Sinnesleistungen

Übereinstimmung im optischen Apparat, aber Auswertung der Bilder im Zusammenwirken mit dem Gehirn (Beispiele: Mann im Mond, kortikale Blindheit, optische Täuschungen)

Kamera und Auge entsprechen sich als optische Apparate weitgehend:

lichtundurchlässiges Gehäuse
lichtbrechender Apparat (Linse)
Blende
Scharfeinstellung
lichtempfindliche Schicht

Brechung

Lichtstrahlen zeigen beim Übergang vom optisch dünneren zum optisch dichteren Medium eine Ablenkung zum Lot hin.

Versuch: Lichtbrechung am Übergang Luft - Wasser

Aufbau des Auges

Hornhaut
Iris
Pupille
Linse
Aufhängefasern der Linse
Ziliarmuskel
Netzhaut
Netzhautgrube (Gelber Fleck)
Blinder Fleck (Austrittsstelle des Sehnerven)
Sehnerv
Lederhaut

Versuch: Nachweis des Blinden Flecks

Strahlengang im Auge

Die Augenlinse erzeugt ein verkleinertes, umgekehrtes Bild auf der Netzhaut

Akkommodation: Anpassung an wechselnde Entfernungen

prinzipiell verschiedene Möglichkeiten (Beispiel Fotoapparat, Fische, Mensch)

Ziliarmuskel entspannt

=> Aufhängefasern der Linse gespannt

=> Linse abgeflacht

=> Fern-Einstellung

Ziliarmuskel gespannt

=> Aufhängefasern der Linse entspannt

=> Linse stärker gekrümmt

=> Nah-Einstellung

Weit- und Kurzsichtigkeit

normalsichtiges Auge: parallel einfallende Lichtstrahlen vereinigen sich auf der Netzhaut

Augapfel zu kurz => parallel einfallende Lichtstrahlen vereinigen sich hinter der Netzhaut - Brechkraft der Linse zu gering - Nahpunkt rückt in die Ferne - Weitsichtigkeit - Korrektur durch eine Sammellinse (konvex)

Alters-Weitsichtigkeit: Elastizität der Augenlinse lässt nach - Brechkraft der Linse sinkt - "Lesebrille"

Augapfel zu lang => parallel einfallende Lichtstrahlen vereinigen sich vor der Netzhaut - Brechkraft der Linse zu groß - Fernpunkt rückt in die Nähe - Kurzsichtigkeit - Korrektur durch eine Zerstreuungslinse (konkav)

Zusatzinfo: Versuche mit dem Optometer von Schreiner

Astigmatismus

Ungleichmäßige Hornhautkrümmung - Korrektur durch zylinderförmig geschliffene Gläser möglich

weitere Störungen des Sehvermögens:

- grauer Star (= Katarakt) - Trübung der Augenlinse

- grüner Star (= Glaukom) - erhöhter Augeninnendruck

Organisation der Netzhaut

Typen von Lichtsinneszellen:

Stäbchen für Helligkeit

Zapfen für Farbensehen (3 Typen: Empfindlichkeit für Rot, Grün und Blau)

Sehen in der Dämmerung: nur Grautöne - geringere Empfindlichkeit der Zapfen - Sternenhimmel -

Am Rand des Gesichtsfeldes nur Stäbchen - kein Farbensehen, dafür hohe Empfindlichkeit für Bewegungs-Wahrnehmungen (=> wichtig für Webdesign: Ablenkung durch Blink-Effekte vermeiden)

Farbenblindheit

Rot-Grün-Blindheit, Rot-Grün-Schwäche

Nachweis durch Farbtafeln

Gehirnleistungen beim Sehen

1. Unterscheidung von Eigen- und Fremdbewegungen - Nystagmus

Warum erleben wir die Umwelt bei Kopfdrehung als ruhend, trotz Verschiebung des Bildes auf der Netzhaut?

Versuch: Nachweis des Nystagmus bei geöffneten und bei geschlossenen Augen

Während sich der Kopf bewegt, halten die Augen eine feste Beziehung zur Umwelt ein, dann springen sie in die neue Lage und überholen dabei die Kopfbewegung. Auf der Netzhaut entsteht dadurch ein scharfes Bild (vergl. verwackelte Fotografie)

Die Information über die Drehung des Kopfes wird in Befehle umgewandelt, welche die Augen zu kompensierenden Gegenbewegungen (langsame Phasen) und sprunghaften Überholbewegungen (schnelle Phasen des Nystagmus) veranlassen.

Bei Augenbewegung ohne Kopfbewegung (Versuch) entsteht der Eindruck, die Umwelt bewege sich. Das Gehirn empfing offenbar keine Information über die Augenbewegung

Bewegungs-Täuschungen

2. Koordination

Wir sehen ein aufrechtes Bild - Versuche mit Umkehrbrille

3. Entfernung eines Gegenstandes

aus der bekannten Größe eines Gegenstandes (Täuschungen auf Wasserflächen und im Hochgebirge)
Farbperspektive durch die Atmosphäre (Täuschung auf dem Mond bei fehlender Atmosphäre)
aus der Konvergenz der Augachsen
Stereo-Effekt (Versuche: Einäugig eine Nadel einfädeln; Fixieren des Daumens abwechselnd mit dem einen und mit dem anderen Auge; Betrachtung stereoskopischer Bilder)

4. Farbwahrnehmung

Farbe liefert zusätzliche Information - aber Notwendigkeit von Farbkonstanz! Es kommt darauf an, die Dinge unabhängig von der äußeren Beleuchtung richtig zu sehen.

