Bildentstehung im Auge – physikalischer Hintergrund
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Lerntext zum Thema Bildentstehung im Auge – physikalischer Hintergrund
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.
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.
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.
Bildentstehung im Auge – physikalischer Hintergrund Übung
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Ergänze die Informationen zum menschlichen Auge.
TippsStell 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.
LösungIm 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!
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Benenne die wichtigsten Prozesse bei der Bildentstehung im Auge.
TippsUm 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!
LösungIn 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.
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Erkläre, wie das menschliche Auge scharfes Sehen ermöglicht.
TippsFinde 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.
LösungIn 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.
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Vergleiche Kurzsichtigkeit und Weitsichtigkeit miteinander.
TippsAchtung! 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.
LösungEs 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).
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Benenne das wichtigste Teil im Auge zur Erzeugung eines passenden Bildes auf der Netzhaut.
TippsGesucht 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.
LösungOhne 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.
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Prüfe, weshalb Menschen mit gutem Sehvermögen im Alter häufig eine Brille brauchen.
TippsBei 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?
LösungBei 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.
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