CoreBox – Lernpfad

Status: Umgesetzt. Diese Skizze wurde als Diátaxis-Dokumentation unter usage/disc/corebox ausgerollt (Tutorials, How-tos, Explanation mit generierten Strahlengang-Figuren, Reference, For-Teachers-Seite). Diese Seite bleibt als Planungsnotiz erhalten. Quelle für Komponenten: corebox.md. Quelle für Didaktik: Didaktikkonzept CoreBox - Version 1 (1).md.

Die CoreBox ist der Einstieg in alle Discovery-Boxen. Sie deckt die geometrische Optik vollständig ab – von der Lupe bis zum Smartphone-Mikroskop – und ist Voraussetzung für Electronics, Infinity, Fluorescence und LightSheet.

Lernpfad (empfohlen)

Lupe ─► Linsen ─► Projektor ─► Galilei-Teleskop ─► Kepler-Teleskop
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                                Endlich-Mikroskop ─► Unendlich-Mikroskop ─► Smartphone-Mikroskop

Experimente

Jeder Eintrag folgt dem Experiment-Template. Solange ein Experiment noch keine eigene Datei hat, dient der Abschnitt hier als Sammelort für Notizen und Leitfragen.

1. Lupe (Tutorial-Einstieg)

Einstieg / Phänomen

• Was passiert, wenn du ein Objekt langsam näher an die Linse heranbewegst – ab wann wechselt es von vergrößert zu unscharf?
• Welches allägliche Werkzeug nutzt dasselbe Prinzip (Leseglas, Uhrmacherlupe, Handylens)?

Aufbau

• Welche Teile brauchst du für die einfachste Lupe, und wie setzt du sie in den Cube ein?
• An welcher Position muss das Objekt relativ zur Linse sitzen, damit du ein aufrechtes virtuelles Bild siehst?

Messung / Quantifizierung

• Wie findest du die Brennweite einer unbekannten Linse mit Hilfe eines Schirms und einer Lichtquelle?
• Wie berechnet sich die Winkelvergrößerung $M = 250\,\text{mm} / f$, und was bedeutet „25 cm Nahpunktabstand"?

Variation

• Was beobachtest du, wenn du die Linse gegen eine mit f = 100 mm oder f = 25 mm austauschst?
• Wie ändert sich das Gesichtsfeld, wenn du die Pupille näher an die Linse hältst?

Fehleranalyse

• Wann und warum entsteht chromatische Aberration (Farbrand), und bei welcher Linsenform ist sie stärker?
• Warum ist das Bild am Rand schärfer als in der Mitte (oder umgekehrt) – was ist sphärische Aberration?

Physikalischer Hintergrund

• Wie beschreibt die Abbildungsgleichung $\frac{1}{f} = \frac{1}{b} - \frac{1}{g}$ (für das virtuelle Bild) den Sachverhalt?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek I: Erkläre, warum eine Lupe vergrößert, mit einer selbst gezeichneten Strahlenkonstruktion.

• Sek II / Vertiefung: Bestimme die Brennweite durch Messung von drei Objekt-Bild-Abstandspaaren und trage $1/g$ gegen $1/b$ auf.

• → Datei: experiments/01_lupe.md (noch anzulegen)

2. Sammel- vs. Zerstreuungslinsen

Einstieg / Phänomen

• Was passiert mit einem Lichtstrahl, der parallel zur optischen Achse auf eine Sammellinse trifft – und was bei einer Zerstreuungslinse?
• Hältst du eine −50-mm-Linse vor eine Lichtquelle: Wo entsteht das Bild, und warum kann es nicht auf einem Schirm erscheinen?

Aufbau

• Wie unterscheiden sich die Randformen der +50-mm- und der −50-mm-Linse visuell, und was schließt man daraus?
• Wie setzt du beide Linsen hintereinander in Cubes, um den Parallelstrahl zu testen?

Messung / Quantifizierung

• Wie bestimmst du die Brennweite der Sammellinse direkt (Schirmmethode) und die der Zerstreuungslinse indirekt (Kombination mit bekannter Sammellinse)?
• Welche kombinierte Brennweite ergibt sich aus $1/f_\text{ges} = 1/f_1 + 1/f_2$ für +50 mm und −50 mm?

Variation

• Was siehst du, wenn du eine +50-mm- vor eine −50-mm-Linse schaltest – ist das System konvergent oder divergent?
• Ändert sich etwas, wenn du die Reihenfolge der Linsen vertauschst?

Fehleranalyse

• Warum liegt das Bild einer Sammellinse bei weißem Licht nicht exakt in einem Punkt (chromatische Aberration)?

