3B Scientific Optical Bench U User Manual [en, de, es, fr, it]

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3B SCIENTIFIC®

3B SCIENTIFIC3B SCIENTIFIC

PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

®

Grundlagenversuche zur Optik auf der Optischen Bank U17150

Bedienungsanleitung

1/05 MH

Versuchsübersicht:

Versuch 1: Demonstration verschiedener Strahlen-

bündel

Versuch 2: Reflexion eines Lichtstrahls an einem

Planspiegel

Versuch 3: Reflexion eines Strahlenbündels an einem

Planspiegel

Versuch 4: Reflexion eines Strahlenbündels an einem

Hohl- bzw. Wölbspiegel
Versuch 5: Snellius’sches Brechungsgesetz
Versuch 6: Brechung an einer planparallelen Platte
Versuch 7: Brechung an einem Prisma
Versuch 8: Umkehrprisma
Versuch 9: Konkav und konvex Linsen
Versuch 10: Linsenformel und Vergrößerung
Versuch 11: Linsenformeln und Vergrößerung, virtu-

elle Abbildung
Versuch 12: Linsenformel und Vergrößerung, virtuel-

les Objekt
Versuch 13: Linsenfehler, sphärische Abberation 1
Versuch 14: Linsenfehler, sphärische Abberation 2
Versuch 15: Linsenfehler, chromatische Abberation
Versuch 16: Modell einer Camera obscura
Versuch 17: Modell eines Dia-Projektors
Versuch 18: Modell eines Mikroskops
Versuch 19: Modell eines astronomischen Fernrohrs
Versuch 20: Modell einer Fotokamera
Versuch 21: Modell eines holländischen Fernrohrs
Versuch 22: Polarisation, Modell eines Polarimeters
Versuch 23: Geradsichtprisma, Absorptionsspektrum
Versuch 24: Linienspektrum

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Fünffachspalt aus U17040

• Sammellinse f = +150 mm U17108

• Projektionsschirm U17125

• 3 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

1.2 Aufbau

• Experimentierleuchte horizontal auf Position 10 cm

platzieren.

• Objekthalter mit Fünffachspalt horizontal auf Po-

sition 20 cm.

• Sammellinse auf Position 25 cm.

• Projektionsschirm auf kleinem Reiter.

1.3 Durchführung

• Ohne Verwendung der Sammellinse ist das Strah-

lenbündel divergierend.

• Bei Einsatz der Sammellinse auf Position 25 cm

erhält man ein paralleles Strahlenbündel.

• Durch Verschieben der Sammellinse weg von der

Lichtquelle wird ein konvergierendes Strahlenbün­del erzeugt.

1. Sicherheitshinweise

• Vorsicht! Leuchten erhitzen sich bei längerer Be-

triebsdauer.

• Optische Elemente nicht mit aggressiven Flüssig-

keiten oder Lösungsmitteln reinigen. Beschä­digungsgefahr!

2. Versuchsbeispiele

Versuch 1: Demonstration verschiedener Strahlen­bündel

1.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

Versuch 2: Reflexion eines Lichtstrahls an einem
Planspiegel

2.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Einfachspalt aus U17040

• Sammellinse f = +150 mm U17108

• Optische Scheibe U17128

• Planspiegel aus U17128

• 3 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

2.2 Aufbau

• Experimentierleuchte horizontal auf Position 10 cm

platzieren.

• Objekthalter mit Einfachspalt horizontal auf Posi-

tion 20 cm.

• Sammellinse auf Position 25 cm.

• Optische Scheibe mit Planspiegel auf kleinem Rei-

ter auf 40 cm.

2.3 Durchführung

• Planspiegel auf der Optischen Scheibe auf der 90°-

90°-Linie befestigen.

• Höhe der Scheibe so einstellen, dass der einfallen-

de Lichtstrahl auf der 0°-Linie reflektiert wird.

• Durch Drehen der Scheibe Bestätigung des Reflexi-

onsgesetzes Einfallswinkel gleich Ausfallwinkel.

Versuch 3: Reflexion eines Strahlenbündels an
einem Planspiegel

3.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Fünffachspalt aus U17040

• Sammellinse f = +150 mm U17108

• Optische Scheibe U17128

• Planspiegel aus U17128

• 3 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

• Durch Verschieben der Linse weg von der Lichtquel-

le kann gezeigt werden, dass ein konvergierendes
Strahlenbündel konvergierend reflektiert wird.

• Ohne Verwendung der Sammellinse lässt sich de-

monstrieren, dass ein divergierendes Strahlenbün­del nach der Reflexion auch divergierend ist.

Versuch 4: Reflexion eines Strahlenbündels an
einem Hohl- bzw. Wölbspiegel

4.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Fünffachspalt aus U17040

• Sammellinse f = +150 mm U17108

• Optische Scheibe U17128

• Spiegel aus U17128

• 3 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

4.2 Aufbau

• Experimentierleuchte horizontal auf Position 10 cm

platzieren.

• Objekthalter mit Fünffachspalt horizontal auf Po-

sition 20 cm.

• Sammellinse auf Position 25 cm.

• Optische Scheibe mit Konvexspiegel auf kleinem

Reiter auf 40 cm.

3.2 Aufbau

• Experimentierleuchte horizontal auf Position 10 cm

platzieren.

• Objekthalter mit Fünffachspalt horizontal auf Po-

sition 20 cm.

• Sammellinse auf Position 25 cm.

• Optische Scheibe mit Planspiegel auf kleinem Rei-

ter auf 40 cm.

3.3 Durchführung

• Planspiegel auf der Optischen Scheibe auf der 90°-

90°-Linie befestigen.

• Höhe der Scheibe so einstellen, dass der mittlere

Lichtstrahl auf der 0°-Linie verläuft und alle Strah­len in sich reflektiert werden.

• Durch Drehen der Scheibe wird gezeigt, dass ein

parallel einfallendes Strahlenbündel nach der Re­flexion auch parallel ist.

4.3 Durchführung

• Hohlspiegel auf der Optischen Scheibe auf der 90°-

90°-Linie befestigen.

• Höhe der Scheibe so einstellen, dass der mittlere

Lichtstrahl auf der 0°-Linie verläuft und in sich re­flektiert wird.

• Mittels der Linse ein paralleles Strahlenbündel er-

zeugen.

• Die einfallenden Strahlen werden so reflektiert,

dass sie sich in einem Punkt F treffen. Dieser Punkt
ist der Brennpunkt des Spiegels.

• Versuch mit konvergierenden und divergierenden

Strahlen wiederholen.

• Ergebnis: Ein Hohlspiegel wirkt konvergierend.

• Optische Scheibe um 180° drehen, so dass die ein-

fallenden Strahlen vom Wölbspiegel reflektiert
werden. Schritte wie oben durchführen.

2

• Ein Wölbspiegel wirkt divergierend.

Versuch 5: Snellius’sches Brechungsgesetz

5.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Einfachspalt aus U17040

• Sammellinse f = +150 mm U17108

• Optische Scheibe U17128

• Halbkreiskörper aus U17128

• 3 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

• Beim Übergang eines Lichtstrahls von einem Medi-

um mit dem Brechungsindex n1 in ein anderes
Medium mit dem Brechungsindex n2 wird seine
Richtungsänderung durch das Snellius’sche Bre­chungsgesetz bestimmt:
sin α / sin ß = konstant oder sin α / sin ß = n
α ist der Einfallswinkel in Medium n

und ß ist der

1

2 / n1

Brechungswinkel im Medium n2.

• Je größer der Einfallswinkel desto größer der Bre-

chungswinkel. Wenn n1 < n2 ist, existiert ein kriti­scher Winkel α. Der gebrochene Strahl liegt dann
an der Grenzfläche zwischen zwei Medien. Ist der
Einfallswinkel größer als der kritische Winkel, dann
gibt es keine Brechung mehr und das ganze Licht
wird reflektiert. In diesem Fall spricht man von
Totalreflexion.

