Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, G-Niveau

Kamera und Fotografie - Physik

Einleitung

Eine Kamera ist ein physikalisches System zur Aufnahme von Bildern. Licht wird durch eine Öffnung und meist durch ein Objektiv auf einen Bildsensor oder einen Film gelenkt. Dabei wirken vor allem die geradlinige Ausbreitung des Lichts, die Lichtbrechung, die Bildentstehung an einer Sammellinse und der innere photoelektrische Effekt.

Du lernst, warum das Kamerabild auf dem Sensor zunächst auf dem Kopf steht, wie Brennweite und Bildweite zusammenhängen und wie Blende, Belichtungszeit und ISO-Wert ein Foto beeinflussen.

Die Lochkamera: Bildentstehung ohne Linse

Eine Lochkamera besteht aus einem lichtdichten Kasten mit einer kleinen Öffnung. Von jedem Punkt eines Gegenstands gelangt nur ein schmales Lichtbündel durch das Loch. Weil sich Licht näherungsweise geradlinig ausbreitet, entsteht auf der Rückwand ein reelles, seitenverkehrtes und kopfstehendes Bild.

Für Gegenstandshöhe $G$ , Bildhöhe $B$ , Gegenstandsweite $g$ und Bildweite $b$ gilt aufgrund ähnlicher Dreiecke näherungsweise:

$\frac{B}{G} = \frac{b}{g}$

Ein größeres Loch lässt mehr Licht hinein, macht das Bild aber meist unschärfer. Ein sehr kleines Loch erhöht zunächst die geometrische Schärfe; wird es zu klein, begrenzt Beugung die Schärfe.

Die Sammellinse im Objektiv

Ein modernes Objektiv enthält mehrere Linsen. Für ein einfaches Modell genügt zunächst eine dünne Sammellinse. Parallel zur optischen Achse einfallende Strahlen werden hinter der Linse im Brennpunkt gebündelt. Der Abstand zwischen Linsenebene und Brennpunkt heißt Brennweite $f$ .

Bei der Strahlenkonstruktion helfen drei Hauptstrahlen:

Parallelstrahl: Er verläuft hinter der Sammellinse durch den bildseitigen Brennpunkt.
Brennpunktstrahl: Er verläuft hinter der Linse parallel zur optischen Achse.
Mittelpunktstrahl: Er wird im dünnen Linsenmodell nicht abgelenkt.

Für eine dünne Linse gilt die Linsengleichung:

$\frac{1}{f} = \frac{1}{g} + \frac{1}{b}$

Der Betrag des Abbildungsmaßstabs ist:

$| V | = \frac{B}{G} = \frac{b}{g}$

Beispiel: Ein Gegenstand steht $g = 100 c m$ vor einer Linse mit $f = 5 c m$ . Dann ergibt sich:

$b = \frac{f \cdot g}{g - f} = \frac{5 c m \cdot 100 c m}{95 c m} \approx 5,26 c m$

Der Sensor muss also etwa $5,26 c m$ hinter der idealisierten Linse liegen. Beim Fokussieren wird die Lage von Linsengruppen so verändert, dass die Bildebene mit dem Sensor übereinstimmt.

Aufbau einer Kamera

Die wichtigsten Bauteile bilden eine Wirkungskette: Das Objektiv sammelt Licht, die Blende begrenzt das Lichtbündel, der Verschluss legt die Belichtungsdauer fest und der Sensor wandelt Licht in elektrische Signale um.

Bei einer Spiegelreflexkamera lenkt ein beweglicher Spiegel das Licht zum optischen Sucher. Beim Auslösen klappt er hoch. Bei einer spiegellosen Kamera trifft das Licht ohne diesen Schwingspiegel auf den Sensor; das Sucherbild wird elektronisch erzeugt.

Blende und Blendenzahl

Die Blende ist eine veränderliche Öffnung im Objektiv. Ihre Blendenzahl $N$ ist näherungsweise das Verhältnis aus Brennweite $f$ und Öffnungsdurchmesser $D$ :

$N = \frac{f}{D}$

Eine kleine Blendenzahl wie $2,8$ bedeutet eine große Öffnung. Eine große Blendenzahl wie $16$ bedeutet eine kleine Öffnung. In einer üblichen ganzen Blendenreihe halbiert sich die wirksame Öffnungsfläche von Stufe zu Stufe, zum Beispiel von $f / 4$ auf $f / 5,6$ .

Bei gleicher Szene und gleichem ISO-Wert ist die auf den Sensor fallende Lichtmenge näherungsweise proportional zu:

$H \propto \frac{t}{N^{2}}$

Dabei ist $t$ die Belichtungszeit. Eine kleinere Blendenzahl oder eine längere Belichtungszeit erhöht die Belichtung.

