $g$ kleiner. Da die Bildweite $b$ gleich bleibt, muss laut Linsengleichung auch die Brennweite $f$ kleiner werden, damit ein scharfes Bild auf der Netzhaut entsteht. Dazu wird die Augenlinse mithilfe der Ziliarmuskeln, an denen sie aufgehängt ist, verformt. In diesem Fall sind die Ziliarmuskeln angespannt und die Linse wird gestaucht – dadurch ist die Linse stärker gekrümmt, wodurch ihre Brechkraft erhöht wird. Das bedeutet, dass das Licht stärker gebrochen wird und die Brennweite der Linse somit kleiner ist.

Angepasste Brennweite durch Akkomodation

Das funktioniert natürlich auch in die andere Richtung: Wenn ein Gegenstand in größerer Entfernung zu unserem Auge steht, wird die Gegenstandsweite größer. Entsprechend muss auch die Brennweite größer werden und die Augenlinse wird gestreckt. Hierfür werden die Ziliarmuskeln entspannt – dadurch strengt es uns weniger an, in die Ferne zu gucken, als nahe Dinge zu betrachten.

Fehlsichtigkeit

Wenn Menschen kurzsichtig oder weitsichtig sind, benötigen sie Brillen. Doch was genau bewirken diese Brillen eigentlich? Dazu schauen wir uns ein paar Grundlagen zur Kurz- und Weitsichtigkeit an. Bei der Kurzsichtigkeit wird das Bild vor der Netzhaut abgebildet. Das liegt daran, dass entweder die Brechkraft der Linse zu groß ist oder der Augapfel zu lang. Mithilfe einer konkaven Linse, also einer Streulinse, kann man das Licht vor Eintritt in das Auge streuen. Dadurch wird es im Auge weiter hinten fokussiert als zuvor und das Bild wird scharf auf der Netzhaut abgebildet. Bei der Weitsichtigkeit ist es genau andersherum: Da entweder die Brechkraft des Auges zu gering ist oder der Augapfel zu kurz, würde erst hinter der Netzhaut ein scharf Bild entstehen. Das kann man mithilfe von konvexen Linsen, also Sammellinsen, umgehen: Sie bewirken, dass das Licht schon vor Eintritt ins Auge leicht gesammelt wird, sodass auf der Netzhaut ein scharfes Bild erzeugt werden kann.

Dieses Video

In diesem Video erfährst du, wie in unserem Auge ein scharfes Bild entsteht. Du lernst, dass die Akkomodation dabei eine wichtige Rolle spielt und wie Fehlsichtigkeiten korrigiert werden können. Auch zu diesem Thema findest du interaktive Übungen und ein Arbeitsblatt.