5.2 Aufbau

• Experimentierleuchte horizontal auf Position 10 cm

platzieren.

• Objekthalter mit Einfachspalt horizontal auf Posi-

tion 20 cm.

• Sammellinse auf Position 25 cm.

• Optische Scheibe mit Halbkreiskörper auf kleinem

Reiter auf 40 cm.

5.3 Durchführung

• Halbkreiskörper so auf der Optischen Scheibe auf

der 90°-90°-Linie befestigen, dass die plane Seite
zur Lichtquelle weist.

• Höhe der Scheibe so einstellen, dass der einfallen-

de Lichtstrahl auf der 0°-Linie verläuft und genau
die Mitte des Halbkreiskörpers trifft. Der Lichtstrahl
verläuft dann ungebrochen auf der 0°-Linie.

• Durch Drehen der Scheibe wird der Lichtstrahl zum

Einfallslot hin gebrochen.

• Die Scheibe nun um 180° drehen, so dass die ge-

wölbte Scheibe zur Lichtquelle zeigt. Der Lichtstrahl
wird nun vom Ausfallslot weg gebrochen.

Versuch 6: Brechung an einer planparallelen
Platte

6.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Einfachspalt aus U17040

• Sammellinse f = +150 mm U17108

• Optische Scheibe U17128

• Trapezkörper aus U17128

• 3 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

6.2 Aufbau

• Experimentierleuchte horizontal auf Position 5 cm

platzieren.

• Objekthalter mit Einfachspalt horizontal auf Posi-

tion 20 cm.

• Sammellinse auf Position 25 cm.

• Optische Scheibe mit Trapezkörper auf kleinem

Reiter auf 40 cm.

6.3 Durchführung

• Trapezkörper auf der Optischen Scheibe auf der

90°-90°-Linie befestigen, so dass die lange Seite zur
Lichtquelle weist. Der mittlere Teil des Trapezkör­pers wirkt wie eine planparalelle Platte.

• Höhe der Scheibe so einstellen, dass der einfallen-

de Lichtstrahl auf der 0°-Linie verläuft und nicht
durch den Trapezkörper gebrochen wird.

• Scheibe drehen, so dass der Strahl gebrochen wird.

• Die Richtung des Strahls wird dabei nicht verän-

dert.

3

• Der austretende Strahl ist um den Betrag d verscho-

ben. Bei einer Plattendicke h ergibt sich für d:

α−β

sin

()

=

dh

Versuch 7: Brechung an einem Prisma

7.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Einfachspalt aus U17040

• Sammellinse f = +150 mm U17108

• Optische Scheibe U17128

• Trapezkörper aus U17128

• Rechtwinkliges Prisma aus U17128

• 3 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

7.2 Aufbau

• Experimentierleuchte horizontal auf Position 5 cm

platzieren.

• Objekthalter mit Einfachspalt horizontal auf Posi-

tion 20 cm.

• Sammellinse auf Position 25 cm.

• Optische Scheibe mit Trapezkörper auf kleinem

Reiter auf 40 cm.

7.3 Durchführung

• Trapezkörper auf der Optischen Scheibe auf der

90°-90°-Linie befestigen, so dass der spitze Winkel
nach oben weist.

• Höhe der Scheibe so einstellen, dass der einfallen-

de Lichtstrahl auf der 0°-Linie verläuft.

• Nach Drehen der Scheibe fällt der Lichtstrahl auf

den oberen Teil des Trapezkörpers, der dann als
Prisma fungiert.

• In einem Acrylprisma wird ein einfallender Licht-

strahl im Punkt A hin zum Einfallslot gebrochen.
Am Austrittspunkt B findet die Brechung weg vom
Einfallslot statt. Die Summe aller Brechungswinkel
ist der Ablenkungswinkel δ. Es ist der Winkel zwi­schen dem einfallenden und austretenden Licht­strahl.

• Es kann gezeigt werden, dass der Einfallswinkel α
bei minimalstem Ablenkungswinkel δ

cos

β

gleich dem

min

Austrittswinkel ß ist. Der gebrochene Strahl verläuft
dann im Prisma parallel zu der Seite, die nicht
durchgangen wird.

Versuch 8: Umkehrprisma

8.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Einfach- und Fünffachspalt aus U17040

• Sammellinse f = +150 mm U17108

• Optische Scheibe U17128

• Rechtwinkliges Prisma aus U17128

• 3 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

8.2 Aufbau

• Experimentierleuchte horizontal auf Position 5 cm

platzieren.

• Objekthalter mit Einfach- bzw. Fünffachspalt hori-

zontal auf Position 20 cm.

• Sammellinse auf Position 25 cm.

• Optische Scheibe mit rechtwinkligem Prisma auf

kleinem Reiter auf 40 cm.

8.3 Durchführung

• Rechtwinkliges Prisma auf der Optischen Scheibe

auf der 90°-90°-Linie befestigen, so dass der rechte
Winkel auf der 0°-Linie liegt und zur Lichtquelle
weist.

• Höhe der Scheibe so einstellen, dass der einfallen-

de Lichtstrahl auf der 0°-Linie verläuft.

• Durch Drehen der Scheibe können alle vorher be-

schriebenen Phänomene beobachtet werden.

• Bei einem bestimmten Winkel (Grenzwinkel) wird

der Strahl total reflektiert.

• Durch Einsatz des Fünffachspalts kann gezeigt wer-

den, dass die Strahlen umgekehrt zurückgeworfen
werden.

4

Versuch 9: Konkav und konvex Linsen

9.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Fünffachspalt aus U17040

• Sammellinse f = +150 mm U17108

• Optische Scheibe U17128

• Linsen aus U17128

• 3 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

9.2 Aufbau

• Experimentierleuchte horizontal auf Position 10 cm

platzieren.

• Objekthalter mit Fünffachspalt horizontal auf Po-

sition 22 cm.

• Sammellinse auf Position 27 cm.

• Optische Scheibe mit Linse auf kleinem Reiter.

10.2 Aufbau

• Experimentierleuchte vertikal ganz links platzieren.

• Kondensorlinse f = +50 mm direkt vor die Leuchte

stellen.

• Halter mit Dia auf Position 0. Dia so in den Halter

einsetzen, dass das „F” auf dem Kopf steht.

• Abbildungslinse f = +100 mm auf Position 12 cm.

• Projektionsschirm auf 100 cm.

10.3 Durchführung

• Auf dem Projektionsschirm entsteht eine scharfe

Abbildung des Dias.

• Der Abstand zwischen Abbildungslinse und dem

Objekt (Dia) wird als Gegenstandsweite v bezeich­net.

• Der Abstand zwischen Abbildungslinse und Projek-

tionsschirm ist die Bildweite b.

• In diesem Versuch sind v = 12 cm und b = 88 cm

bei einer Brennweite f = +100 mm. Weitere Werte,
bei denen eine scharfe Abbildung entsteht, sind:

9.3 Durchführung

• Konvex Linse zentrisch auf der optischen Scheibe

platzieren.

• Höhe der Scheibe so einstellen, dass der mittlere

einfallende Lichtstrahl auf der 0°-Linie verläuft.

• Eine konvexe Linse ist eine Sammellinse. Die Licht-

strahlen treffen sich nach Durchgang durch die Lin­se im Brennpunkt F.

• Versuch mit der konkaven Linse wiederholen.

• Die Lichtstrahlen sind divergent nach Durchgang

durch die Linse. Sie bildet kein Objekt ab. Nach
hinten verlängert, treffen sich die Strahlen im vir­tuellen Brennpunkt F’.