Physikalischer Hintergrund

• Erkläre mithilfe des Brechungsgesetzes, warum eine Randkante dicker Linsen den Strahl zur Mitte hin bricht.
• Was bedeutet Diopter als Maß: $D = 1/f[\text{m}]$?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek I: Welche Linsenform steckt in einer Lesebrille, welche in einem Brillenglas für Kurzsichtige?

• Sek II / Vertiefung: Leite die Linsenmacherformel her und erkläre den Einfluss der Krümmungsradien.

• → experiments/02_linsen.md

3. Projektor

Einstieg / Phänomen

• Wann entsteht auf einem Schirm ein scharfes, reelles, umgekehrtes Bild – und wann nicht?
• Was ist der Unterschied zwischen dem Bild im Zimmerprojektor und dem in einer Lupe?

Aufbau

• Welche Komponenten (Lichtquelle, Dia/Maske, Linse, Schirm) brauchst du, und in welcher Reihenfolge?
• Wie weit muss das Objekt (Maske) von der Linse entfernt sein, damit das Bild auf dem 50-cm-Schirm scharf ist?

Messung / Quantifizierung

• Miss Objekt- und Bildweite, und überprüfe $\frac{1}{f} = \frac{1}{g} + \frac{1}{b}$ quantitativ.
• Wie groß ist der Abbildungsmaßstab $\beta = b/g$, und wie ändert er sich beim Verschieben des Schirms?

Variation

• Was passiert, wenn du eine Kondensorlinse vor die Lichtquelle setzt – warum wird das Bild heller?
• Wie beeinflusst eine Lochblende (kleines Loch statt Linse) Schärfe und Helligkeit?

Fehleranalyse

• Woran erkennst du unscharfes Bild durch falsche Objekt- vs. Bildweite, und wie korrigierst du es?
• Warum zeigt weißes Licht am Bildrand Farbsäume?

Physikalischer Hintergrund

• Wie beschreibt die Linsengleichung den Übergang von $g > 2f$ (verkleinertes Bild) über $g = 2f$ (1:1) zu $f < g < 2f$ (vergrößertes Bild)?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek I: Zeichne den Strahlengang für drei ausgezeichnete Strahlen (Parallelstrahl, Brennpunktstrahl, Mittelpunktstrahl).

• Sek II / Vertiefung: Berechne die nötige Linsenbrennweite für einen Kino-Projektor (Bildschirm 10 m, Dia 35 mm).

• → experiments/03_projektor.md

4. Galilei-Teleskop

Einstieg / Phänomen

• Wie stark vergrößert das Galilei-Teleskop, wenn du aus dem Fenster schaust?
• Warum steht das Bild aufrecht – und bei Kepler auf dem Kopf?

Aufbau

• Welche zwei Linsen (welche Brennweiten) brauchst du, und wie groß ist der Abstand?
• Wie veränderst du den Abstand, um ein scharfes Bild für dein Auge zu erzeugen (Akkommodation)?

Messung / Quantifizierung

• Wie berechnet sich die Vergrößerung $M = -f_\text{Obj} / f_\text{Ok}$ aus den Brennweiten?
• Miss den Abstand zwischen Objektiv und Okular bei Scharfstellung auf Unendlich.

Variation

• Was ändert sich, wenn du Okular und Objektiv vertauschst?
• Welche Vergrößerung erreichst du maximal mit den vorhandenen Linsen?

Fehleranalyse

• Warum ist das Gesichtsfeld (Sehfeld) des Galilei-Teleskops kleiner als das des Kepler-Teleskops?
• Was bedeutet „Vignettierung", und wann tritt sie auf?

Physikalischer Hintergrund

• Wie erklärt das Strahlendiagramm (zwei Brennebenen zusammenfallen) das aufrechte Bild?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek I: Nenne drei Geräte, die das Galilei-Prinzip nutzen (Oper, Theater, Fernglas-Typ).

• Sek II / Vertiefung: Leite die Vergrößerungsformel aus dem Strahlendiagramm her.

• → experiments/04_galilei_teleskop.md

5. Kepler-Teleskop

Einstieg / Phänomen

• Warum dreht das Kepler-Teleskop das Bild um – und warum akzeptieren Astronomen das?
• Kannst du mit dem Kepler einen Zwischenbildpunkt erzeugen und ihn auf einem Papier sehen?

Aufbau

• Welche zwei Sammellinsen brauchst du, und wie lang ist das Tubus-System?
• Wo genau liegt das Zwischenbild, und wie kannst du es durch Verschieben zeigen?

Messung / Quantifizierung

• Miss die Vergrößerung durch Vergleich: Halte beide Augen offen und schätze ab.
• Berechne die Vergrößerung aus den Brennweiten und vergleiche mit deiner Messung.

Variation

• Was passiert mit Vergrößerung und Sehfeld, wenn du das Okular gegen ein kürzeres (f = 25 mm) tauschst?
• Wie baust du aus dem Kepler-Teleskop mit einer dritten Linse ein terrestrisches Teleskop (aufrechtes Bild)?

