Hohlspiegel und Wölbspiegel
Worum geht es?
Krümmt man die Spiegelfläche, bleibt das an jedem Punkt gültig, nur die Lote zeigen jetzt in verschiedene Richtungen. Ein Hohlspiegel (die Innenseite) lenkt achsennahe Parallelstrahlen alle durch einen Punkt, den Brennpunkt bei . Ein Wölbspiegel (die Außenseite) fächert sie auf, als kämen sie aus einem virtuellen Brennpunkt dahinter. Sammeln und Zerstreuen sind die zwei Grundfähigkeiten aller abbildenden Optik, und hier treten sie zum ersten Mal auf.
Warum macht man dieses Experiment?
Brennpunkt und Brennweite, die Schlüsselbegriffe der gesamten Abbildungsoptik, entstehen hier zum Anfassen, noch vor der . Am Spiegel kann man sie mit dem Lineal messen und mit sogar aus der Bauform vorhersagen. Und der Alltag ist voller gekrümmter Spiegel: Verkehrsspiegel, Zahnarztspiegel, Schminkspiegel, Autoscheinwerfer. Nach diesem Versuch liest du an jedem ab, wie er gebaut ist.
Die physikalische Idee
Variante 1: Mehrere parallele Lichtbündel treffen den Hohlspiegel. Der gemeinsame Schnittpunkt wird vermessen und gegen die halbe Radiuslänge gehalten; die Umkehrprobe (eine Lampe im Brennpunkt macht ein Parallelbündel) schließt an. Variante 2 wiederholt das am Wölbspiegel: Die Bündel laufen auseinander, aber ihre Rückverlängerungen treffen sich hinter dem Spiegel. Variante 3 prüft beide Welten am Esslöffel.
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
- Reflexionsgesetz (Experiment ebener Spiegel)
- Virtuelles Bild (Zwei-Kerzen-Versuch)
Wissenschaftliche Einordnung
Über Archimedes erzählte man, er habe 212 v. Chr. römische Schiffe mit Hohlspiegeln entzündet. Das ist physikalisch schwer nachzuprüfen, aber als Idee war es der erste „Brennspiegel“. Real wurden Hohlspiegel zur Grundlage der großen Teleskope, von Newton 1668 bis zum James-Webb-Teleskop. Spiegel sammeln Licht nämlich farbfehlerfrei, was keine kann.
Versuchsziel
Was möchtest du untersuchen?
Aktuelles Versuchsziel
Der Brennpunkt des Hohlspiegels: f = r/2
Bestimme die Brennweite des Hohlspiegels aus dem Schnittpunkt paralleler Bündel und prüfe die Vorhersage .
Gesucht
- — Brennweite (in )
Der Abstand vom Spiegelscheitel zum Brennpunkt, die Kenngröße des Spiegels.
Bekannt
- — Krümmungsradius (in )
Aus der Bauform (Herstellerangabe oder Kreisschablone): 40 cm.
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Die geprüfte Beziehung zwischen Bauform und Brennweite.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Richte drei bis fünf parallele Bündel achsennah auf den Hohlspiegel (r = 40 cm), zeichne die reflektierten Strahlen auf der Unterlage nach, vermiss den Schnittpunkt und prüfe f = r/2. Führe anschließend die Umkehrprobe und die Randstrahl-Probe durch.
2Vorbetrachtung
Warum die halbe Radiuslänge?
Das Lot eines Kugelspiegels zeigt an jedem Punkt zum Kreismittelpunkt M, denn so ist der Kreis definiert. Ein achsenparalleler Strahl trifft die Fläche unter dem Winkel zu diesem Lot und wird nach dem mit gleichem Winkel zur anderen Lotseite reflektiert.
Das Dreieck aus dem Auftreffpunkt P, dem Mittelpunkt M und dem Achsenschnittpunkt F des reflektierten Strahls hat bei M und bei P je den Winkel (Wechselwinkel an den Parallelen Achse und Einfallsstrahl). Es ist also gleichschenklig, .
Für achsennahe Strahlen ist fast so lang wie der Abstand von F zum Scheitel, F halbiert dann die Strecke vom Scheitel zu M. Das ist eine Näherung, und für Randstrahlen gilt sie nicht mehr. Genau das prüft die Randstrahl-Probe.
3Geräte / Stoffe
Die Bündel parallel ausrichten (Abstandsprobe über die Tischlänge). Zuerst nur die achsennahen Bündel verwenden und das Randbündel für die Zusatzprobe aufheben.
Mehrfachspalt-Leuchte
Parallele Bündel wie von einer sehr fernen Quelle, die Testfrage an jeden Spiegel.
Hohl-/Wölbspiegelmodell mit bekanntem r
Unsere Prüflinge; r = 40 cm erlaubt die Vorhersage f = r/2.
Papierunterlage und Lineal
Zum Nachzeichnen der Strahlenverläufe und Vermessen der Schnittpunkte.
Esslöffel
Beide Spiegelarten in einem Alltagsgegenstand: Innenseite hohl, Rückseite gewölbt.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Draufsicht: Hohlspiegelbogen, drei achsenparallele Bündel, Schnittpunkt F auf der Achse, Mittelpunkt M bei 40 cm, F bei 20 cm markiert.
Der Hohlspiegel sammelt achsennahe Parallelstrahlen im Brennpunkt. Die Brennweite ist der halbe Krümmungsradius, .