Versuch 10: Linsenformel und Vergrößerung

10.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Dia mit Buchstaben „F” aus U17040

• Sammellinse f = +50 mm U17101

• Sammellinse f = +100 mm U17102

• Sammellinse f = +150 mm U17103

• Sammellinse f = +200 mm U17104

• Sammellinse f = +300 mm U17105

• Projektionsschirm U17125

• 4 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

Gegenstandsweite Bildweite

120 mm 880 mm
130 mm 520 mm
200 mm 200 mm
880 mm 120 mm

• Diese Abstände werden durch die Linsenformel

bestimmt:

11 1

+=

bv f

• Die Vergrößerung kann durch den Quotienten b/v

bestimmt werden.

• Versuch mit weiteren Linsen f = +150 mm,

+200 mm, +300 mm durchführen. Dabei ist zu
beachten, dass der Schirm weiter weg stehen muss.

Versuch 11: Linsenformeln und Vergrößerung,
virtuelle Abbildung

11.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Dia mit Buchstaben „F” aus U17040

• Sammellinse f = +50 mm U17101

• Sammellinse f = +100 mm U17102

• Sammellinse f = +150 mm U17103

• Zerstreuungslinse f = –200 mm U17107

• Projektionsschirm U17125

• 4 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

5

11.2 Aufbau

• Experimentierleuchte vertikal ganz links platzieren.

• Kondensorlinse f = +50 mm direkt vor die Leuchte

stellen.

• Halter mit Dia auf Position 0. Dia so in den Halter
einsetzen, dass das „F” auf dem Kopf steht.

• Sammellinsen f = +100 mm und f = +150 mm auf
Position 5 bzw. 25 cm.

• Projektionsschirm auf 55 cm.

11.3 Durchführung

• Auf dem Projektionsschirm entsteht eine doppelt
so große, umgekehrte Abbildung des Dias bei ei­ner Bildweite von 30 cm.

• Nach der Linsenformel beträgt die Gegenstandswei­te dann auch 30 cm.
1/b + 1/v = 1/f ; 1/300 + 1/v = 1/150 v = 300 mm

• Daraus folgt, dass die virtuelle, nicht umgekehrte
Abbildung der Linse f = 100 mm bei –5 liegt (d.h.
5 cm links der 0). Dieses Bild hat die gleiche Größe
wie das auf dem Schirm (b = v = 30 cm; b/v = 1).
Die Bildweite ist dann –10 cm (Bild auf –5 , Linse
auf+5). Der Objektabstand beträgt 5 cm. Die Lin­senformel bestätigt diese Werte:
1/b + 1/v = 1/f ; –1/100 + 1/50 = 1/100 f = 100 mm
Für die Vergrößerung gilt: b/v = 100/–50 = –2

• Wird nun die Zerstreuungslinse f = –200 mm auf
20, die Sammellinse f = +100 mm und der Schirm
auf 50 platziert, entsteht wieder ein umgekehrtes,
halb so großes Bild wie das Dia. Nach der Linsen­formel ist der Objektabstand der Sammellinse
20 cm
1/v = 1/f – 1/b = 1/10 – 1/20 = 1/20
und die Vergrößerung: b/v = 1.

• Für die Zerstreuungslinse ist die Bildweite –10 cm,
gemäß der Linsenformel ist f = –20 cm und die
Vergrößerung b/v = –10/20 = –1/2.

12.2 Aufbau

• Experimentierleuchte vertikal ganz links platzieren.

• Kondensorlinse f = +50 mm direkt vor die Leuchte

stellen.

• Halter mit Dia auf Position 0. Dia so in den Halter

einsetzen, dass das „F” auf dem Kopf steht.

• Abbildungslinse f = +100 mm auf Position 15 cm.

• Projektionsschirm auf 45 cm.

12.3 Durchführung

• Auf dem Projektionsschirm entsteht eine doppelt

so große, umgekehrte Abbildung des Dias. Dieses
Bild wird als virtuelles Bild benutzt, wenn eine an­dere Linse zwischen Schirm und Linse platziert wird.

• Linse f = +150 mm auf Position 30 und Schirm auf

37,5 platzieren.

• Es entsteht ein umgekehrtes, halb so großes Bild

wie das Dia. Der Vergrößerungsfaktor beträgt jetzt
0,5. Die Gegenstandsweite ist –15 cm, die Bildwei­te 7,5 cm. Auch hier ist die Linsenformel anwend­bar:
1/b + 1/v = 1/f ; 1/75 –1/150 = 1/150 f = 150 mm

• Wird nun die Sammellinse f = +150 mm durch die

Zerstreuungslinse f = –200 mm auf Position 35
ausgetauscht, dann entsteht mit dem Schirm auf
Position 55 eine vier mal so große, umgekehrte
Abbildung bei einer Gegenstandsweite von –10 cm
und einer Bildweite von 20 cm. Die Linsenformel
bestätigt diese Werte:
–1/100 + 1/200 = –1/200 f = –200 mm

Versuch 12: Linsenformel und Vergrößerung,
virtuelles Objekt

12.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Dia mit Buchstaben „F” aus U17040

• Sammellinse f = +50 mm U17101

• Sammellinse f = +100 mm U17102

• Sammellinse f = +150 mm U17103

• Zerstreuungslinse f = –200 mm U17107

• Projektionsschirm U17125

• 4 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

Versuch 13: Linsenfehler, sphärische Abberation 1

13.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Fünffachspalt aus U17040

• Sammellinse f = +50 mm U17101

• Sammellinse f = +150 mm U17108

• Irisblende U17010

• Projektionsschirm U17125

• 5 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

13.2 Aufbau

• Experimentierleuchte vertikal auf Position 0 plat-

zieren.

• Linse f = +150 mm auf Position 21 cm stellen.

• Halter mit horizontalem Fünffachspalt auf 26 cm.

• Projektionsschirm auf 50 cm.

6

13.3 Durchführung

• Bei dünnen Linsen werden parallele Lichtstrahlen

am Randbereich und im Mittelteil der Linse unter­schiedlich gebrochen, so dass zwei Brennpunkte
entstehen. Dieses Phänomen wird sphärische Ab­beration genannt.

• Mittels des Fünfachspalts und der Linse werden 5

parallele Lichtstrahlen erzeugt.

• Schirm so entlang der Bank ausrichten, dass die

Strahlen längs des Schirms verlaufen. Gegebenen­falls auch die Leuchte drehen.

• Linse f = +50 mm direkt vor den Schirm platzieren

(auf ca. 36 cm). Der Brennpunkt, die konvergieren­den sowie die divergierenden Strahlen sind jetzt
deutlich sichtbar. Brennpunkt auf dem Schirm
markieren.

• Mittels der Irisblende (auf Position ca. 31 cm) kön-

nen nun die Randstrahlen ausgeblendet werden.
Es ist eine Verschiebung des Brennpunkts be­obachtbar. Zudem ist der Brennpunkt deutlich
schärfer abgebildet.

Versuch 15: Linsenfehler, chromatische Abberat­ion

15.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Lochblende aus U17040

• Sammellinse f = +150 mm U17103

• Projektionsschirm U17125

• 3 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

15.2 Aufbau

• Experimentierleuchte vertikal auf Position 0 plat-

zieren.

• Linse f = +150 mm auf Position 23 cm stellen.

• Projektionsschirm auf 95 cm.

Versuch 14: Linsenfehler, sphärische Abberation 2

14.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Lochblende aus U17040

• Sammellinse f = +50 mm U17101

• Projektionsschirm U17125

• 3 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

14.2 Aufbau

• Experimentierleuchte vertikal auf Position 0 plat-

zieren.

• Linse f = +50 mm auf Position 11 cm stellen.

• Halter mit Lochblende auf 6 cm.

• Projektionsschirm auf 50 cm.