(Täuschungen möglich, z.B. beim Kleiderkauf)

Worin unterscheidet sich die Farbwahrnehmung von der Physik des Lichtes verschiedener Wellenlängen?

Physik: Das Spektrum des Lichtes lässt sich entlang einer Wellenlängenskala darstellen, ähnlich der Tonskala - Wahrnehmung: Farbenkreis (Purpur schließt den Farbenkreis, diese Farbe hat im Spektrum keine Entsprechung)
Weiß: Existenz einer farblosen Farbe (bestimmtes Mischungsverhältnis) - Analogie: Ton ohne Tonhöhe?
Komplementärfarben: je zwei Farben erscheinen zu Paaren geordnet; sie addieren sich zu weiß bzw. löschen sich aus (z.B. Rot - Grün; Gelb - Blau)
Abblassen einer Farbe, die das ganze Gesichtsfeld ausfüllt (Raumbeleuchtung)

Alle diese Eigentümlichkeiten stehen in Zusammenhang mit dem Problem der Farbkonstanz.

Jeder Farbe wird eine auslöschende Gegenfarbe zugeordnet, die aktiv erzeugt und somit die unerwünschte vorherrschende Farbe annulliert. Sonnenlicht erscheint weiß und beansprucht den Korrekturmechanismus somit am wenigsten.

Multiple-Choice-Fragen:

Die Scharfeinstellung beim Betrachten naher Gegenstände wird bewirkt durch

a) Verkleinerung der Brennweite der Linse

b) Vergrößerung der Brennweite der Linse

c) Erschlaffen des Ziliarmuskels

d) stärkere Krümmung der Linse

e) Erschlaffen der Zonulafasern

f) Abflachung der Linse

g) Kontraktion des Ziliarmuskels

h) Spannen der Zonulafasern

Alters-Weitsichtigkeit

a) wird korrigiert durch eine Sammellinse

b) entsteht durch immer stärkere Krümmung der Linse mit zunehmendem Alter

c) führt zur Verschiebung des Fernpunkts

d) entsteht durch Verlust der Linsen-Elastizität

e) wird korrigiert durch eine Zerstreuungslinse

f) führt zur Verschiebung des Nahpunkts

Beim kurzsichtigen Auge

a) vereinigen sich die Lichtstrahlen vor der Netzhaut

b) ist der Augapfel zu kurz

c) lässt sich durch eine Zerstreuungslinse normales Sehvermögen herstellen

d) rückt der Nahpunkt in die Ferne

Das Gehör

Vergleich von Hörsinn und Sehsinn

- Bedeutung des Hörens für den Erwerb abstrakter Begriffe und das Denken (Sprache: deaf - doof - dumm - Depp - taub => gemeinsamer Ursprung)

- Orientierung der Fledermäuse

Zur Natur des Schalls

Äußeres Ohr und Mittelohr

Funktion des äußeren Ohres: Richtungswahrnehmung, Schalldruckverstärkung

Funktion des Mittelohrs: Schalldruckverstärkung

Notwendigkeit der Impedanzwandlung (beim Übertritt des Schalls von Luft in Wasser werden 99,9 % der Schallenergie reflektiert!)

in Luft: große Amplitude, geringer Druck

in Wasser: kleine Amplitude, hoher Druck

a) Prinzip der hydraulischen Presse (Trommelfell: 64 mm², Fußplatte des Steigbügels: 3 mm²)

b) Hebelwirkung durch Gehörknöchelchen

aus a) und b) resultiert eine Schalldruckverstärkung um den Faktor 22

Schema:

Innenohr

prinzipielle Möglichkeiten der Schallanalyse

a) Resonanzprinzip

b) Wanderwellendispersion

Schallschädigungen auf der Basilarmembran - frequenzabhängige Maxima

Schema der Basilarmembran mit Momentaufnahme einer Wanderwelle:

- die Breite der Basilarmembran nimmt vom Steigbügelende aus zu

- die elastische Rückstellkraft nimmt ab

- die Wellengeschwindigkeit nimmt ab

Wenn die Resonanzfrequenz gerade mit der Anregungsfrequenz übereinstimmt, erreicht die Amplitude ein Maximum. Hohe Frequenzen erzeugen maximale Ausschläge in der Nähe des Steigbügelfensters, niedrige Frequenzen werden in der Nähe der Schneckenspitze abgebildet.

Querschnitt durch die Schnecke des Innenohrs

Richtungshören

a) Intensitätsdifferenz (vergl. Stereofonie)

Der Schall ist an dem der Schallquelle zugewandten Ohr lauter zu hören.

b) Laufzeitdifferenz zwischen beiden Ohren

Der Schall trifft z.B. bei einer rechts vorne liegenden Schallquelle um die Zeit später ein, die zum Durchlaufen der Strecke s benötigt wird.

