Publikationen
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Monografien
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Grebe-Ellis, J. & Quick, T.: Optik - Physik fĂĽr Lehramtsstudierende, Band 3, De Gruyter Brill (in Vorbereitung)
Zusammenfassung: Der dritte Band des Lehrwerks Physik für Lehramtsstudierende behandelt zentrale Themen der Optik und folgt dabei einem methodischen Zugang, der von phänomenologischen Betrachtungen und der Erfahrung des Sehens ausgeht. Optische Begriffe und Zusammenhänge werden schrittweise aus beobachtbaren Erscheinungen entwickelt, wobei die Bedingungen ihres Auftretens systematisch herausgearbeitet werden. Lichtmodelle werden als strukturierende Deutungsangebote eingeführt, die das Verständnis vertiefen und ordnen, ohne den Bezug zur erfahrungsnahen Beschreibung der Phänomene zu verlieren. Der Band unterstützt so den Aufbau eines tragfähigen Verständnisses optischer Prozesse und bietet Lehramtsstudierenden eine fundierte Grundlage für die fachliche Durchdringung und didaktische Vermittlung optischer Inhalte.
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Quick, T. (2015): Phänomenologie der optischen Hebung, Berlin: Logos Verlag
Zusammenfassung: Objekte, die in optisch dichteren Medien wie Wasser gesehen werden, erscheinen lotrecht gegen die durchblickte Grenzfläche gehoben. Das Phänomen ist seit der Antike bekannt, es wird nach Goethe als optische Hebung bezeichnet und im Optikunterricht der Schule gerne als Einstieg in die Refraktionsoptik genutzt. Diese handelt indessen nicht von optischer Hebung, sondern von Lichtbrechung, was im Wesentlichen historische Gründe hat. Wie Hebung von Sicht und Brechung von Licht als methodisch verschiedenartige aber gleichwertige, verallgemeinerbare Perspektiven auf denselben optischen Phänomenkomplex vermittelbar werden, ist in den vergangenen Jahren im physikdidaktischen Kontext mehrfach diskutiert worden. Offen geblieben ist dabei eine Reihe fachlicher, didaktischer und methodisch-erkenntnistheoretischer Fragen, die sich u.a. auf die astigmatischen Bedingungen der Bildentstehung, auf methodisch aufschlussreiche Unterschiede historischer Zugänge zum Brechungsproblem und auf die mathematische Beschreibung der Bildkurven der Hebung beziehen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Beantwortung dieser Fragen im Rahmen einer Phänomenologie der optischen Hebung. (Inhaltsverzeichnis)
Buch- und Zeitschriftenbeiträge
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Grebe-Ellis, J. & Quick,T. (2026): From Pinhole Imaging to Planetary Orbit: A Year-Long Solar Angular Measurement with a Pinhole Camera, American Journal of Physics 2/94: xx-xx
Abstract: We present a year-long experiment using a pinhole camera to determine the Sun’s angular size, employing a flat mirror to project large-scale solar images of about $50-60$ cm in diameter. Our analysis resolves the annual angular variation of 65 arcseconds, reflecting Earth’s elliptical orbit. Additionally, we observed atmospheric seeing effects (the effects of atmospheric turbulence) and sunspots visible with the naked eye. The project offers an accessible platform for high school and undergraduate students to engage in scientific inquiry.
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Grebe-Ellis, J. & Quick, T. (2025): The Study of Shadows – Kepler’s 'Light Figures' and Pinhole Imaging, Physics Education 5/60: 11p
Abstract Kepler’s theory on pinhole camera imaging is still valid today, its development is well documented and provides an exciting context for optics lessons. Kepler presented a generalized concept of ’light figures,’ describing the formation of soft shadow images through the interaction between extended apertures and extended light sources. The work marks the culmination of Kepler’s extensive engagement with the ’Moon puzzle.’ In this paper, we examine Kepler’s theory and depiction of ’light figures’ from both historical and experimental perspectives. We provide an overview of Kepler’s theory and its historical context, and present experiments that illustrate Kepler’s theoretical insights, specifically designed for educational use. In this way, a generalized concept of soft shadow imaging can be integrated into optics education, drawing on an authentic historical context. (Volltext)
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Quick,T. & Grebe-Ellis, J. (2025): Kepler's Moon Puzzle – A Historical Context for Pinhole Imaging, American Journal of Physics 3/93: 215–222
Abstract: In 16th-century European astronomy, determining the sizes of the Sun and Moon using a pinhole camera was common. However, calculating the Moon´s diameter from the concave segment of the partially obscured Sun yielded puzzling results due to a lack of a comprehensive theory of the influence of the aperture on the image. This inconsistency led Tycho Brahe to question prevailing assumptions in celestial mechanics. Recognizing this, Johannes Kepler conducted measurements during a solar eclipse in Graz July 10, 1600, and soon developed a theory of the pinhole camera that remains valid today. In this article, we recount the historical episode leading to Kepler´s theory through original works, complemented by a series of illustrative experiments for classroom use. This historical case study offers a rich context for reflecting on Nature of Science aspects within physics education. (Volltext)
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Quick,T. & Grebe-Ellis, J. (2024): Das Mondrätsel und die Erfindung der modernen Optik, PhyDid B – Didaktik der Physik. Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung 2024 in Greifswald.