14.3 Durchführung

• Mittels der Linse den Glühdraht der Lampe so scharf

wie möglich auf dem Schirm abbilden.

• Lochblende auf der optischen Bank platzieren.

Durch Ausgrenzung der äußeren Lichtstrahlen ent­steht ein noch schärferes Bild.

• Die Veränderung der Schärfe der Abbildung wird

durch die Verschiebung des Brennpunkts verursacht.

15.3 Durchführung

• Mittels der Linse den Glühdraht der Lampe so scharf

wie möglich auf dem Schirm abbilden.

• Durch Verschieben des Schirms nach rechts verfärbt

sich der Rand der Abbildung bläulich. Wird der
Schirm nach links verschoben, dann geht die Far­be des Rands in den roten Bereich.

• Diese Farbveränderung wird dadurch verursacht,

dass die Lichtstrahlen im Zentrum der Linse und
die am Rand unterschiedlich gebrochen werden.
Dieses Phänomen wird Farbverschiebung oder
chromatische Abberation genannt.

• Wird nun die Lochblende hinter die Linse gestellt

(auf Position 28 cm) entsteht ein sehr scharfes Bild
des Glühdrahts der Lampe ohne Farbverschiebung.

• In der Praxis wird die chromatische Abberation von

Linsen durch eine Kombination von Sammel- und
Zerstreuungslinsen weitgehend beseitigt.

• Linsen ohne sphärische Abberation sind asphäri-

sche Linsen, solche ohne chromatische Abberation
heißen achromatische Linsen.

7

Versuch 16: Modell einer Camera obscura

16.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Dia mit Buchstaben „F” aus U17040

• Sammellinse f = +150 mm U17103

• Projektionsschirm U17125

• 3 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

16.2 Aufbau

• Experimentierleuchte vertikal auf Position 0 plat­zieren.

• Halter mit Dia auf Position 14 cm.

• Linse f = +150 mm auf Position 32 cm stellen.

• Projektionsschirm auf 84 cm.

16.3 Durchführung

• Der Buchstabe „F” wird scharf und umgekehrt auf
dem Schirm abgebildet.

• Linsenfehler können durch das Platzieren der Iris-

blende auf Position 38 cm beseitigt werden.

Versuch 18: Modell eines Mikroskops

18.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Sammellinse f = +50 mm U17101

• Sammellinse f = +100 mm U17102

• Sammellinse f = +150 mm U17103

• Irisblende U17010

• Projektionsschirm U17125

• 5 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

Versuch 17: Modell eines Dia-Projektors

17.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Dia

• Sammellinse f = +50 mm U17101

• Sammellinse f = +100 mm U17102

• Irisblende U17010

• Projektionsschirm U17125

• 5 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

17.2 Aufbau

• Experimentierleuchte vertikal auf Position 0 plat­zieren.

• Kondensorlinse f = +50 mm auf Position 10 cm
stellen.

• Objekthalter auf Position 15 cm. Das Dia muss auf
dem Kopf stehend im Halter sein.

• Linse f = +100 mm auf 27 cm.

• Projektionsschirm auf 100 cm.

18.2 Aufbau

• Experimentierleuchte vertikal auf Position 0 plat-

zieren.

• Objekthalter auf Position 25 cm. Als Objekt dient

eine Münze, die mit Klebeband in der Mitte des
Halters befestigt ist.

• Linse f = +50 mm auf Position 30 cm stellen.

• Linse f = +100 mm auf 54 cm.

• Projektionsschirm auf 100 cm.

18.3 Durchführung

• Die Linse f = +50 mm dient als Objektiv.

• Die Linse f = +100 mm bildet das Objekt scharf

auf dem Schirm ab.

• Beleuchtung ausschalten und Schirm entfernen.

• Die Linse f = +150 mm auf Position 74 cm platzieren.

Sie bildet zusammen mit der Linse f = +100 mm das
Okular.

• Das virtuelle Bild der Münze wird wahrgenommen,

als wenn man durch die Linse f = +150 mm bli­cken würde.

• Die Irisblende auf 35 cm platziert ergibt ein besse-

res Bild.

• Auch transparente Objekte (Präparate) sind einsetz-

bar. Der Vergrößerungsfaktor in diesem Modell ist
nicht sehr groß. In der Praxis sind die Brennpunkt­abstände viel kleiner.

17.3 Durchführung

• Die Linse f = +100 mm dient als Objektiv. Das Dia
wird scharf auf dem Schirm abgebildet. Die Schär­fe des Bilds kann durch Verschieben der Lichtquel­le korrigiert werden.

8

Versuch 19: Modell eines astronomischen Fern­rohrs

19.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Sammellinse f = +100 mm U17102

• Sammellinse f = +300 mm U17105

• 2 Reiter 75 mm U17160

19.2 Aufbau

• Linse f = +100 mm auf Position 0 platzieren.

• Linse f = +300 mm verschiebbar

19.3 Durchführung

• Durch die Linse f = +100 mm ein entferntes Ob-

jekt (wenigstens 10 m) anvisieren.

• Die Linse f = +300 mm auf der Bank verschieben

bis das Objekt scharf zu sehen ist. Das Bild ist um­gekehrt und lichtstark.

Versuch 20: Modell einer Fotokamera

20.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Sammellinse f = +100 mm U17102

• Irisblende U17010

• Projektionsschirm U17125

• 2 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

20.2 Aufbau

• Linse f = +100 mm auf Position 30 cm platzieren.

• Projektionsschirm verschiebbar

20.3 Durchführung

• Die optische Bank auf ein Objekt ausrichten und

durch Verschieben des Schirms in Richtung Linse
eine scharfe Abbildung herstellen. Das Bild steht
auf dem Kopf.

• Durch Platzieren der Irisblende hinter die Linse wird

das Bild schärfer aber auch lichtschwächer. Die Tie­fenschärfe ist hier nicht kritisch.

Versuch 21: Modell eines holländischen Fernrohrs

21.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Zerstreuungslinse f = –100 mm U17106

• Sammellinse f = +300 mm U17105

• 2 Reiter 75 mm U17160

21.2 Aufbau

• Linse f = +300 mm auf Position 30 cm platzieren.

• Linse f = –100 mm verschiebbar

21.3 Durchführung

• Durch die Linse f = –100 mm ein entferntes Objekt

(wenigstens 10 m) anvisieren.

• Die Linse f = +300 mm auf der Bank verschieben

bis das Objekt scharf zu sehen ist. Das Bild ist auf­recht stehend und lichtstark.

Versuch 22: Polarisation, Modell eines Polarime­ters

22.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Objekthalter auf Stiel U17000

• Drehbarer Objekthalter U17001

• Prismentisch U17020

• Sammellinse f = +50 mm U17101

• Sammellinse f = +100 mm U17102

• Rundküvette U14313

• Polarisationsfilter U40129

• Projektionsschirm U17125

• 6 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

22.2 Aufbau

• Experimentierleuchte vertikal auf Position 0 plat-

zieren.

• Linse f = +50 mm auf Position 8,5 cm stellen.

• Objekthalter auf Position 13,5 cm.

• Prismentisch auf Position 20 cm.

• Drehbarer Objekthalter auf 28 cm

• Projektionsschirm auf 100 cm.

22.3 Durchführung

• Auf dem Schirm ist der Glühdraht der Lampe zu

sehen.

• Die beiden Polarisationsfilter aufeinanderlegen und

dann drehen bis sie das meiste Licht durchlassen.
In dieser Position in den Objekthaltern platzieren.

• Der Objekthalter dient als Polarisator, der drehba-

re Halter als Analysator.

• Den drehbaren Halter so lange drehen, bis der Glüh-

draht der Lampe nicht mehr auf dem Schirm zu
sehen ist. Die Filter stehen dann über Kreuz.

