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Der Fo­to­wi­der­stand als Licht-Sen­sor / Schü­ler­ver­such

In­fo­box

Diese Seite ist Teil einer Ma­te­ria­li­en­samm­lung zum Bil­dungs­plan 2004: Grund­la­gen der Kom­pe­tenz­ori­en­tie­rung. Bitte be­ach­ten Sie, dass der Bil­dungs­plan fort­ge­schrie­ben wurde.

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Ge­rä­te:  Auf­bau­tei­le aus dem Optik-Prak­ti­kum: op­ti­sche Bank, Ha­lo­gen­leuch­te, Linse 5 cm, Satz mit 5 Loch­blen­den, Blen­den­hal­ter, 2 Klemm­fü­ße; 2 Kro­ko­dil­klem­men, 2 Kupp­lun­gen, Fo­to­wi­der­stand, Sta­tiv­ma­te­ri­al, 4 Kabel, Netz­ge­rät, Wi­der­stand­mess­ge­rät, Maß­stab

Wie kann man Hel­lig­kei­ten ver­glei­chen und mes­sen? In den fol­gen­den Ver­su­chen wird als Licht­sen­sor ein Fo­to­wi­der­stand ver­wen­det. Die­ser ver­än­dert sei­nen elek­tri­schen Wi­der­stand in Ab­hän­gig­keit von der Licht­men­ge, die auf ihn trifft. Der Zu­sam­men­hang von Licht­men­ge und elek­tri­schem Wi­der­stand wird so­wohl qua­li­ta­tiv als auch quan­ti­ta­tiv un­ter­sucht. Damit wer­den Hel­lig­keits­mes­sun­gen er­mög­licht.


1. Ver­such

Rich­te die Öff­nung des Fo­to­wi­der­stands in ver­schie­den helle Be­rei­che des Zim­mers und messe dabei sei­nen elek­tri­schen Wi­der­stand. Wie hängt der Wi­der­stand von der Hel­lig­keit ab?


2. Ver­such

Versuchsaufbau Wie än­dert sich der Wi­der­stand, wenn die Hel­lig­keit hal­biert wird? Um Fra­gen die­ser Art zu klä­ren, wird eine "Eich­kur­ve" des Fo­to­wi­der­stands er­stellt. Die Ab­bil­dung zeigt den Auf­bau, der ver­wen­det wird. Das Licht der Lampe wird - im ab­ge­dun­kel­ten Zim­mer - mit Hilfe einer op­ti­schen Linse auf den Fo­to­wi­der­stand fo­kus­siert. In den Strah­len­gang wer­den Loch­blen­den mit un­ter­schied­li­chen Durch­mes­sern ein­ge­scho­ben. So kann die Licht­men­ge, die auf den Fo­to­wi­der­stand trifft, ver­än­dert wer­den.

a) Die Span­nung an der Lampe darf ma­xi­mal 12 V be­tra­gen. Ver­wen­de zum Jus­tie­ren des Strah­len­gangs zu­nächst die 6,25 mm Blen­de. Wenn der Ab­stand zwi­schen Lampe und Linse etwa 16 cm be­trägt, be­fin­det sich etwa 7 cm hin­ter der Linse ein Bild des Glüh­fa­dens. Mit einem Blatt Pa­pier als Schirm kannst du es leicht fin­den. Dort muss der Sen­sor auf­ge­stellt wer­den. Jetzt dür­fen die Ab­stän­de nicht mehr ver­än­dert wer­den!
Messe den Wi­der­stand des Sen­sors in Ab­hän­gig­keit vom Durch­mes­ser der Blen­de im Strah­len­gang. Ver­wen­de zu­erst die 18mm – Blen­de und re­gu­lie­re die Hel­lig­keit der Lampe so, dass der Wi­der­stand des Sen­sors 1 kΩ be­trägt. Baue nun schritt­wei­se die klei­ne­ren Blen­den (12,5 mm; 9 mm; 6,25 mm; 4 mm) ein und no­tie­re je­weils den Wi­der­stand.

b) Jetzt wird er­mit­telt, wie Blen­den­durch­mes­ser und durch­ge­las­se­ne Licht­men­ge zu­sam­men­hän­gen. Hier­zu brauchst du keine Mes­sung, eine geo­me­tri­sche Über­le­gung ge­nügt.
Die Licht­men­ge, die durch die 18mm – Blen­de zum Sen­sor ge­langt, soll 100 Ein­hei­ten be­tra­gen. 

Beim Hal­bie­ren des Blen­den­durch­mes­sers wird die Licht durch­las­sen­de Flä­che ge­vier­telt (A = π ∙ r 2 )! Bei der 9mm – Blen­de ge­lan­gen also nicht 50 Ein­hei­ten zum Sen­sor, son­dern nur 25! Die Ta­bel­le hilft dir bei der Be­rech­nung. Er­gän­ze Sie.

Blen­den­durch­mes­ser

re­la­ti­ver An­teil von 18 mm

An­teil der Licht durch­las­sen­den Flä­che

Licht­men­ge (in will­kür­li­chen Ein­hei­ten)

18 mm

1

1

100

9 mm

Formel = 0,5

0,5 2 = 0,25

0,25 ∙ 100 = 25

12,5 mm

Formel

   

6,25 mm

     

4 mm

     

c) Wenn du die Er­geb­nis­se von a) und b) kom­bi­nierst, er­hältst du den Zu­sam­men­hang von Licht­men­ge und elek­tri­schem Wi­der­stand.
Zeich­ne ein Dia­gramm, das die Licht­men­ge, die auf den Sen­sor trifft, in Ab­hän­gig­keit vom Wi­der­stand R dar­stellt. Dies ist die Eich­kur­ve!


3. Ver­such

Jetzt kannst du Licht­men­gen quan­ti­ta­tiv ver­glei­chen.

a) Bei­spiel: Du rich­test den Sen­sor ins Helle und stellst einen Wi­der­stand von 2 kΩ fest. Bei wel­chem Wi­der­stands­wert weißt du, dass nur noch die halbe Licht­men­ge auf den Sen­sor trifft?

b) Ver­glei­che  eben­so (in Pro­zent) die Licht­men­gen, die der Sen­sor re­gis­triert, wenn er

  • gegen die Decke und dann gegen den Fuß­bo­den zeigt
  • ein­mal von oben und ein­mal von unten gegen die Tisch­plat­te ge­rich­tet wird
  • gegen das helle Hemd und die dunk­le Hose ge­rich­tet wird
  • dem Ta­ges­licht aus­ge­setzt wird und dann eine Son­nen­bril­le da­zwi­schen ge­hal­ten wird
  • oder ...

No­tie­re deine Er­geb­nis­se.

 

Schü­ler­ver­such: Her­un­ter­la­den [pdf] [92 KB]