Der Wölbspiegel zerstreut dieselben Strahlen. Ihre Rückverlängerungen (gestrichelt) schneiden sich im virtuellen Brennpunkt hinter dem Spiegel.
Aufbau: Leuchte mit Mehrfachspalt (3 bis 5 parallele Bündel), Hohl- und Wölbspiegelmodell (Zylinderspiegel für die Tischebene, Krümmungsradius bekannt oder per Schablone bestimmbar), Winkelscheibe/Papierunterlage, Lineal; blanker Esslöffel.
5Durchführung
Schritt 1: Die Bündelverläufe mit Bleistift nachziehen, den Schnittpunkt markieren und den Abstand zum Scheitel messen. Schritt 2, die Umkehrprobe: eine Lampe in den gefundenen Punkt stellen und den Verlauf der reflektierten Bündel prüfen. Schritt 3, die Randstrahl-Probe: ein Bündel weit außen einlaufen lassen und den Schnittpunkt vergleichen.
6Beobachtung
| Prüfung | Ergebnis |
|---|---|
| Schnittpunkt der achsennahen Bündel | alle drei durch einen Punkt bei 20 cm vor dem Scheitel |
| Umkehrprobe (Lampe bei 20 cm) | reflektierte Bündel laufen parallel davon |
| Randstrahl-Probe | das äußere Bündel schneidet die Achse schon bei etwa 18 cm, also vor dem Brennpunkt |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
7Auswertung
Die Vorhersage trifft: Der gemessene Brennpunkt liegt bei . Die Bauform legt die Brennweite fest, und wer einen Spiegel stärker krümmt (kleineres r), holt den Brennpunkt näher heran. Die Umkehrprobe bestätigt die Umkehrbarkeit der Lichtwege: Quelle im Brennpunkt, Parallelbündel heraus. Damit sind Scheinwerfer, Taschenlampe und Parabolantenne erklärt, sie betreiben unseren Versuch rückwärts.
Die Randstrahl-Probe zeigt die Grenze ehrlich: Das äußere Bündel verfehlt den Brennpunkt um zwei Zentimeter. Die Herleitung hatte es angekündigt: ist eine Näherung für achsennahe Strahlen. Beim Kugelspiegel schneiden Randstrahlen die Achse früher; dieser Abbildungsfehler heißt sphärische Aberration. Deshalb sind Scheinwerferspiegel und Teleskopspiegel keine Kugel-, sondern Parabelflächen. Die Parabel sammelt wirklich alle Parallelstrahlen in einem Punkt, eine teure Form für ein präzises Versprechen.
Brenn-Punkt, ganz wörtlich: Im Sonnenlicht bündelt der Spiegel die gesamte auftreffende Strahlungsleistung auf einen Fleck. Ein Streichholz im Brennpunkt eines größeren Hohlspiegels entzündet sich in Sekunden: Namensgebung mit Ansage, und zugleich der Kern jedes Solarturm-Kraftwerks.
8Fazit
Der Hohlspiegel (r = 40 cm) sammelt achsennahe Parallelstrahlen im Brennpunkt bei f = 20 cm. ist bestätigt, die Umkehrprobe bestanden, und die Randstrahl-Probe zeigt sauber, dass die Formel eine Näherung für achsennahe Strahlen ist.
9Fehlerbetrachtung
Die Zentimeter-Genauigkeit hängt an der Parallelität:
Bündel nicht paralleleher systematisch
- Ursache
Die Leuchte steht zu nah, und die Bündel divergieren bereits.
- Auswirkung
Der Schnittpunkt rückt hinter den wahren Brennpunkt, f wird zu groß gemessen.
- Verbesserung
Die Leuchte weit entfernt aufstellen und die Parallelität über die Tischlänge prüfen.
Randstrahlen in der Hauptmessungeher systematisch
- Ursache
Bündel zu weit außen angesetzt.
- Auswirkung
Es gibt keinen sauberen gemeinsamen Schnittpunkt (sphärische Aberration).
- Verbesserung
Die Hauptmessung achsennah durchführen und den Randstrahl bewusst nur als Demonstration der Grenze nutzen.
Scheitelpunkt unklareher systematisch
- Ursache
f wird vom falschen Bezugspunkt aus gemessen.
- Auswirkung
Ein konstanter Versatz von einigen Millimetern.
- Verbesserung
Den Scheitel (Achsendurchstoß) auf der Unterlage markieren, bevor gemessen wird.
Das Wichtigste
- Der Hohlspiegel sammelt
Achsennahe Parallelstrahlen laufen durch einen einzigen Punkt, den Brennpunkt F, mit . Die Brennweite steckt also in der Bauform.
- Der Wölbspiegel zerstreut
Dieselben Strahlen fächern auf, scheinbar aus einem virtuellen Brennpunkt hinter dem Spiegel. Er bildet immer aufrecht, verkleinert und virtuell ab, dafür mit großem Blickfeld.
- Umkehrbarkeit
Lichtwege sind umkehrbar: Eine Quelle im Brennpunkt des Hohlspiegels sendet ein Parallelbündel aus. Das ist das Bauprinzip von Scheinwerfer und Taschenlampe.
- Ein Gesetz, viele Lote
Es ist nichts Neues am Werk. An jedem Flächenpunkt gilt α = α′ zum dortigen Lot, die Krümmung dreht nur die Lote. Sammeln und Zerstreuen sind organisierte .