Transkript Bildentstehung im Auge – physikalischer Hintergrund

Hallo! In diesem Video beschäftigen wir uns mit dem Auge, und zwar mit der Entstehung von Bildern im Auge. So - da haben wir schon einmal ein Auge und jetzt wollen wir mal gucken, was dahinter steckt - hinter dieser Iris. Ich lasse erst einmal alle Details weg und erkläre euch nur einmal das Prinzip des Auges. Das ist nämlich nichts anderes, als eine Linse - eine Sammellinse. Und hinter dieser Linse befindet sich wie immer ein Schirm, nämlich die Netzhaut. Und hinter der Netzhaut befinden sich ganz viele Nerven, die die ankommenden Signale an das Gehirn schicken. Das Auge schaut auf folgendes Objekt: eine Kerze. Wie jede Linse hat auch diese Linse eine optische Ebene und zwei Brennpunkte, im jeweils dem gleichen Abstand von der Linse: F1 und F2. Die Kerzenspitze sendet jetzt 2 verschieden Strahlen aus, zum Beispiel diesen Mittelpunktsstrahl, der ungebrochen durch die Linse hindurchgeht. Dann noch den Parallelstrahl, der dann ja zum Brennpunkt hingebrochen wird. Der dritte Hauptstrahl ist ja der Brennstrahl, der durch den Brennpunkt verläuft und dann parallel. Nun sehen wir, alle drei Strahlen treffen sich in einem Punkt und bilden also hier die Kerzenspitze ab. Also wir sehen, wenn sich ein Objekt in einem größeren Abstand der doppelten Brennweite, also 2×F befindet, dann erhalten wir Folgendes: Ein reales Bild, denn die Strahlen sind ja wirklich. Das Bild ist allerdings kleiner, und es ist umgedreht. Aber müssten wir dann nicht alles verkehrt herum sehen? Nein. Das Gehirn kennt das Problem und dreht die Bilder automatisch um, sodass wir alles richtig herum sehen. Aber was passiert nun bei einer Änderung des Abstands vom Objekt zum Auge? Die Strahlen treffen doch dann anders und das Bild würde nicht mehr auf der Netzhaut landen. Das Bild wäre also dann unscharf. Und das bringt uns zu der Genitalität des Auges. Ihr kennt doch noch folgende Formel für die Linsen: 1/b+1/g=1/f b, die Bildweite, befindet sich hier. Und die muss, da sie sich ja hinter dem Auge befindet, immer konstant bleiben. g ist hier, der Abstand zwischen Objekt und Auge. Und der ist ja durch die Umwelt bestimmt - den kann man ja auch nicht ändern. Wenn als b und g bestimmt sind, was bleibt dann dem Auge, um das Bild scharf zu kriegen? Richtig!  Die Brennweite. Das Auge muss die Brennweite der Linse ändern, damit das Bild scharf wird. Und genau das macht das Auge auch. Hier oben und unten befinden sich jeweils Muskeln, die die Linse ziehen können - dann wird sie größer und dünner und die Brennweite wird dementsprechend größer, sie wieder loslassen können und zusammendrücken können - dann wird die Brennweite kleiner. So, und jetzt gucken wir mal, ob das Auge das auch richtig gemacht hat, bei einem kleineren Abstand die Brennweite zu verkleinern. Also wir haben her jetzt wieder den Parallelstrahl, der zum Brennstrahl wird, und den Mittelpunktstrahl, der ungebrochen durchgeht. Und, sieh da, sie treffen sich alle in einem Punkt auf der Netzhaut. Das heißt, wir können Objekte auch in unterschiedlichen Abstand scharf sehen, wenn das Auge sich scharf gestellt hat auf das Objekt. Gut. Ich glaube, das Prinzip ist erst einmal klar, trotzdem noch einmal kurz zum Zusammenfassen: Wenn wir ein Objekt haben, dann benötigen wir eine kleinere Brennweite und das bedeutet, dass die Linse zusammengedrückt werden muss, um das zu erreichen. Und umgekehrt genau so: Wenn wir ein weiteres Objekt haben, benötigen wir eine große Brennweite, um ein scharfes Bild zu erhalten, und das bedeutet, dass die Muskeln die Linse auseinanderziehen müssen. Und da alle Objekte in unsere Umgebung unterschiedlich weit entfernt sind, bedeutet das für das Auge, ein ständiges Fokussieren, also ein ständiges Scharfstellen, und das ist eine irre Muskelarbeit. Und das ist auch gut so, dass die Muskeln viel arbeiten, denn dann bleiben sie auch schön im Training und machen nicht so schnell schlapp. Und aus dem Grund ist auch Fernsehen nicht so gut für de Augen, denn das Auge hat immer denselben Fokus, und die Muskeln müssen nicht so viel arbeiten. Kommen wir nun noch mal kurz zu dem Punkt, den ich gerade angesprochen habe, wenn die Muskeln schlappmachen: Zum Beispiel entsteht dann Weitsichtigkeit. Die Strahlen werden in der Linse nicht so stark gebündelt, wie es notwendig wäre, um ein scharfes Bild zu bekommen. Das Bild befindet sich dann theoretisch hinter der Netzhaut. Der Mensch sieht es dann unscharf und braucht eine Brille - und die ist wieder nichts anderes als eine Linse, auch hier wieder eine Sammellinse. Und die sammelt, wie der Name schon sagt, die Strahlen so, dass sie dann hinten, auf der Netzhaut, ein scharfes Bild erzeugen. Also gegen die Weitsichtigkeit benötigt man eine Korrektur, und zwar eine Sammellinse. Dann wissen wir ja alle, es gibt nicht nur die Weitsichtigkeit, sondern auch die Kurzsichtigkeit. Und das heißt, dass die Strahlen, die in die Linse treffen, so stark gebündelt werden, dass sie vorher schon ein Bild erzeugen. Also das Bild ist dieses mal vor der Netzhaut und deswegen sieht der Mensch unscharf. Aber natürlich gibt es auch hier eine Korektourmöglichkeit, und zwar eine solche Linse, die die Strahlen vor eintritt ins Auge streut, und dann so ein scharfes Bild erzeugt auf der Netzhaut. Also hier diese Korrektur ist eine Streuungslinse. So jetzt wissen wir eigentlich ja schon ganz gut, wie ein Bild entsteht im Auge, und kommen wir jetzt doch einmal kurz zum Aufbau des Auges. Also hier oben und unten sind Muskeln, die die Linse kleiner drücken können oder auseinanderziehen können. Ganz vorne am Auge befindet sch die Hornhaut, die das Auge schützt.  Und direkt dahinter ist die Augenflüssigkeit. Und von außen sieht man die Iris, was immer so schön bunt im Auge ist. Und die Pupille, das kleine Schwarze, dass sich in der Größe verändern kann, um jeweils mehr oder weniger Licht in das Auge zu lassen. Das Auge ist eigentlich noch viel komplexer, aber lassen wir es mal dabei. Ich hoffe es hat euch trotzdem gefallen. Tschüss.

