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
Beide Spiegel im Suppenlöffel
Prüfe die Vorhersagen beider Spiegeltypen am Esslöffel: Innenseite (hohl) gegen Rückseite (gewölbt), nah gegen fern.
Gemessen
- — Bildtyp je Löffelseite und Abstand
Qualitativ protokolliert (aufrecht oder kopfstehend, vergrößert oder verkleinert), das ergibt die Prüfmatrix.
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Betrachte dein Gesicht in beiden Löffelseiten, jeweils ganz nah (wenige Zentimeter) und auf Armlänge. Sage jede Beobachtung vorher mit den Ergebnissen der Varianten 1 und 2 voraus.
2Vorbetrachtung
Die Vorhersage-Matrix: Die Rückseite (Wölbspiegel) zeigt immer aufrecht und verkleinert, egal wie nah, denn sie kann nie sammeln (Variante 2). Die Innenseite (Hohlspiegel) zeigt ganz nah, also innerhalb der kurzen Brennweite, aufrecht und vergrößert (Schminkspiegel-Stellung). Auf Armlänge, weit außerhalb der Brennweite, zeigt sie kopfstehend und verkleinert: die Sammel-Stellung mit einem reellen Bild vor dem Löffel, durch das man hindurchschaut. Ein Alltagsgegenstand, vier Vorhersagen. Der Löffel ist die Abschlussprüfung der beiden Varianten.
3Geräte / Stoffe
Einen möglichst glatten, blanken Löffel wählen. Wichtig ist eine gute Beleuchtung des Gesichts (Fensterlicht), nicht der Löffelfläche.
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
Vier-Felder-Tabelle als Vorhersage: Seite (hohl/gewölbt) gegen Abstand (nah/fern), je Feld der erwartete Bildtyp.
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
Alle vier Kombinationen durchgehen. Auf der Hohlseite dabei langsam von ganz nah nach fern ziehen und den Umschlagpunkt suchen, an dem das Bild kippt.
6Beobachtung
| Seite | ganz nah | Armlänge |
|---|---|---|
| Rückseite (gewölbt) | aufrecht, verkleinert | aufrecht, stärker verkleinert |
| Innenseite (hohl) | aufrecht, vergrößert | KOPFSTEHEND, verkleinert |
| Übergang (Hohlseite, langsames Wegziehen) | das Bild wird riesig, verschwimmt und kippt dann kopfüber | — |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
7Auswertung
Vier Vorhersagen, vier Treffer: Die Wölbseite bleibt stur aufrecht und verkleinert, die Hohlseite wechselt am Brennpunkt vorbei vom Lupen- in den Kopfstand-Modus. Der verschwommene Riesen-Moment dazwischen ist der Durchgang durchs Brennweiten-Gebiet: Dort rückt das Bild ins Unendliche, bevor es reell und kopfstehend zurückkehrt. Ein Küchengegenstand bestätigt die komplette Spiegeltheorie. Der Umschlagpunkt verrät nebenbei die Brennweite des Löffels: wenige Zentimeter, passend zu seiner starken Krümmung (: kleiner Radius, kleine Brennweite).
Warum das Löffelbild verzerrt ist: Der Löffel ist keine Kugelkalotte, sondern oval und ungleichmäßig gekrümmt. Verschiedene Richtungen haben verschiedene Brennweiten, und das Gesicht wird gestaucht und gestreckt. Präzisionsoptik beginnt genau dort, wo der Löffel aufhört: bei kontrollierter Krümmung.
8Fazit
Der Löffel bestätigt beide Spiegelwelten: die Wölbseite immer aufrecht und verkleinert (virtuell), die Hohlseite mit dem Brennpunkt-Umschlag von der Lupe zum kopfstehenden reellen Bild. Die gesamte Spiegeloptik passt in eine Küchenschublade.
9Fehlerbetrachtung
Beim Alltagsgegenstand als Messgerät gilt besondere Vorsicht:
Verzerrte Löffelformeher systematisch
- Ursache
Ovale, unregelmäßige Krümmung statt einer Kugelfläche.
- Auswirkung
Die Bilder sind gestaucht; die reine Typ-Aussage (aufrecht oder kopfstehend) bleibt aber gültig.
- Verbesserung
Auf den Bildtyp achten, nicht auf Formtreue. Ersatzweise eine polierte Schöpfkelle nehmen, die ist runder.
Umschlagpunkt verpassteher zufällig
- Ursache
Zu schnelles Wegziehen auf der Hohlseite.
- Auswirkung
Der Durchgang durch die Brennweite, die Kernbeobachtung, wird übersprungen.
- Verbesserung
Zentimeterweise ziehen und den verschwommenen Moment bewusst aufsuchen.
Matte oder zerkratzte Flächeeher systematisch
- Ursache
Streuung überlagert die Spiegelung.
- Auswirkung
Kontrastarme, kaum deutbare Bilder.
- Verbesserung
Blanken Löffel wählen, kurz polieren.
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 .