Fehleranalyse

• Warum wird das Bild bei zu starker Vergrößerung dunkel und unscharf?
• Was bewirkt es, die Austrittspupille nicht mit der eigenen Pupille zur Deckung zu bringen?

Physikalischer Hintergrund

• Erkläre den Unterschied zwischen Austrittspupille, Sehfeld und Dämmerungszahl als teleskopische Kenngrößen.

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek I: Wo wird das Kepler-Prinzip genutzt (Astro-Fernrohr, Marine-Fernrohr mit Umkehrlinse)?

• Sek II / Vertiefung: Berechne die nötige Öffnung, um den Jupiterdurchmesser von 50 Bogensekunden auf 1° zu vergrößern.

• → experiments/05_kepler_teleskop.md

6. Endlich-korrigiertes Lichtmikroskop

Einstieg / Phänomen

• Wie viel größer erscheint eine Zelle, wenn du durch das 4×-Objektiv mit dem Okular schaust?
• Was siehst du anders als beim Smartphone-Foto derselben Probe?

Aufbau

• Welche Teile bauen Beleuchtung, Objektiv, Zwischenbild und Okular auf?
• Wie positionierst du die Z-Stage, um den Fokus zu finden?

Messung / Quantifizierung

• Wie groß ist die Gesamt-Vergrößerung (Objektiv × Okular)?
• Wie misst du die effektive Vergrößerung mit einem Linienraster oder Maßstab?

Variation

• Was ändert sich im Bild, wenn du den Beleuchtungsabstand variierst (kritische vs. Köhler-artige Beleuchtung)?
• Wie wirkt eine Lochblende statt der Taschenlampe?

Fehleranalyse

• Woran erkennst du, dass Objekt, Objektiv und Okular nicht auf derselben Achse sitzen?
• Warum erscheint das Bild eines endlich-korrigierten Objektivs unscharf, wenn du einen Filter in den Strahlengang bringst?

Physikalischer Hintergrund

• Was bedeutet „fixe Tubuslänge 160 mm", und wie hängt das mit der Korrektionsoptik im Objektiv zusammen?
• Welche Grenzen setzt die numerische Apertur (NA 0.1) der Auflösung (Abbe-Formel)?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek I: Zeichne den zweistufigen Strahlengang (Objektiv → Zwischenbild → Okular → Auge).

• Sek II / Vertiefung: Warum kann ein endliches Objektiv keinen Filter ohne Bildversatz aufnehmen – leite es geometrisch her.

• → experiments/06_mikroskop_endlich.md

7. Unendlich-korrigiertes Lichtmikroskop

Einstieg / Phänomen

• Was siehst du, wenn du das Infinity-Objektiv ohne Tubuslinse vor eine Probe hältst – und warum gibt es kein Bild?
• Woran merkst du im Alltag, dass moderne Mikroskope „infinity-corrected" sind (modulare Filterblöcke)?

Aufbau

• Welche Reihenfolge haben Objektiv, freier paralleler Raum und Tubuslinse?
• Wie groß darf der Abstand zwischen Objektiv und Tubuslinse sein, ohne das Bild zu verschlechtern?

Messung / Quantifizierung

• Wie beeinflusst die Wahl der Tubuslinsen-Brennweite (100 mm vs. 50 mm) die Gesamtvergrößerung?
• Miss und berechne: Wenn das Objektiv auf $f_\text{Obj}$ ausgelegt ist und die Tubuslinse $f_\text{TL}$ hat, wie lautet die Vergrößerung $M = f_\text{TL}/f_\text{Obj}$?

Variation

• Schiebe einen Farbfilter in den parallelen Strahl – ändert sich die Bildlage?
• Was passiert, wenn du die Tubuslinse schräg stellst?

Fehleranalyse

• Warum erscheint das Bild unscharf, wenn du ein endliches Objektiv mit einem Infinity-Tubus kombinierst?

Physikalischer Hintergrund

• Was bedeutet „hintere Brennebene des Objektivs liegt im Unendlichen", und warum vereinfacht das die Konstruktion modularer Mikroskope (z. B. Filter, Strahlteiler, DIC-Prismen)?

Alltagsbezug / Erweiterung

• Wie nutzen kommerzielle Mikroskop-Marken (Zeiss, Leica, Nikon) unterschiedliche Standard-Tubuslängen (200 mm / 160 mm / 180 mm)?

• Sek II / Vertiefung: Berechne den Strahlengang für eine Kombination aus 10×/NA 0.25-Objektiv und 100-mm-Tubuslinse auf einem 1/2"-Sensor.

