Wassertropfen-Mikroskop
Ein Wassertropfen auf einem steifen, durchsichtigen Kunststoff, der ein paar Millimeter über einem bedruckten Blatt liegt, wirkt wie eine Sammellinse und vergrößert die Buchstaben 2- bis 10-fach. Kleine, runde Tropfen vergrößern stärker als große, flache.
Was das Kind lernt
- Dass Licht abgelenkt wird (Brechung), wenn es von Luft in Wasser übergeht, und dass eine gewölbte Oberfläche die Strahlen bündelt: eine Sammellinse.
- Dass eine Linse umso kürzere Brennweite hat und umso stärker vergrößert, je stärker sie gewölbt ist (kleiner Radius).
- Dass eine Lupe nur vergrößert, wenn der Gegenstand näher als die Brennweite ist; weiter weg wird das Bild unscharf und steht auf dem Kopf.
- Eine Vergrößerung abzuschätzen, indem man die Millimeter eines Rasters zählt, die man durch den Tropfen sieht.
Vorher vorbereiten
- Drucke die Testkarte B bei 100 % aus und prüfe, ob das Lineal 100 mm misst.
- Wasch den Kunststoff mit Wasser (ohne Spülmittel oder sehr gut nachgespült) und trockne ihn ab.
- Schneide den Kunststoff mit der Schere zu, sodass die Kanten glatt sind (stammt er von einer Blisterverpackung, entfernt der Erwachsene die scharfkantigen Stellen).
- Such dir einen Tisch mit gutem Licht: von der Seite und nicht im Gegenlicht.
Materialien und Werkzeuge
- Steifer, durchsichtiger Kunststoff — 1 Stück ≈ 100 × 80 mm
glatt und ohne Kratzer, 0,3–1,5 mm: Deckel einer CD-Hülle, Fenster einer Blisterverpackung, Becherdeckel oder feste Klarsichthülle - Strohhalm — 1
für große Tropfen - Zahnstocher — 1
für kleine Tropfen (die nasse Spitze hinterlässt Tropfen von Ø 2–4 mm) - Wasser — 1 kleines Glas
sauberes Leitungswasser - Blatt mit kleiner Schrift — 1
druckbare Testkarte (Teil B) oder eine Zeitung - Wellpappe — 1 Stück 130 × 80 mm
3 mm, für 8 Abstandshalter von 15 × 80 mm - Küchenpapier — 2 Blatt
zum Trocknen und Säubern des Kunststoffs zwischen den Versuchen - Speiseöl — 1 Tropfen (optional)
um den Kunststoff einzureiben, damit die Tropfen runder bleiben; und für das Öl-Experiment
Werkzeuge
- Schere — Kunststoff und Abstandshalter zuschneiden
- Lineal — Tropfengröße und Höhe messen
- Taschenlampe oder Schreibtischlampe — das Blatt von der Seite beleuchten
Teile und Vorlagen
- A · Abstandshalter ×8 — Wellpappe 3 mm
- B · Testkarte ×1 — Papier
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Schritt für Schritt
Schneide die Abstandshalter zu
Schneide 8 Abstandshalter aus Karton von 15 × 80 mm zu (Vorlage A). Jeder ist 3 mm dick; hat dein Karton eine andere Dicke, miss sie mit dem Lineal und schreib sie auf.
1 Zeichne 8 Streifen von 15 mm auf einen Karton von 130 × 80 mm 2 Schneide an den Linien entlang, einen nach dem anderen 3 Du hast 8 Abstandshalter A; jeder hebt um 3 mm an Bau den Lupenstand auf
Leg die Testkarte B auf den Tisch. Stell auf jede Seite einen Stapel aus 2 Abstandshaltern, 60 mm voneinander entfernt, und leg den Kunststoff wie eine Brücke über die Karte darauf. Der Kunststoff liegt dann 6 mm über dem Papier.