• Rundküvette mit einer Zuckerlösung auf dem Pris-

mentisch und die Linse f = +100 mm auf Position
37,5 cm platzieren.

• Durch die Zuckerlösung tritt eine Drehung der Po-

larisationsebene ein, so dass jetzt wieder Licht auf
dem Schirm zu sehen ist.

9

• Abhängig von der Konzentration der Zuckerlösung
muss der Analysator mehr oder weniger gedreht
werden, um Auslöschung zu erreichen.

Versuch 23: Geradsichtprisma, Absorptionsspekt­rum

23.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Experimentierleuchte U17140

• Prismentisch U17020

• Verstellbarer Spalt U17015

• Halter für Geradsichtprisma U17025

• Geradsichtprisma U14020

• Sammellinse f = +50 mm U17101

• Sammellinse f = +100 mm U17102

• Küvette, rechteckig U17129

• Satz Farbfilter U21878

• Projektionsschirm U17125

• 5 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Kaliumpermanganat (KmnO

)

4

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

23.2 Aufbau

• Experimentierleuchte vertikal auf Position 0 plat­zieren.

• Linse f = +50 mm auf Position 8,5 cm stellen.

• Verstellbaren Spalt auf 14 cm.

• Linse f = +100 mm auf Position 8,5 cm.

• Projektionsschirm auf 100 cm.

23.3 Durchführung

• Durch Verschieben der Linse f = +100 mm eine
scharfe Abbildung des Spalts auf dem Schirm er­zeugen. Die Abbildung sollte ca. 3 mm breit sein.

• Geradsichtprisma so im Halter auf Position 26,5 cm
positionieren, dass die geschliffenen Flächen senk­recht stehen und der Lichtstrahl durch deren Mitte
geht. Gegebenenfalls mittels der Lichtquelle und
der Abbildungslinse korrigieren.

• Durch Regelung des verstellbaren Spalts kann das
Spektrum intensiver und schärfer eingestellt wer­den.

• Diese Aufstellung ist die Ausgangsstellung für alle
Versuche mit dem Geradsichtprisma.

• Da die Halogenlampe ein fester Körper ist, handelt
es sich bei dem Spektrum um ein kontinuierliches
Spektrum.

• Wird nun vor das Prisma ein Farbfilter (z.B. rot) plat-

ziert, entsteht im Spektrum an der roten Stelle ein
schwarzes Band. Dieses Spektrum ist ein Absorpti­onsspektrum.

• Statt der Farbfilter kann auch die Küvette, gefüllt

z.B. mit einer Lösung von Kaliumpermanganat in
Wasser, auf dem Prismentisch vor das Prisma ge­stellt werden. Es entstehen dann mehrere schwar­ze Bänder im Spektrum.

Versuch 24: Linienspektrum

24.1 Geräte:

• Optische Bank U17150

• Drossel für Spektrallampen U21905

• Spektrallampen z.B. U13033 HG

• Verstellbarer Spalt U17015

• Halter für Geradsichtprisma U17025

• Geradsichtprisma U14020

• Sammellinse f = +50 mm U17101

• Sammellinse f = +100 mm U17102

• Projektionsschirm U17125

• 5 Reiter 75 mm U17160

• 1 Reiter 30 mm U17161

• Stromversorgung Steckernetzgerät U13900

24.2 Aufbau 1

• Halter mit Spektrallampe auf Position 0 platzieren.

• Linse f = +50 mm auf Position 5 cm stellen.

• Verstellbaren Spalt auf 10 cm.

• Linse f = +100 mm auf Position 21,5 cm.

• Projektionsschirm auf 100 cm.

24.3 Durchführung

• Nach Einschalten der Spektrallampe ungefähr 5

Minuten warten bis die Lampe mit maximaler Licht­stärke leuchtet.

• Durch Verschieben der Linse f = +100 mm eine

scharfe Abbildung des Spalts auf dem Schirm er­zeugen.

• Geradsichtprisma so im Halter auf Position 26,5 cm

positionieren, dass die geschliffenen Flächen senk­recht stehen und der Lichtstrahl durch deren Mitte
geht. Gegebenenfalls mittels der Lichtquelle und
der Abbildungslinse korrigieren.

• Es entsteht ein Linienspektrum von Quecksilber.

• Durch Regelung des verstellbaren Spalts kann das

Spektrum intensiver und schärfer eingestellt wer­den.

10

24.4 Aufbau 2

• Um sehr intensive Linien zu bekommen kann fol-

gender Aufbau vorgenommen werden. Die Spek­trallinien haben dann die gleiche Größe wie der
Spalt.

• Halter mit Spektrallampe auf Position 0 platzieren.

• Linse f = +50 mm auf Position 5 cm stellen.

• Verstellbaren Spalt auf 10 cm.

• Linse f = +100 mm auf Position 21,5 cm.

• Geradsichtprisma auf Position 26,5 cm.

Projektionsschirm auf 50 cm.

3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Deutschland • www.3bscientific.com • Technische Änderungen vorbehalten

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3B SCIENTIFIC®

3B SCIENTIFIC3B SCIENTIFIC

PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

Basic Experiments in Optics on the Optical Bench U17150

Instruction Sheet

1/05 MH

®

Overview of the Experiments:

Experiment 1: Demonstration of the various ray

beams

Experiment 2: Reflection of a ray of light from a plane

mirror

Experiment 3: Reflection of a light beam from a plane

mirror

Experiment 4: Reflection of a light beam from a con-

cave or convex mirror
Experiment 5: Snell's law of refraction
Experiment 6: Refraction of light through a plane-

parallel plate
Experiment 7: Refraction of light through a prism
Experiment 8: Inverting prisms
Experiment 9: Concave and convex lenses
Experiment 10: Lens formula and magnification
Experiment 11: Lens formulas and magnification, vir-

tual image
Experiment 12: Lens formula and magnification, vir-

tual object
Experiment 13: Lens error, spherical aberration 1
Experiment 14: Lens error, spherical aberration 2
Experiment 15: Lens error, chromatic aberration
Experiment 16: Model of a camera obscura
Experiment 17: Model of a slide projector
Experiment 18: Model of a microscope
Experiment 19: Model of an astronomy telescope
Experiment 20: Model of a camera
Experiment 21: Model of a Galileo telescope
Experiment 22: Polarization, model of a polorimeter
Experiment 23: Direct-vision (Amici) prism, absorption

spectrum
Experiment 24: Line spectrum

2. Experiment examples

Experiment 1: Demonstration of various ray
beams

1.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder, shaft-mounted U17000

• Fivefold slit from U17040

• Convex lens f = +150 mm U17108

• Projection screen U17125

• 3 optical riders 75 mm U17160

• 1 optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

1.2 Set up

• Place the experimental lamp horizontally on the

rail at the 10 cm position.

• Place the object holder with five-fold slit horizon-

tally on the rail at the 20 cm position

• Place the convex lens at the 25 cm position.

• Mount the projection screen on the small rider.

1.3 Procedure

• When the convex lens is not used, the ray beam is

divergent.

• When the convex lens is placed at the 25 cm posi-

tion we obtain a parallel beam of rays.

• When the convex lens is moved away from the light

source a converging beam of rays is produced.

1. Safety instructions

• Warning! Lamps become extremely hot when op-

erated for prolonged periods of time.

• Do not clean any of the optical components with

aggressive fluids or solvents. This could cause dam­age!

Experiment 2: Reflection of a ray of light from a
plane mirror

2.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

12

• Object holder, shaft mounted U17000

• Diaphragm with single slit from U17040

• Convex lens f = +150 mm U17108

• Optical disc U17128

• Plane mirror from U17128

• 3 optical riders 75 mm U17160

• 1 optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply U13900

2.2 Set up

• Place the experimental lamp horizontally on the

rail at the 10 cm position.