• → experiments/07_mikroskop_unendlich.md

8. Smartphone-Mikroskop

Einstieg / Phänomen

• Was siehst du auf deinem Handybildschirm, wenn du die Probe fokussierst – was fehlt im Vergleich zum Okular?
• Warum reicht das Smartphone-Objektiv allein nicht aus, um Zellen zu zeigen?

Aufbau

• Wie setzt du Objektiv-Cube, Probenhalter, Taschenlampe und Smartphone-Halter zusammen?
• Wie richtest du das Smartphone aus, damit sein Objektiv mit der optischen Achse fluchtet?

Messung / Quantifizierung

• Wie kalibrierst du die Vergrößerung mit einem Linienraster (Millimeterpapier oder Strichplatte)?
• Wie rechnest du Pixel in Mikrometer um, wenn du die Pixelgröße deines Sensors kennst?

Variation

• Was ändert sich, wenn du auf den 10×-Objektivblock wechselst?
• Wie beeinflusst die Beleuchtungsfarbe (weißes vs. blaues Licht) den Kontrast biologischer Proben?

Fehleranalyse

• Warum erscheint das Bild am Rand dunkler als in der Mitte (Vignettierung durch Smartphone-Linse)?
• Wann „säubert" die automatische HDR-Funktion das Bild, und warum ist das für wissenschaftliche Aufnahmen problematisch?

Physikalischer Hintergrund

• Wie funktioniert ein CMOS-Bildsensor auf Pixelebene, und warum ist Quantenrauschen bei wenig Licht relevant?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek I: Dokumentiere eine selbst gesammelte Probe (Blütenstaub, Salzkristall) mit Foto und Beschriftung.

• Sek II / Vertiefung: Vergleiche Signal-Rausch-Verhältnis und Dynamikbereich des Smartphones mit der Industrie­kamera aus dem Infinity Add-On.

• → experiments/08_smartphone_mikroskop.md

Exkurs: Einen Würfel auseinanderbauen

Aufbau und Mechanik

• Welche Schrauben löst du in welcher Reihenfolge, ohne das Insert zu beschädigen?
• Welche Werkzeuge (Inbus-Schlüssel, weiche Unterlage) brauchst du?
• Wie erkennst du die Ausrichtungsmarkierung, und was passiert, wenn du sie ignorierst?

Beobachten und Verstehen

• Was siehst du im Inneren des Cubes – Schienen, Klemmsystem, optische Flächen?
• Wie ist das Insert gefertigt (3D-Druck, Spritzguss) und wo sitzt es im Cube?

Variation / Kreativität

• Kannst du das Insert um 90° rotieren, und welche neue Funktion hat der Cube dann?
• Wie entwirfst du ein eigenes einfaches Insert (z. B. Filterhalter) nach dem Demontage-Verständnis?

Fehleranalyse

• Welche typischen Montagefehler entstehen beim Wiedereinbauen (verkippt, zu fest, optische Achse versetzt)?

Physikalischer Hintergrund

• Was ist Toleranz in der Optik, und warum müssen Insert-Maße auf ±0.1 mm genau sein?

Alltagsbezug / Erweiterung

• Wie gehen professionelle Hersteller (z. B. Thorlabs, Newport) bei modularen optischen Systemen mit denselben Herausforderungen um?

• → experiments/exkurs_cube.md

Cube-Module der CoreBox

Quelle: Komponentenliste in corebox.md. Jeder Eintrag folgt dem Modul-Template.

Modul	Kurzbeschreibung	Datei
45°-Spiegel (fest, frontbeschichtet)	Strahlumlenkung 90°	modules/mirror_45_fixed.md
50 mm Linse	Kurzbrennweite, Lupe, Okular	modules/lens_50.md
100 mm Linse	Tubuslinse, Projektor	modules/lens_100.md
−50 mm Linse	Zerstreuungslinse (Galilei)	modules/lens_minus50.md
Okular	Visuelle Beobachtung	modules/eyepiece.md
Smartphone-Halter (universal)	Bildaufnahme via Handy	modules/smartphone_carrier.md
Probenhalter	Aufnahme Objektträger	modules/sample_mount.md
Z-Stage (manuell, 25 mm)	Fokussierung	modules/z_stage_manual.md
Objektiv 4× / NA 0.1 (endlich)	Mikroskop-Objektiv	modules/objective_4x.md
Taschenlampe	Beleuchtung Durchlicht	modules/torch.md

Didaktikkonzept

Bestehend, sehr ausführlich: Didaktikkonzept CoreBox - Version 1 (1).md.

Migrationsplan: Inhalte abschnittsweise in concept.md übernehmen, sobald die Struktur stabil ist.

Offene Fragen / TODO

• Bildmaterial pro Experiment vereinheitlichen (Foto + Strahlengang-Skizze).
• Arbeitsblätter und Lösungsblätter als separate Dateien.
• Lehrplan-Mapping je Bundesland (Anhang in concept.md).