1 Stell auf jede Seite der Karte einen Stapel aus 2 Abstandshaltern, 60 mm auseinander 2 Leg den Kunststoff darauf, wie eine Brücke über die Karte 3 Der Kunststoff liegt 6 mm über dem Papier und wackelt nicht Prüfe: Der Kunststoff darf das Papier nicht berühren und nicht wackeln.Bereite den Kunststoff vor
Gib einen Tropfen Öl auf ein Stück Küchenpapier, reib damit die Oberseite des Kunststoffs ein und wisch mit trockenem Papier nach, bis kein Fett mehr zu sehen ist. So bleiben die Tropfen runder.
1 Gib einen Tropfen Öl auf ein Stück Küchenpapier 2 Reib die Oberseite des Kunststoffs mit dem Papier ein 3 Wisch mit trockenem Papier nach: So bleiben die Tropfen rund Tipp: Wenn du lieber kein Öl nehmen willst, reicht es, wenn der Kunststoff sauber und gut trocken ist.Setz einen kleinen Tropfen auf
Tauch die Spitze des Zahnstochers 5 mm ins Wasser und tippe genau über dem 1-mm-Buchstaben auf den Kunststoff, ohne zu ziehen. Es bleibt ein Tropfen von etwa 3–4 mm Durchmesser.
1 Tauch 5 mm der Zahnstocherspitze ins Wasser 2 Tippe über dem 1-mm-Buchstaben auf den Kunststoff, ohne zu ziehen 3 Von der Seite: Er muss wie eine halbe Perle aussehen, nicht wie eine Pfütze Prüfe: Sieh ihn dir von der Seite auf Tischhöhe an: Er muss wie eine halbe Perle aussehen, nicht wie eine flache Pfütze.Schau hindurch und passe die Höhe an
Geh mit einem Auge auf 5–10 cm an den Tropfen heran und schließ das andere. Wenn der Buchstabe groß und scharf aussieht: perfekt. Ist er unscharf oder steht auf dem Kopf, nimm auf jeder Seite einen Abstandshalter weg (3 mm); vergrößert er kaum, leg einen dazu.
1 Schau mit einem Auge aus 5–10 cm: Der Buchstabe muss groß und scharf sein 2 Unscharf oder auf dem Kopf? Nimm auf jeder Seite einen Abstandshalter weg 3 Vergrößert er kaum, leg auf jeder Seite einen dazu Tipp: Die beste Höhe ist die höchste, bei der der Buchstabe noch aufrecht und scharf ist.Setz einen großen Tropfen auf
Steck den Strohhalm 2 cm ins Wasser, halt das obere Ende mit dem Finger zu, zieh ihn heraus und lass einen großen Tropfen auf einen anderen Buchstaben fallen (etwa 8–10 mm Durchmesser). Vergleiche ihn bei gleicher Höhe mit dem kleinen.
1 Steck den Strohhalm 2 cm ins Wasser und halt das Ende mit dem Finger zu 2 Lass einen großen Tropfen auf einen anderen Buchstaben fallen 3 Der große zeigt mehr Buchstaben, vergrößert sie aber weniger Prüfe: Der große Tropfen zeigt mehr Buchstaben, vergrößert sie aber weniger.Miss die Vergrößerung
Miss mit dem Lineal der Karte den Durchmesser des kleinen Tropfens (zum Beispiel 4 mm). Ohne Kunststoff oder Abstandshalter zu bewegen, schieb die Karte langsam darunter durch, bis das Raster genau unter dem Tropfen liegt (bei mittig liegender Karte verdeckt es ein Abstandshalter). Zähle, wie viele 1-mm-Kästchen du im Tropfen von Rand zu Rand siehst (zum Beispiel 1). Teile: 4 ÷ 1 = der Tropfen vergrößert etwa 4-fach.
1 Miss mit dem Lineal der Karte den Durchmesser des Tropfens 2 Schieb die Karte, bis das Raster unter dem Tropfen liegt, und zähle die Kästchen 3 Teile: 4 mm durch 1 Kästchen, der Tropfen vergrößert 4-fach Tipp: Zieh die Karte mit zwei Fingern an einem Rand: Wenn du den Kunststoff berührst, verrutscht oder zerläuft der Tropfen.Erkunde echte Gegenstände
Nimm die Karte weg und leg ein Pflanzenblatt, ein Haar, Salz, Zucker oder das eingeschaltete Handydisplay darunter. Such die Details: Blattadern, würfelförmige Salzkristalle, bunte Pünktchen des Displays.