Belichtungszeit und Bewegung

Die Belichtungszeit gibt an, wie lange Licht auf den Sensor fällt. Eine kurze Zeit wie $1 / 1000 s$ kann schnelle Bewegung einfrieren. Eine lange Zeit wie $1 / 4 s$ kann Bewegungsunschärfe oder Lichtspuren erzeugen. Auch Kamerabewegungen werden bei langen Zeiten sichtbar; ein Stativ kann Verwacklung vermindern.

ISO-Wert und Bildrauschen

Bei einer Digitalkamera verändert der ISO-Wert nicht die Zahl der einfallenden Photonen. Er beeinflusst vor allem die Signalverstärkung und die Verarbeitung. Ein hoher ISO-Wert kann ein helleres Bild oder eine kürzere Belichtungszeit ermöglichen, verstärkt aber auch Störungen. Dadurch werden Bildrauschen und ein geringerer nutzbarer Helligkeitsumfang wahrscheinlicher.

Das Belichtungsdreieck

Blende, Belichtungszeit und ISO-Wert werden oft als Belichtungsdreieck dargestellt. Physikalisch bestimmen Blende und Zeit die Lichtmenge am Sensor. Der ISO-Wert beeinflusst, wie das Sensorsignal für das fertige Bild genutzt wird.

Zwei Einstellungen können ähnlich hell wirken, aber verschieden aussehen. Eine offene Blende kann den Hintergrund unscharf machen. Eine lange Zeit kann Bewegung verwischen. Ein hoher ISO-Wert kann mehr Rauschen erzeugen.

Schärfentiefe

Die Schärfentiefe ist der Entfernungsbereich, der im Foto ausreichend scharf erscheint. Sie hängt unter anderem von Blende, Brennweite, Aufnahmeabstand, Sensorformat und dem zulässigen Zerstreuungskreis ab.

Eine kleinere Blendenöffnung, also eine größere Blendenzahl, vergrößert unter sonst gleichen Bedingungen meist die Schärfentiefe. Eine große Öffnung kann dagegen ein scharfes Hauptmotiv vor einem unscharfen Hintergrund hervorheben.

Brennweite und Bildwinkel

Bei gleichem Sensorformat erzeugt eine kurze Brennweite einen großen Bildwinkel. Eine lange Brennweite zeigt einen engeren Ausschnitt. Der Bildwinkel hängt deshalb nicht nur von der Brennweite, sondern auch von der Sensorgröße ab.

Ein Weitwinkelobjektiv eignet sich oft für große Bildausschnitte. Ein Teleobjektiv bildet einen kleineren Ausschnitt größer ab. Die Perspektive selbst wird vor allem durch den Standort der Kamera bestimmt; die Brennweite verändert den Ausschnitt und beeinflusst dadurch häufig die gewählte Aufnahmeposition.

Vom Photon zum digitalen Bild

Ein Bildsensor besteht aus vielen lichtempfindlichen Elementen. In Halbleitern können Photonen elektrische Ladungsträger erzeugen. Die gesammelte Ladung wird ausgelesen und in Zahlenwerte umgewandelt.

Viele Farbsensoren verwenden ein Bayer-Muster. Vor den Sensorelementen liegen rote, grüne oder blaue Filter. Häufig enthält ein Viererblock zwei grüne, einen roten und einen blauen Filter. Aus den Messwerten berechnet die Kamera für jedes Bildpixel Farbwerte.

Die Zahl der Megapixel allein entscheidet nicht über die Bildqualität. Wichtig sind auch Sensorfläche, Objektiv, Signalverarbeitung, Lichtmenge, Rauschen und Dynamikumfang.

Smartphone-Kamera und Systemkamera

Smartphone-Kameras und größere Kameras nutzen dieselben Grundprinzipien: Lichtbrechung, Abbildung, Belichtung und Sensorwandlung. Smartphones besitzen meist kleine Sensoren und kurze Brennweiten. Sie gleichen physikalische Grenzen teilweise durch mehrere Kameramodule und rechnergestützte Bildverarbeitung aus. Auch ein rechnerisch bearbeitetes Foto bleibt jedoch von der Qualität des einfallenden Lichts und des optischen Bildes abhängig.

Experimente für den Unterricht

Experiment	Durchführung	Physikalische Auswertung
Lochkamera	Baue aus einem lichtdichten Karton, Aluminiumfolie und Transparentpapier eine Lochkamera. Beobachte ein helles Fenster oder eine Lampe.	Erkläre Bildumkehr, Helligkeit und Schärfe mit geradliniger Lichtausbreitung.
Brennweite bestimmen	Erzeuge mit einer Sammellinse ein scharfes Bild eines weit entfernten Gegenstands auf einem Schirm.	Der Abstand zwischen Linse und Schirm ist näherungsweise die Brennweite.
Linsengleichung prüfen	Miss für mehrere Gegenstandsweiten die zugehörige Bildweite.	Vergleiche die Messwerte mit $\frac{1}{f} = \frac{1}{g} + \frac{1}{b}$ .
Belichtungsreihe	Fotografiere dasselbe ruhige Motiv mit verschiedenen Kombinationen aus Blende, Zeit und ISO.	Vergleiche Helligkeit, Rauschen und Schärfentiefe.
Bewegung sichtbar machen	Fotografiere ein rollendes Spielzeug mit kurzer und langer Belichtungszeit.	Untersuche Bewegungsunschärfe und mögliche Verwacklung.