• Place the object holder with single-slit diaphragm

horizontally on the rail at the 20 cm position.

• Place the concave lens at the 25 cm position.

• Mount the optical disc with plane mirror on a small

optical rider at the 40 cm position.

2.3 Procedure

• Fasten the plane mirror mounted on the optical

disc to the 90° to -90° line.

• Set the height of the disc so that the incident light

ray is reflected from the 0° line.

• By rotating the disc we can verify the law of reflec-

tion, which states that the angle of incidence is
equal to the angle of reflection.

• Attach the optical disc with plane mirror to the

small rider positioned at 40 cm.

3.3 Procedure

• Attach the plane mirror on the optical disc at the

90°-90° line.

• Adjust the height of the disc so that the middle ray

of light propagates along the 0° line and all rays
are reflected into each other.

• By rotating the disc it is demonstrated that a paral-

lel incident beam of light is also parallel after be­ing reflected.

• By moving the lens away from the light source it

can be demonstrated that a converging light beam
is also reflected as a converging light beam.

• Without the use of the convex lens it can be dem-

onstrated that a divergent light beam also diverges
upon reflection.

Experiment 3: Reflection of a light beam from a
plane mirror

3.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder, shaft-mounted U17000

• Fivefold slit from U17040

• Convex lens f = +150 mm U17108

• Optical disc U17128

• Plane mirror from U17128

• 3 optical riders 75 mm U17160

• 1 optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

3.2 Set up

• Place the experimental lamp horizontally on the

rail at the 10 cm position.

• Place the object holder with the five-fold slit at the

20 cm position.

• Place the convex lens at the 25 cm position.

Experiment 4: Reflection of a light beam from a
concave or convex mirror

4.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder, shaft-mounted U17000

• Fivefold slit from U17040

• Concave lens f = +150 mm U17108

• Optical disc U17128

• Mirror from U17128

• 3 optical riders 75 mm U17160

• 1 optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply U13900

4.2 Set up

• Place the experimental lamp horizontally on the

rail at the 10 cm position.

• Place the object holder with five-fold slit horizon-

tally on the rail at the 20 cm position.

• Place the convex lens at the 25 cm position.

• Place the optical disc with convex mirror on the

small rider at the 40 cm position.

4.3 Procedure

• Fasten the concave mirror on the optical disc on

the 90°-90° line.

• Adjust the height of the disc so that the middle ray

of light travels along the 0° line and is reflected
into itself.

13

• Use the lens to generate a parallel beam.

• The incidenting rays are reflected so that they all

pass through and converge at a single point F. This
point is the focal point of the mirror.

• Repeat the experiment with converging and diverg-

ing light beams.

• Result: a concave mirror causes the rays to converge.

• Rotate the optical disc by 180° so that the incident

rays are reflected by the convex mirror. Carry out
the same procedural steps as stated above.

• A convex mirror causes the rays to diverge.

Experiment 5: Snell's law of refraction

5.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder, shaft-mounted U17000

• Diaphragm with single slit from U17040

• Concave lens f = +150 mm U17108

• Optical disc U17128

• Semi-circular body from U17128

• 3 optical riders 75 mm U17160

• 1 optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

refracted away from the normal at the point of in­cidence.

• When the light ray passes from one medium with

the refractive index n1 to another medium with the
refractive index n2 its directional change is deter­mined by Snell's law of refraction:
sin α / sin ß = constant or sin α / sin ß = n
α is the angle of incidence in medium n

/ n

2

and ß is

1

the angle of refraction in medium n2.

• The bigger the angle of incidence is, the larger the

angle of refraction becomes. If n1 < n2, there is a
critical angle α. At this angle the refracted ray of
light is refracted along the interface between two
media. If the angle of incidence is greater than the
critical angle, then there is no longer any refrac­tion and all light is reflected. This case is referred
to as total internal reflection.

1

5.2 Set up

• Place the experimental lamp horizontally on the

rail at the 10 cm position.

• Place the object holder with single slot diaphragm

horizontally on the rail at the 20 cm position.

• Place the concave lens at the 25 cm position.

• Mount the optical disc with semi-circular body on

the small rider at the 40 cm position.

5.3 Procedure

• Fasten the semi-circular body on the optical disc

on the 90°-90° line so that the plane side is facing
the light source.

• Adjust the height of the disc so that the incident-

ing light ray propagates along the 0° line and is
incident at the precise center of the semicircular
body. The ray of light then propagates uninterrupt­ed along the 0° line.

• When the disc is rotated, the light ray is refracted

toward the normal at the point of incidence.

• The disc is now rotated by 180° so that the convex

disc is facing the light source. The light ray is now

Experiment 6: Refraction in a plane-parallel plate

6.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder shaft-mounted U17000

• Diaphragm with single slit from U17040

• Concave lens f = +150 mm U17108

• Optical disc U17128

• Trapezoidal body from U17128

• 3 Optical rider 75 mm U17160

• 1 Optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

6.2 Set up

• Place the experimental lamp horizontally on the

rail at the 5 cm position.

• Set up the object holder including diaphragm with

single slit at the 20 cm position.

• Place the concave lens at the 25 cm position.

• Set up the optical disc with trapezoidal body on

the small optical rider at the 40 cm position.

14

6.3 Procedure

• Fasten the trapezoidal body on the optical disc

along the 90° to -90° line so that its long side faces
the light source. The middle section of the trape­zoidal body acts like a plane-parallel plate.

• Adjust the height of the disc so that the incident-

ing light beam propagates on the 0° line and is not
refracted by the trapezoidal body.

• Rotate the disc so that the beam is now refracted.

• The direction of the outgoing light ray is not al-

tered.

• The outgoing light ray is nevertheless diverted from

its original path by a distance d. For a plate of h
density, this gives the following for d:

α−β

sin

()

=

dh

Experiment 7: Refraction at a prism

7.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder shaft-mounted U17000

• Diaphragm with single slit from U17040

• Concave lens f = +150 mm U17108

• Optical disc U17128

• Trapezoidal body from U17128

• Right-angled prism from U17128

• 3 Optical rider 75 mm U17160

• 1 Optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

7.2 Set up

• Place the experimental lamp at the 5 cm position.

• Set up the object holder with diaphragm including

single slit at the 20 cm position.

• Place the concave lens at the 25 cm position.

• Set the optical disc with trapezoidal body on the

small optical rider at the 40 cm position.

7.3 Procedure

• Fasten the trapezoidal body onto the optical disc

along the 90° to -90° line so that the pyramid points
upwards.

• Adjust the height of the disc so that the incident

light ray travels on the 0° line.

• After the disc is rotated, the light ray incidents on

the upper section of the trapezoidal body, which
now functions, like a prism.

cos

β

• In an acrylic prism the light ray incident at point A

is refracted from the axis of incidence. At the emerg­ing point B the ray is refracted away from the axis
of incidence. The sum total of all refraction angles
is called the deflection angle δ. This is the angle
between the incident and emerging light rays.

• It can be demonstrated that the incident angle α
at the minimum deflection angle δ
the emerging angle ß. The refracted ray then prop­agates inside the prism parallel to the side, which
is not passed through.

Experiment 8: Inverting prisms

8.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder shaft-mounted U17000

• Diaphragm with single and fivefold slit from U17040

• Concave lens f = +150 mm U17108

• Optical disc U17128

• Right-angled prism from U17128

• 3 Optical rider 75 mm U17160

• 1 Optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

8.2 Set up

• Place the experimental lamp horizontally on the
rail at the 5 cm position.

• Place the object holder including a diaphragm with
single or five-fold slot horizontally on rail at the
20 cm position.

• Set up the concave lens at the 25 cm position.

• Set the optical disc with right-angled prism on the

small optical rider at the 40 cm position.