1 Nimm die Karte weg und leg ein Blatt, ein Haar oder Salz darunter 2 Such die Blattadern, die Salzwürfel und die Farbpunkte Aufräumen
Trockne den Kunststoff mit Küchenpapier und bewahre ihn in einem Umschlag auf, damit er nicht zerkratzt. Auf zerkratztem Kunststoff verformen sich die Tropfen und das Bild wird schlechter.
1 Trockne den Kunststoff gut mit Küchenpapier 2 Bewahre ihn in einem Umschlag auf, damit er nicht zerkratzt
Funktioniert es? Der Test
Vergleiche bei 6 mm Höhe einen Tropfen von 3–4 mm (Zahnstocher) und einen von 8–10 mm (Strohhalm) über dem 1-mm-Raster.
Was passieren soll: Der kleine Tropfen vergrößert etwa 4- bis 8-fach (in 4 mm Tropfen sieht man weniger als 1 mm Raster); der große etwa 1,5- bis 2,5-fach. Buchstaben von 0,7 mm lassen sich durch den kleinen Tropfen mühelos lesen. Liegt der Kunststoff direkt auf dem Papier, sinkt die Vergrößerung auf ≈ 1,2-fach.
Wenn etwas nicht klappt
- Der Tropfen breitet sich wie eine Pfütze aus — Kunststoff mit Spülmittelresten oder sehr saugfähig. Lösung: Spül gut mit Wasser nach, trockne ab und reib eine Spur Öl ein; probiere einen anderen Kunststoff (CD-Hüllen funktionieren sehr gut).
- Unscharf oder auf dem Kopf — Der Kunststoff ist weiter vom Blatt entfernt als die Brennweite des Tropfens. Lösung: Nimm Abstandshalter weg, bis der Buchstabe aufrecht steht, oder nimm einen größeren Tropfen.
- Er vergrößert kaum — Kunststoff liegt auf dem Papier oder Tropfen zu groß und flach. Lösung: Heb den Kunststoff um 3–6 mm an und nimm kleine Zahnstochertropfen.
- Die Buchstaben sind am Rand verzerrt — Der Tropfen ist keine perfekte Linse: Nur die Mitte gibt ein gutes Bild. Lösung: Schau durch die Mitte des Tropfens und geh mit dem Auge näher heran; bei stark gewölbten Linsen ist das normal.
- Der Tropfen verrutscht oder zerläuft — Kunststoff liegt schräg oder bewegt sich beim Berühren. Lösung: Prüfe, ob die Abstandshalter auf beiden Seiten gleich hoch sind, und berühr den Kunststoff nicht, während du hindurchschaust.
Sicherheit
- Die Kanten von Blisterverpackungen und zugeschnittenem Kunststoff können schneiden: Der Erwachsene schneidet zu und rundet die Ecken ab.
- Schau niemals durch einen Tropfen oder eine Lupe in die Sonne, und lass Lupen oder Tropfen nicht in der Sonne auf Papier liegen: Sie bündeln das Licht und können etwas anbrennen.
- Wenn du eine Glasscheibe verwendest, handhabt sie ein Erwachsener, und sie liegt immer auf dem Tisch.
- Wisch verschüttetes Wasser in der Nähe von Steckdosen, Lampen oder dem Handy sofort auf.
Die Wissenschaft dahinter
Für die Kinder
Licht läuft geradeaus, aber wenn es ins Wasser kommt, knickt es ein kleines bisschen ab, wie ein Auto, das vom Asphalt in den Sand fährt. Ein Tropfen ist oben schön rund, deshalb lenkt er alle Strahlen zur Mitte hin, genau wie eine Lupe aus Glas. Dein Auge glaubt, die Strahlen kämen von einem viel größeren Buchstaben, und deshalb siehst du ihn riesig. Ganz kleine Tropfen sind runder und lenken das Licht stärker ab: Deshalb vergrößern sie mehr.