Sicherheit: Richte eine Kamera, Lochkamera oder Linse niemals direkt auf die Sonne. Gebündeltes Sonnenlicht kann Augen und Geräte schädigen. Nutze für Schulversuche eine Lampe oder indirektes Tageslicht.

Merksätze

Eine Kamera erzeugt mit Licht ein reelles Bild auf Sensor oder Film.
Eine Sammellinse bündelt parallele Lichtstrahlen im Brennpunkt.
Blende und Belichtungszeit bestimmen die Lichtmenge am Sensor.
Der ISO-Wert beeinflusst die Nutzung und Verstärkung des Sensorsignals.
Schärfentiefe und Bewegungsdarstellung sind physikalische Gestaltungsmittel.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Warum steht das Bild in einer Lochkamera auf dem Kopf? (Weil sich Licht näherungsweise geradlinig ausbreitet) (!Weil die Rückwand das Licht magnetisch dreht) (!Weil nur blaues Licht durch die Öffnung gelangt) (!Weil der Sensor das Bild zufällig spiegelt)

Welche Linse bündelt parallel einfallendes Licht? (Eine Sammellinse) (!Eine Zerstreuungslinse) (!Eine ebene Glasscheibe) (!Ein Farbfilter)

Welche Gleichung beschreibt eine dünne Linse? (Eins durch f gleich Eins durch g plus Eins durch b) (!f gleich g plus b) (!g gleich f mal b) (!b gleich g geteilt durch f)

Was bedeutet eine größere Blendenzahl? (Eine kleinere Blendenöffnung) (!Eine längere Brennweite in jedem Fall) (!Eine höhere Sensorauflösung) (!Eine kürzere Gegenstandsweite)

Welche Einstellung friert schnelle Bewegung am ehesten ein? (Eine kurze Belichtungszeit) (!Eine lange Belichtungszeit) (!Eine große Bildweite) (!Eine niedrige Megapixelzahl)

Welche Folge hat ein sehr hoher ISO-Wert häufig? (Mehr sichtbares Bildrauschen) (!Eine größere Blendenöffnung) (!Eine längere Brennweite) (!Ein größerer Sensor)

Welche Aufgabe hat der Bildsensor? (Er wandelt Licht in elektrische Messsignale um) (!Er bündelt alle Lichtstrahlen im Brennpunkt) (!Er öffnet und schließt die Blende) (!Er vergrößert die Gegenstandsweite)

Was geschieht beim Fokussieren? (Die optische Abbildung wird auf die Sensorebene gelegt) (!Der ISO-Wert wird immer verdoppelt) (!Die Blende wird vollständig geschlossen) (!Die Pixelzahl des Sensors wird erhöht)

Was erhöht unter sonst gleichen Bedingungen meist die Schärfentiefe? (Eine kleinere Blendenöffnung) (!Eine längere Belichtungszeit allein) (!Ein höherer ISO-Wert allein) (!Eine größere Bilddatei)

Welche Brennweite erzeugt bei gleichem Sensorformat den größeren Bildwinkel? (Eine kurze Brennweite) (!Eine lange Brennweite) (!Jede Brennweite erzeugt denselben Bildwinkel) (!Nur der ISO-Wert bestimmt den Bildwinkel)

Memory

Blende	Regelt Öffnung und Lichtbündel
Belichtungszeit	Bestimmt die Dauer des Lichteinfalls
Brennweite	Abstand zum Brennpunkt im dünnen Linsenmodell
Bildsensor	Wandelt Licht in elektrische Messwerte um
Lochkamera	Erzeugt ein Bild ohne Objektiv
ISO-Wert	Beeinflusst Signalverstärkung und Bildhelligkeit

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Funktion in der Kamera
Sammellinse	Bündelt einfallendes Licht
Blende	Begrenzt die Größe des Lichtbündels
Verschluss	Legt die Belichtungsdauer fest
Sensor	Erfasst die Lichtverteilung
Fokussierung	Legt die scharfe Bildebene auf den Sensor

Kreuzworträtsel

Blende	Welche veränderliche Öffnung regelt das Lichtbündel?
Brennweite	Wie heißt der Abstand zwischen Linsenebene und Brennpunkt?
Sensor	Welches Bauteil wandelt Licht in elektrische Messwerte um?
Verschluss	Welches Bauteil bestimmt die Belichtungsdauer?
Lochkamera	Welche Kamera erzeugt ein Bild ohne Objektiv?
Brechung	Wie heißt die Richtungsänderung von Licht beim Übergang zwischen Medien?