8.3 Procedure

• Fasten the right-angled prism on the optical disc
along the 90°-90° line so that the right angle is lined
up with the 0° line and faces the light source.

• Adjust the height of the disc so that the incident
light beam propagates on the 0° line.

• By rotating the disc all of the previously described
phenomena can be observed.

• At a certain angle (limiting angle) the ray is subject
to total internal reflection.

• Using the diaphragm with fivefold slit, it can be
demonstrated that the rays can be reflected back
in the direction from which they came.

is equal to

min

15

Experiment 9: Concave and convex lenses

9.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder shaft-mounted U17000

• Diaphragm with fivefold slit from U17040

• Concave lens f = +150 mm U17108

• Optical disc U17128

• Lenses from U17128

• 3 Optical rider 75 mm U17160

• 1 Optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

• Object holder, shaft-mounted U17000

• Slide with letter “F” from U17040

• Concave lens f = +50 mm U17101

• Concave lens f = +100 mm U17102

• Concave lens f = +150 mm U17103

• Concave lens f = +200 mm U17104

• Concave lens f = +300 mm U17105

• Projection screen U17125

• 4 optical rider 75 mm U17160

• 1 optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

10.2 Set up

• Place the experimental lamp vertically on the rail

at the left-hand end.

• Situate the condensing lens f = +50 mm directly in

front of the lamp.

• Insert the slide into the holder at the 0 position.

The slot is inserted in the holder so that the letter
“F” is upside down.

• Place the imaging lens f = +100 at the 12 cm posi-

tion.

• Set up the projection screen at 100 cm.

9.2 Set up

• Place the experimental lamp horizontally on the

rail at the 10 cm position.

• Set the object holder up with fivefold slit horizon-

tally on the rail at the 22 cm position.

• Place the concave lens at the 27 cm position.

• Set up the optical disc with lens on the small opti-

cal rider.

9.3 Procedure

• Place the convex lens in a central position on the

optical disc.

• Adjust the height of the disc so that the center of

the incident light beam propagates on the 0° line.

• A convex lens is a converging lens. After passing

through the medium the light rays all converge at
the focal point F.

• Repeat the experiment using the concave lens.

• The light rays diverge after passing through the lens.

No image of an object emerges. Tracing the diver­gent rays backwards one arrives at a virtual focal
point F' where these lines meet.

10.3 Procedure

• A sharp image of the slide appears on the projec-

tion screen.

• The distance between the imaging lens and the

object (slide) is referred to as the object distance v.

• The distance between the imaging lens and the

projection screen is called the image distance b.

• In this experiment we have v = 12 cm and b = 88 cm

at a focal length f = +100 mm. Additional values
which result in the production of a sharp image
are:

Object distance Image distance

120 mm 880 mm
130 mm 520 mm
200 mm 200 mm
880 mm 120 mm

• These distances are determined by the lens formu-

la:

11 1

+=

bv f

• The magnification can be determined by the ratio

b/v.

• Perform the experiment with additional lenses

f = +150 mm, +200 mm, +300 mm. At the same
time be sure to move the screen further and fur­ther away.

Experiment 10: Lens formula and magnification

10.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

16

Experiment 11: Lens formula and magnification,
virtual images

11.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder, shaft-mounted U17000

• Slide with letter “F” from U17040

• Concave lens f = +50 mm U17101

• Concave lens f = +100 mm U17102

• Concave lens f = +150 mm U17103

• Diverging lens f = –200 mm U17107

• Projection screen U17125

• 4 optical riders 75 mm U17160

• 1 optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

Experiment 12: Lens formula and magnification,
virtual object

12.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder, shaft-mounted U17000

• Slide with letter “F” from U17040

• Concave lens f = +50 mm U17101

• Concave lens f = +100 mm U17102

• Concave lens f = +150 mm U17103

• Diverging lens f = –200 mm U17107

• Projection screen U17125

• 4 Optical rider 75 mm U17160

• 1 Optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

11.2 Set up

• Place the experimental lamp vertically on the rail

at the left end position.

• Set up the converging lens f = +50 mm directly in

front of the lamp.

• Place the holder with slide at the 0 position, insert-

ing the slide into the holder so that the “F” is up­side down.

• Place the concave lenses f = +100 mm and

f = +150 mm at the 5 or 25 cm positions.

• Set the projection screen up at the 55 cm position.

11.3 Procedure

• An inverse image of the slide twice the size of the

original is produced at a focal length of 30 cm.

• According to the lens equation the object distance

then also amounts to 30 cm.
1/b + 1/v = 1/f ; 1/300 + 1/v = 1/150 v = 300 mm

• We conclude from this that the virtual, non-invert-

ed image of the lens f = 100 mm lies at –5 (i.e 5 cm
left of 0). This image is the same size as the one on
the screen (b = v = 30 cm; b/v = 1). The focal length
is therefore –10 cm (image at –5 , lens at +5). The
object distance amounts to 5 cm. The lens equa­tion verifies these values:
1/b + 1/v = 1/f ; –1/100 + 1/50 = 1/100 f = 100 mm
The following holds true for the magnification:
b/v = 100/–50 = –2

• If the diverging lens f = –200 mm is now placed at

the 20 cm position, the concave lens f = +100 mm
and the screen placed at 50, an inverted image is
produced, which is half as large as that on the slide.
According to the lens equation the object distance
to the concave lens is 20 cm
1/v = 1/f – 1/b = 1/10 – 1/20 = 1/20
and the magnification is: b/v = 1.

• For the diverging lens the image distance is –10 cm,

according to the lens formula, we obtain f = –20 cm
and a magnification b/v = –10/20 = –1/2.

12.2 Set up

• Place the experimental lamp vertically on the rail
and to the far left-hand end.

• Set condenser lens f = +50 mm directly in front of
the lamp.

• Set up the holder with slide at the 0 position, there­by inserting the slide into the holder so that the
letter “F” is upside down.

• The imaging lens f = +100 mm is placed at the
15 cm position.

• The projection screen is set up at 45 cm.

12.3 Procedure

• An inverted image of the slide is produced on the
projection screen that is twice as big as the image
on the slide. This image is used as a virtual image
when another lens is placed between the screen
and the lens.

• Place the lens f = +150 mm at the 30 cm position
and the screen at the 37.5 cm position.

• An inverted image of the slide is produced which is
half the size of the image on the slide. The magni­fication factor now amounts to 0.5. The object dis­tance is –15 cm, the image distance 7.5 cm. The
lens formula is applicable here too:
1/b + 1/v = 1/f ; 1/75 –1/150 = 1/150 f = 150 mm

• If the concave lens f = +150 mm is now replaced
by a diverging lens f = –200 mm at the 35 cm posi­tion, an inverted image is produced on the screen
at the 55 cm position which is four times as large
as the slide for an object distance of –10 cm and
an image distance of 20 cm. The lens formula ver­ifies these values:
–1/100 + 1/200 = –1/200 f = –200 mm

17

Experiment 13: Lens error, spherical aberration 1

13.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder, shaft-mounted U17000

• Diaphragm with five-fold slot from U17040

• Concave lens f = +50 mm U17101

• Concave lens f = +150 mm U17108

• Iris U17010

• Projection screen U17125

• 5 optical riders 75 mm U17160

• 1 optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

13.2 Set up

• Place the experimental lamp vertically on the rail

at the 0 position.

• Set up the lens f = +150 mm at the 21 cm position.

• Place the holder with horizontal fivefold slit at the

26 cm position.

• Position the projection screen at 50 cm.

13.3 Procedure

• In thin lenses parallel light rays are refracted dif-

ferently at the areas around the edge and in the
middle section of the lens so that more than one
focal points arise. This phenomenon is referred to
as spherical aberration.

• 5 parallel light beams are produced using the five-

fold slot and the lens.