Für Erwachsene
Beim Übergang von Luft (n = 1) zu Wasser (n = 1,33) wird Licht nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz gebrochen. Ein Tropfen auf einer Platte ist eine plankonvexe Linse, deren Krümmungsradius R von der Tropfengröße und dem Kontaktwinkel abhängt: Für eine Grundfläche mit Radius a und Höhe h gilt R = (a² + h²)/(2h). Ihre Brennweite ist f = R/(n − 1) ≈ 3R. Ein Zahnstochertropfen (Basis 4 mm, h ≈ 1,2 mm) hat R ≈ 2,3 mm und f ≈ 7 mm; ein Strohhalmtropfen (Basis 9 mm, durch die Schwerkraft abgeflacht, h ≈ 2,3 mm) hat R ≈ 5,6 mm und f ≈ 17 mm. Als Lupe muss der Gegenstand innerhalb der Brennweite liegen (d < f): Es entsteht ein virtuelles, aufrechtes, vergrößertes Bild mit dem Abbildungsmaßstab m = f/(f − d). Die maximale Winkelvergrößerung einer Lupe ist ≈ 250 mm/f, was für den kleinen Tropfen theoretisch bis ×35 ergibt, doch die Abbildungsfehler (der Tropfen ist nicht kugelförmig, sondern abgeflacht) und das winzige Sehfeld begrenzen das auf brauchbare ×5–10. Ist d > f, ist das Bild reell und umgekehrt und wirkt aus der Nähe betrachtet unscharf oder kopfstehend. Leeuwenhoek erreichte im 17. Jahrhundert ×270 mit Glaskugeln von ≈ 1 mm: dasselbe Prinzip. Öl (n ≈ 1,47) bricht stärker als Wasser, benetzt den Kunststoff aber stärker und bildet flachere Tropfen, daher hängt das Ergebnis von der Oberfläche ab.
- Brechung: Richtungsänderung des Lichts beim Übergang von einem Stoff in einen anderen.
- Sammellinse: Linse, die in der Mitte dicker ist als am Rand; sie bündelt die Lichtstrahlen.
- Brennweite: Abstand, in dem eine Linse die Strahlen bündelt; als Lupe muss der Gegenstand näher sein.
- virtuelles Bild: Bild, das das Auge sieht, das man aber nicht auf einen Schirm werfen kann.
- Vergrößerung: wie viel Mal größer etwas durch eine Linse aussieht.
Nach Alter
- 5–7 Jahre: Der Erwachsene baut den Stand auf und setzt die großen Tropfen mit dem Strohhalm; das Kind setzt Tropfen mit dem Zahnstocher und sucht den „Riesenbuchstaben“. Sprecht von „rundem Tropfen / plattem Tropfen“, ohne Zahlen.
- 8–10 Jahre: Sie machen alle Schritte, probieren die Höhen mit den Abstandshaltern aus und berechnen die Vergrößerung mit dem Raster.
- 11–12 Jahre: Lass sie Durchmesser und Höhe des Tropfens messen (von der Seite mit Lineal und Handy), R und f mit den Formeln berechnen und prüfen, bei welcher Höhe sich der Buchstabe umdreht. Challenge: die Büroklammer-Lupe.
In der Gruppe oder in der Klasse
Einzeln oder zu zweit: ein Stück Kunststoff, 8 Abstandshalter und eine Karte pro Kind (3 Karten passen auf ein A4-Blatt). Stell Wassergläser und Zahnstocher zum Teilen in die Mitte jedes Tisches und reichlich Küchenpapier. Einheit von 30 min: 5 min Vorführung, 15 min Erkunden mit der Karte, 10 min „Details jagen“ mit Blättern, Salz und Haaren von zu Hause. Sammelt an der Tafel die gemessenen Vergrößerungen nach Tropfengröße.
Challenges
- Finde den Tropfen mit der größten Vergrößerung der Klasse und beweise es mit dem Raster.
- Baue ein Tropfenmikroskop: ein Kunststoffstreifen mit dem Tropfen, über einem Flaschendeckel befestigt, mit einer Taschenlampe darunter, die nach oben leuchtet.
- Fotografiere durch den Tropfen, indem du die Handykamera nah heranhältst, und vergleiche mit dem Foto ohne Tropfen.
- Finde für jeden Tropfen heraus, bei welcher Höhe genau sich der Buchstabe umdreht: Das ist seine Brennweite.