LearningApps

Lückentext

In einer Lochkamera breitet sich Licht näherungsweise

aus. Eine Sammellinse bündelt parallele Strahlen im

. Der Abstand zum Brennpunkt heißt

. Die Linsengleichung verknüpft Brennweite, Gegenstandsweite und

. Eine kleine Blendenzahl steht für eine

Öffnung. Eine kurze Belichtungszeit kann Bewegung

. Ein hoher ISO-Wert kann stärkeres Bildrauschen

. Der Bildsensor wandelt Licht in elektrische

um. Eine kleinere Blendenöffnung vergrößert meist die

. Bei gleichem Sensorformat liefert eine kurze Brennweite einen größeren

.

Offene Aufgaben

Leicht

Lichtweg: Zeichne den Strahlenverlauf in einer Lochkamera und beschrifte Gegenstand, Öffnung und Bild.
Kamerateile: Fotografiere oder skizziere eine Kamera und ordne Objektiv, Blende, Verschluss und Sensor zu.
Bewegungsfoto: Nimm ein bewegtes Motiv mit kurzer und langer Belichtungszeit auf und beschreibe den Unterschied.
Fotodaten: Lies bei drei eigenen Fotos Brennweite, Belichtungszeit und ISO-Wert aus den Bildinformationen ab.

Standard

Lochkamera bauen: Baue eine funktionsfähige Lochkamera und untersuche, wie die Lochgröße Helligkeit und Schärfe beeinflusst.
Brennweite messen: Bestimme die Brennweite einer Sammellinse experimentell und dokumentiere Messunsicherheiten.
Belichtungsreihe: Erzeuge mehrere ähnlich helle Fotos mit unterschiedlichen Kombinationen aus Blende, Zeit und ISO.
Schärfentiefe untersuchen: Fotografiere eine Reihe versetzter Gegenstände mit zwei Blendenöffnungen und vergleiche den scharfen Bereich.

Schwer

Linsengleichung anwenden: Miss Gegenstandsweite und Bildweite, berechne die Brennweite und bewerte Abweichungen vom dünnen Linsenmodell.
Sensorvergleich: Vergleiche Fotos zweier Kameras bei wenig Licht und untersuche, welche Rolle Sensorfläche, ISO-Wert und Verarbeitung spielen.
Bewegungsanalyse: Schätze aus einer Bewegungsunschärfe, einer bekannten Geschwindigkeit und dem Abbildungsmaßstab die Belichtungszeit ab.
Forschungsprojekt Fotophysik: Entwickle eine eigene Forschungsfrage, plane ein kontrolliertes Fotoexperiment und präsentiere Ergebnisse als Poster oder Video.

Lernkontrolle

Unscharfes Sportfoto: Ein Sportfoto ist verwischt und verrauscht. Entwickle zwei verbesserte Einstellungen und begründe die physikalischen Zielkonflikte.
Gleiche Helligkeit, anderes Bild: Vergleiche eine Aufnahme mit offener Blende und kurzer Zeit mit einer Aufnahme mit geschlossener Blende und langer Zeit. Erkläre, warum beide ähnlich hell, aber gestalterisch verschieden sein können.
Bildweite berechnen: Eine Linse besitzt $f = 8 c m$ , der Gegenstand steht $g = 40 c m$ entfernt. Berechne die Bildweite und erkläre, wo ein Schirm stehen muss.
Nachtaufnahme planen: Plane eine rauscharme Nachtaufnahme eines unbewegten Gebäudes. Begründe die Wahl von Stativ, ISO-Wert, Blende und Belichtungszeit.
Smartphone und Systemkamera: Erkläre, warum zwei Kameras mit gleicher Megapixelzahl bei wenig Licht unterschiedliche Ergebnisse liefern können.
Versuch auswerten: Formuliere für eine Messreihe zur Linsengleichung eine Hypothese, eine Fehleranalyse und eine begründete Schlussfolgerung.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du:

den Lichtweg durch Lochkamera und Linsenkamera erklären kannst,
ein Strahlenbild mit Parallel-, Brennpunkt- und Mittelpunktstrahl konstruierst,
Linsengleichung und Abbildungsmaßstab auf einfache Situationen anwendest,
Blende, Belichtungszeit und ISO-Wert fachlich unterscheidest,
Schärfentiefe, Bewegungsunschärfe und Bildrauschen begründet beurteilst,
ein Experiment sicher planst, Messwerte auswertest und Unsicherheiten benennst,
Kameraeinstellungen auf eine neue Aufnahmesituation überträgst.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Kamera und Fotografie - Physik

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.