25 Kommentare

25 Kommentare
  1. Ich finde das Video klasse!

    Von Palle , vor 4 Monaten
  2. An Alle Besserwisser, in der 7ten Klasse wird das Thema so erklärt. In der 8ten ausführlicher. Also kriecht nicht aus euren Löchern ihr Wannabe Physiker.

    Von Valentin G., vor 11 Monaten
  3. Nach 50 Sekunden der nächste grobe Fehler... es gibt einen Sehnerv. Sie beschriftet die Sinneszellen in der Netzhaut. Kontrolliert niemand diese Videos???

    Von Frau S., vor fast 2 Jahren
  4. Schon der erste Fehler nach nur 17 Sekunden.... Die Pupille wurde als Iris beschriftet.

    Von Frau S., vor fast 2 Jahren
  5. mal ehrlich weniger Sprachfehler wähen auch OK

    Von Baderkids, vor mehr als 3 Jahren
Mehr Kommentare

Bildentstehung im Auge – physikalischer Hintergrund Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Bildentstehung im Auge – physikalischer Hintergrund kannst du es wiederholen und üben.
  • Ergänze die Informationen zum menschlichen Auge.

    Tipps

    Stell dir vor, du sitzt auf einem Lichtstrahl und bewegst dich auf das Auge in der Abbildung oben zu.

    Sobald du in das Auge einfällst, triffst du nacheinander auf die unterschiedlichen Bestandteile des Auges.

    Lösung

    Im Lückentext sind die Bestandteile des Auges zusammengefasst, die für den Weg der Lichtstrahlen und die Entstehung eines scharfes Bildes besonders wichtig sind. Vielleicht hast du dich schon woanders mit dem Auge beschäftigt, zum Beispiel im Biologieunterricht. Es gibt noch mehr Bestandteile im Auge als die, die du im Lückentext siehst.