Berechnung der Laufzeitdifferenz des Schalls für a = 90° (Schallquelle rechts oder links)

Versuch: Ermittlung des zeitlichen Auflösungsvermögens des Gehörs

d = Entfernung von der Mittellinie, an der die Klopfgeräusche gerade noch richtig nach links oder rechts zugeordnet werden können

Auswertung:

Bei einer Richtungsschwelle von 3 - 5° liegt das zeitliche Auflösungsvermögen in der Größenordnung von 10^-5 Sekunden!

Entfernung der Schallquelle

- frequenzabhängige Dämpfung des Luftschallspektrums (Beispiele: naher Blitzeinschlag, ferner Donner; Blasmusikkapelle)

Lärm - Hörstörungen

Was ist Lärm?

Jede Art von Schall (Ton, Klang, Geräusch oder Knall), der vom Menschen als störend, belästigend, unangenehm empfunden wird, der ihn erschreckt und seine Gesundheit gefährdet oder schädigt.

Maßeinheiten von Schall und Lärm

Schallintensität: Der Bereich der Wahrnehmung reicht von 10^-12 Watt / m² (Wahrnehmungsschwelle bei 1 kHz) bis 1 Watt / m², am Ohr gemessen - über 12 Zehnerpotenzen! - eine logarithmische Skala ist deshalb günstiger

Schalldruckpegel - Dezibel-Skala - ein Maß für große Zahlen

Man gibt nicht die absolute Größe der Schallintensität an, sonder bezieht die jeweiligen Schallintensitäten I auf die Intensitäten der Hörschwelle I₀, d.h. man gibt das Verhältnis der Schallintensitäten I / I₀ an. Die kleinste noch hörbare Änderung des Schalldruckpegels beträgt ca. 1 dB (Dezibel = 1 /10 Bel).

Intensitätsverhältnis			Bel	Dezibel
1	=	10⁰	0	0	Hörschwelle
10	=	10¹	1	10	Blätterrauschen
100	=	10²	2	20	Gehen auf weichem Teppich, Ticken einer Uhr
1 000	=	10³	3	30	Flüstern
10 000	=	10⁴	4	40	leises Gespräch
100 000	=	10⁵	5	50	leise Radiomusik
1 000 000	=	10⁶	6	60	Radio Zimmerlautstärke, normales Gespräch
10 000 000	=	10⁷	7	70	Straßenverkehr
100 000 000	=	10⁸	8	80	Moped (normal)
1 000 000 000	=	10⁹	9	90	Presslufthammer (7 m Entfernung)
10 000 000 000	=	10¹⁰	10	100	Autohupe
100 000 000 000	=	10¹¹	11	110	Kreissäge (1 m Entfernung)
1 000 000 000 000	=	10¹²	12	120	laute Disco-Musik
10 000 000 000 000	=	10¹³	13	130	Düsenmotor

Es gelten die Rechenregeln für Logarithmen.

Beispiel:

2 Radios mit 60 dB ergeben 63 dB.

10 Radios mit je 60 dB ergeben 70 dB.

Wir empfinden eine Erhöhung um 10 dB nur als Verdopplung der subjektiven Lautheitseindrucks.

Unterscheidung zwischen physikalischer Schallstärke und subjektiver Lautstärke-Empfindung

Kurven gleicher Lautstärke im Schalldruckpegel - Frequenz - Diagramm:

Phon-Skala der Lautstärkeempfindung

Wie kann man z.B. den Lärm aus einer Diskothek mit dem Motorengeräusch eines Flugzeugs vergleichen?

Umweg über Vergleich mit einem 1000 Hz-Vergleichston

Die Lautstärke eines beliebigen Geräusches in Phon ist gleich dem Zahlenwert eines physikalisch gemessenen Schallpegels eines gleich laut empfundenen Tones von 1000 Hz in dB.

Messung von Schall mit dem Schallpegelmesser - A-Filter => dB(A)

Wirkung von Lärm

- Gehörschädigung über 90 dB

- Schlafstörungen

- Kreislaufbelastung, Stress

Lärmschutz-Maßnahmen

Drehsinn und Lagesinn

Notwendigkeit der Unterscheidung von Eigen- und Fremdbewegungen - wenn der Kopf schräg gehalten wird, erscheint das Bild trotzdem waagrecht

Versuch: Nachweis des Nystagmus

Versuche am Labyrinth-Modell (Trägheit der Flüssigkeit - Abbiegen der Sinneshaare - Drehschwindel)

Die Bogengänge sind nach den drei Richtungen des Raumes orientiert:

- funktioniert auch unter Wasser - Reisekrankheit, Seekrankheit bei Omnibusfahrten und Seereisen - im schwerelosen Zustand? (Raumfahrt) - Evolution - Krebs: Statocyste mit freiem Statolithen (Versuch mit Eisenpulver) - endogene Reizerzeugung