• Realign the screen on the optical bench so that the

beam runs along the face of the screen. If neces­sary, rotate the lamp as well.

• Place the lens f = +50 mm directly in front of the

screen (at approx. 36 cm). The focal point, the con­verging and diverging rays are now clearly visible.
Note the position of the focal point on the screen.

• Using the iris (at a position of approx. 31 cm) the

rays around the edges can now be blocked out. It is
possible now to observe a shift of the focal point
and the focal point is considerably sharper in fo­cus.

• 1 optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

14.2 Set up

• Place the experimental lamp vertically on the rail

at the 0 position.

• Set up the lens f = +50 mm at the 11 cm position.

• Place the holder with the iris at the 6 cm position.

• Set up the projection screen at the 50 cm position.

14.3 Procedure

• Use the lens to focus the image of the lamp's fila-

ment as sharply as possible on the screen.

• Place the apertured diaphragm on the optical

bench. An even sharper image is produced by elim­inating the light rays around the edges.

• The change in the image's sharpness is caused by a

shift of the focal point.

Experiment 15: Lens error chromatic aberration

15.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder, shaft-mounted U17000

• Apertured diaphragm from U17040

• Concave lens f = +150 mm U17103

• Projection screen U17125

• 3 optical riders 75 mm U17160

• 1 optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

15.2 Set up

• Place the experimental lamp vertically on the rail

at the 0 position.

• Set the lens f = +150 mm up at the 23 cm position.

• Position the projection screen at 95 cm.

Experiment 14: Lens error, spherical aberration 2

14.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder, shaft-mounted U17000

• Apertured diaphragm U17040

• Concave lens f = +50 mm U17101

• Projection screen U17125

• 3 optical rider 75 mm U17160

15.3 Procedure

• Use the lens to focus the image of the lamp's fila-

ment as sharply as possible on the screen.

• By shifting the screen to the right the edge of the

image turns a shade of blue. If the screen is shifted
to the left, then the color of the edge starts turning
a shade of red.

• This color change is caused by the fact that the light

rays in the center of the lens are refracted differ­ently than the ones on the edge of the lens. This
phenomenon is called color shift or chromatic ab­erration.

• If the apertured diaphragm is placed behind the

lens (at the 28 cm position) an extremely sharply
focused image of the lamp filament appears with­out chromatic aberration.

18

• In actual practice the chromatic aberration of lenses

is eliminated to large degree by a combination of
converging and diverging lenses.

• Lenses without spherical aberration are called as-

pherical lenses while those without chromatic ab­erration are called achromatic lenses.

Experiment 16: Model of a camera obscura

16.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder, shaft-mounted U17000

• Slide with the letter “F” from U17040

• Concave lens f = +150 mm U17103

• Projection screen U17125

• 3 optical riders 75 mm U17160

• 1 optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

16.2 Set up

• Place the experimental lamp vertically at the 0 po-

sition.

• Set the holder with slide up at the 14 cm position.

• Place the lens f = +150 mm at the 32 cm position.

• Set up the projection screen at the 84 cm position.

16.3 Procedure

• The letter “F” is produced on the screen in a sharp

and inverted image.

17.2 Set up

• Place the experimental lamp vertically at the 0 po­sition.

• Set up the condenser lens f = +50 mm at the 10 cm
position.

• Place the object holder at the 15 cm position. The
slide must be inserted into the holder upside down.

• Position the lens f = +100 mm at 27 cm.

• Position the projection screen at 100 cm.

17.3 Procedure

• The lens f = +100 mm serves as the lens (objec-
tive). The slide is reproduced as a sharp image on
the screen. The sharpness of the image can be cor­rected by shifting the position of the light source.

• Lens errors can be eliminated by placing the iris at
the 38 cm position.

Experiment 18: Model of a microscope

18.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder, shaft-mounted U17000

• Concave lens f = +50 mm U17101

• Concave lens f = +100 mm U17102

• Concave lens f = +150 mm U17103

• Iris U17010

• Projection screen U17125

• 5 optical riders 75 mm U17160

• 1 optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

Experiment 17: Model of a slide projector

17.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder, shaft-mounted U17000

• Slide

• Concave lens f = +50 mm U17101

• Concave lens f = +100 mm U17102

• Iris U17010

• Projection screen U17125

• 5 optical riders 75 mm U17160

• 1 optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

18.2 Set up

• Place the experimental lamp vertically at the 0 po­sition.

• Set up the object holder at the 25 cm position. A
coin serves as the object. This can be attached to
the center of the holder using adhesive tape.

• Place lens f = +50 mm at the 30 cm position.

• Set the lens f = +100 mm up at the 54 cm position.

• Set the projection screen up at the 100 cm posi-

tion.

18.3 Procedure

• Lens f = +50 mm serves as the objective.

• Lens f = +100 mm reproduces a sharp image of

the object on the screen.

• Switch the light off and remove the screen.

• Place the lens f = +150 mm at the 74 cm position.

In conjunction with the lens f = +100 mm it forms
the ocular.

• The virtual image of the coin can be perceived as if
one were looking through the lens f = +150 mm.

19

• When the iris is positioned at 35 cm a much im-

proved image is obtained.

• Even transparent objects (preparations) can be de-

ployed. The magnification factor in this model is
not very large. In practice the focal lengths are much
smaller.

Experiment 19: Model of an astronomy telescope

19.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Concave lens f = +100 mm U17102

• Concave lens f = +300 mm U17105

• 2 optical riders 75 mm U17160

19.2 Set up

• Place lens f = +100 mm at the 0 position.

• The lens f = +300 mm is moveable

Experiment 21: Model of a Galileo telescope

21.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Diverging lens f = –100 mm U17106

• Concave lens f = +300 mm U17105

• 2 optical riders 75 mm U17160

21.2 Set up

• Place lens f = +300 mm at the 30 cm position.

• Lens f = –100 mm remains moveable

21.3 Procedure

• Use the lens f = –100 mm to sight a distant object

(at least 10 m).

• Slide the lens f = +300 mm on the bench until the

object is sharply focused. The image appears up­right and bright.

19.3 Procedure

• Sight a distant object (at least 10 m) using the lens

f = +100 mm.

• Slide the lens f = +300 mm along the bench until

the object can be seen in sharp focus. The image is
inverted and bright.

Experiment 20: Model of a camera

20.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Concave lens f = +100 mm U17102

• Iris U17010

• Projection screen U17125

• 2 optical riders 75 mm U17160

• 1 optical rider 30 mm U17161

20.2 Set up

• Place the lens f = +100 mm at the 30 cm position.

• The projection screen is moveable

20.3 Procedure

• The optical bench is lined up with an object and by

sliding the screen in the direction of the lens a sharp
image is produced. The image is upside down.

• By placing the iris behind the lens the image be-

comes more sharply focused but also less bright.
The depth of focus is not critical here.

Experiment 22: Polarization, model of a polarime­ter

22.1 Equipment:

• Optical bench U17150

• Experimental lamp U17140

• Object holder, shaft-mounted U17000

• Rotating object holder U17001

• Prism table U17020

• Concave lens f = +50 mm U17101

• Concave lens f = +100 mm U17102

• Round cells U14313

• Polarization filter U40129

• Projection screen U17125

• 6 optical riders 75 mm U17160

• 1 optical rider 30 mm U17161

• Plug-in power supply unit U13900

22.2 Set up

• Place the experimental lamp vertically on the rail

at the 0 position.

• Set up the lens f = +50 mm at the 8.5 cm position.

• Place the object holder at the 13.5 cm position.

• Place the prism table at the 20 cm position.

• Set up the rotating object holder at the 28 cm posi-

tion

• The projection screen is positioned at 100 cm.

22.3 Procedure

• The lamp's filament can be seen on the screen.

20