    Zum Beispiel den Glaskörper, der das Auge fast vollständig ausfüllt und ihm seine kugelige Form gibt. Und noch mehrere Schichten außer der Netzhaut, die das Auge umgeben, und auch wichtige Aufgaben erfüllen wie die Versorgung des Auges. Und wenn man sich das Auge noch näher anschaut, kann man sogar die einzelnen Zellen in der Netzhaut sehen und herausfinden, wie sie aus dem Bild auf der Netzhaut tatsächlich das Bild machen, welches wir sehen. Und dabei kann uns das Gehirn manchmal auch ganz schön austricksen!

  • Benenne die wichtigsten Prozesse bei der Bildentstehung im Auge.

    Tipps

    Um ein scharfes Bild auf der Netzhaut zu erzeugen, müssen sich die drei Strahlen, die von der Pfeilspitze ausgehen, alle in einem Punkt auf der Netzhaut treffen. Sonst ist das Bild, das wir sehen, unscharf.

    Überlege nun einmal, wo das scharfe Bild des Pfeils in der Abbildung entsteht!

    Lösung

    In der Abbildung hat sich die Sammellinse im Auge noch nicht so verändert, dass ein scharfes Bild des Pfeils auf der Netzhaut entstehen kann.

    Mittelpunktstrahl, Parallelstrahl und Brennstrahl werden so gebrochen, dass sie sich erst hinter der Netzhaut treffen. Das scharfe Bild des Pfeils entsteht also erst hinter der Netzhaut, wie du in der Lösungsabbildung sehen kannst.

    Damit sich die Strahlen bereits auf der Netzhaut treffen können, müssen sie noch stärker gebrochen werden. Das bedeutet, die Sammellinse müsste noch stärker gekrümmt werden. Erst dann erscheint ein scharfes Bild des Pfeils auf der Netzhaut.

  • Erkläre, wie das menschliche Auge scharfes Sehen ermöglicht.

    Tipps

    Finde zunächst den Anfang und das Ende dieser kleinen Geschichte!

    Überlege nun, was Markus Augen zuerst wahrnehmen, wenn er auf die Tafel schaut, und weshalb das so ist. Denke an die Bedingung, unter der ein scharfes Bild auf der Netzhaut entsteht!

    Ergänze nun, was sich in den Augen verändern muss, um ein scharfes Bild des Tafeltextes auf der Netzhaut zu erzeugen.

    Lösung

    In der Aufgabe findest du ganz wichtige Überlegungen, um die Prozesse im Auge beim "Scharfstellen" auf nahe oder ferne Objekte zu verstehen:

    Die Krümmungsgrad der Linse im Auge legt die Brennweite und somit die Brechkraft der Linse fest, und zwar so, dass sie genau zur Objektentfernung passt. Das bedeutet, eine flache, also schwach gekrümmte Linse, bricht die einfallenden Lichtstrahlen nicht so stark. Also reicht die geringe Brechkraft aus, um das Bild weit entfernter Objekte scharf auf der Netzhaut abzubilden. Um nahe Objekte scharf auf der Netzhaut abzubilden, muss die Linse stärker gekrümmt sein. Durch die höhere Brechkraft werden die Strahlen naher Objekte dann ausreichend stark gebrochen.

    Passen Brechkraft und Objektentfernung nicht zusammen, erscheint das Bild theoretisch vor oder hinter der Netzhaut. Das Bild auf der Netzhaut ist unscharf. Das passiert immer, wenn wir von einem Objekt zu einem anderen Objekt schauen, das sich in einer anderen Entfernung befindet. Dann muss die Brechkraft der Linse verändert werden.

  • Vergleiche Kurzsichtigkeit und Weitsichtigkeit miteinander.

    Tipps

    Achtung! Kurz- und Weitsichtigkeit verwechselt man sehr schnell. Fang daher am besten erst mit einer Fehlsichtigkeit an und versuche, alle passenden Textabschnitte zu finden.

    Versuche dir bei jeder Fehlsichtigkeit vorzustellen, was bei nahen und fernen Objekten im Auge passiert. Vielleicht geht es besser, wenn du für dich eine Skizze von Objekt, Sammellinse, Netzhaut und Bild machst. Dann klappt das gedankliche Verschieben leichter.

    Lösung

    Es gibt unterschiedliche Gründe, weshalb Menschen an einer Fehlsichtigkeit leiden. Häufig ist die Form des Augapfels der Grund, er kann etwas zu kurz oder zu lang sein. Die Brechkraft der Linsen im Auge "passt" dann nicht mehr so richtig zum Abstand zwischen Linse und Netzhaut.

    Bei der Kurzsichtigkeit ist die Brechkraft der Linse im Auge zu stark. Darum werden ferne Objekte vor der Netzhaut abgebildet und erscheinen unscharf. Nahe Objekte hingegen werden von kurzsichtigen Menschen scharf gesehen. Da die Brechkraft der Linse zu stark ist, kann man als Sehhilfe Zerstreuungslinsen einsetzen, da diese die starke Brechkraft der Linse reduzieren.

    Bei der Weitsichtigkeit hingegen ist die Brechkraft der Linse im Auge zu schwach. Nahe Objekte werden daher hinter der Netzhaut abgebildet und erscheinen unscharf. Ferne Objekte hingegen werden von weitsichtigen Menschen scharf gesehen. Um die Brechkraft der Linse im Auge zu verstärken, setzt man als Sehhilfen Sammellinsen ein.

    Eine Merkregel, um dem Verwechseln vorzubeugen, lautet: Bei Kurzsichtigkeit kann man "kurz" (also nah) gut sehen, bei Weitsichtigkeit hingegen "weit" (also fern).

  • Benenne das wichtigste Teil im Auge zur Erzeugung eines passenden Bildes auf der Netzhaut.

    Tipps

    Gesucht ist der Bestandteil des Auges, der für die unterschiedlich starke Brechung der Lichtstrahlen verantwortlich ist.

    Beachte, dass es den Bestandteil in unterschiedlichen Formen gibt. Das Bild auf der Netzhaut muss stark verkleinert sein, deshalb müssen die Lichtstrahlen sehr stark gebrochen werden.

    Lösung

    Ohne die Sammellinse kann das Auge die Lichtstrahlen nicht stark genug bündeln, um ein verkleinertes Bild auf der Netzhaut zu erzeugen. Außerdem ist die Sammellinse der Bestandteil im Auge, der durch die Änderung seiner Form scharfes Nah- und Fernsehen ermöglicht. Beides ist nötig, um ein passendes Bild auf der Netzhaut zu erzeugen.

  • Prüfe, weshalb Menschen mit gutem Sehvermögen im Alter häufig eine Brille brauchen.

    Tipps

    Bei diesen Menschen entsteht im Alter einen von den zwei typischen Formen der Fehlsichtigkeit.

    Schau dir die Veränderungen an der Linse an. Welche Folgen hat das für die Vorgänge im Auge?

    Lösung

    Bei der Aufgabe musstest du auf Basis deiner Kenntnisse eigene Schlussfolgerungen ziehen. Das ist nicht leicht und du hast sicher ganz eigene Lösungsideen entwickelt.

    Wichtig bei der Lösung dieser Aufgabe ist der Hinweis auf die Veränderungen an der Linse. Das ist einen neue Ursache für das Entstehen einer Fehlsichtigkeit. Aber die Folgen einer verringerten Brechkraft der Linse sind bekannt. Daher kann man aus diesen Angaben auf die richtige Fehlsichtigkeit schließen und die Besonderheiten ergänzen.

30 Tage kostenlos testen
Mit Spass Noten verbessern
und vollen Zugriff erhalten auf

10'222

Lernvideos

42'495

Übungen

37'505

Arbeitsblätter

24h

Hilfe von Lehrer*
innen

laufender Yeti

Inhalte für alle Fächer und Schulstufen.
Von Expert*innen erstellt und angepasst an die Lehrpläne der Bundesländer.

30 Tage kostenlos testen

Testphase jederzeit online beenden