Abstract: In der europäischen Astronomie des 16. Jahrhunderts war es üblich, die Größen von Sonne und Mond mithilfe einer Lochkamera zu bestimmen. Die Erschließung des Monddurchmessers aus dem konkaven Randstück der teilverdeckten Sonne führte jedoch zu Werten, die rät-selhaft blieben, solange keine Theorie der Lochkamera existierte, die den Einfluss der Lochblende korrekt berücksichtigte. Auf diese Unstimmigkeiten aufmerksam geworden führte der junge Johannes Kepler am 10. Juli 1600 Messungen während einer Sonnenfinsternis in Graz durch. Nur wenige Tage später präsentierte er in seinen Aufzeichnungen eine vollständig aus-gearbeitete Theorie der Lochkamera, die bis heute gültig ist. Im folgenden Beitrag zeichnen wir den historischen Weg zur Formulierung dieser Theorie anhand ausgewählter Originalarbeiten von Kepler und Brahe nach und stellen eine Reihe veranschaulichender Experimente vor, die sich auch für den schulischen Einsatz eignen. Die damit präsentierte Episode aus der Geschichte der Optik dient zugleich auch als exemplarische Fallstudie, mit der NOS-Aspekte im Physikunterricht reflektiert werden können. (Volltext)
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Quick,T. & Grebe-Ellis, J. (2024): The Eye Caustic of a Ball Lens, European Journal of Physics 4/45: 1-23
Abstract: Lens phenomena, such as caustics, image distortions, and the formation of multiple images, are commonly observed in various refracting geometries, including raindrops, drinking glasses, and transparent vases. In this study, we investigate the ball lens as a representative example to showcase the capabilities of Berry’s eye caustic as an optical tool. Unlike the conventional paraxial approximation, the eye caustic enables a comprehensive understanding of image transformations throughout the entire optical space. Through experimental exploration, we establish the relationship between the eye caustic and traditional light caustics. Furthermore, we provide mathematical expressions to describe both the caustic and the image transformations that occur when viewing objects through the ball lens. This approach could be of interest for optics education, as it addresses two fundamental challenges in image formation: overcoming the limitations of the paraxial approximation and recognizing the essential role of the observer in comprehending lens phenomena. (Volltext)
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Grebe-Ellis,J. & Quick, T. (2023): Soft Shadow Images, European Journal of Physics 4/44: 1-23
Abstract: In traditional optics education, shadows are often regarded as a mere triviality, namely as silhouettes of obstacles to the propagation of light. However, by examining a series of shadow phenomena from an embedded perspective, we challenge this view and demonstrate how in general both the shape of the object and light source have significant impact on the resulting soft shadow images. Through experimental and mathematical analysis of the imaging properties of inverse objects, we develop a generalized concept of shadow images as complementary phenomena. Shadow images are instructive examples of optical convolution and provide an opportunity to learn about the power of embedded perspective for the study of optical phenomena in the classroom. Additionally, we introduce the less-known phenomenon of the bright shadow. (Volltext)
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Quick, T., Grebe-Ellis, J., & Passon, O. (2015): Ein genauer Blick auf die optische Hebung. PhyDid A – Physik und Didaktik in Schule und Hochschule 1/14: 26-44
Zusammenfassung: Die Frage, wo das gehobene Bild eines unter Wasser liegenden Objekts gesehen wird, beantworten Schulbücher und Lehrwerke der Optik mit unterschiedlichen und oft widersprüchlichen Darstel-lungen zum Phänomen der optischen Hebung. Geht man von einer punktförmigen Pupille aus, er-geben sich zwei Bildpunkte desselben Objektpunkts: Das Bild ist astigmatisch. Während das sagittale Bild senkrecht über dem Objektpunkt gesehen wird, sollte das meridionale Bild dem Be-obachter gleichzeitig entgegengerückt erscheinen. Dies steht im Widerspruch zur monokularen Beobachtung. Nach einer kritischen Diskussion verschiedener Darstellungen und Lösungsansätze zum Problem der optischen Hebung wird ein Experiment vorgestellt, mit dem die Trennung der Bilder im Zentimeterbereich gelingt. Inwiefern die Bildhelligkeit eine bisher unberücksichtigte Eigenschaft der Bilder darstellt, wird abschließend zur Diskussion gestellt. (Volltext)
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Hümbert, S.; Quick, T. & Grebe-Ellis, J. (2013): „Ich sehe was, was du nicht siehst...“ – Experimente zur optischen Bestimmung der Ergänzungsfarben im Nachbild. PhyDid B - Didaktik der Physik - Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung
Zusammenfassung: Nachbilder bieten eine leicht zugängliche Gelegenheit, sich mit der aktiven Seite des Sehvorgangs und den Eigengesetzlichkeiten des Farbensehens zu befassen. Um uns mit Studierenden dem Zusammenhang zwischen der angeblickten Farbe und der im Sukzessivkontrast hervorgebrachten "Ergänzungsfarbe" anzunähern, haben wir eine Reihe einfacher Versuche entworfen, in denen man die im Nachbild gesehenen Ergänzungsfarben am PC optisch mit RGB-Farbwerten identifizieren kann. Ferner bieten die Versuche die Möglichkeit, verschiedene Einflüsse auf die subjektive Farbwahrnehmung zu untersuchen. Dazu zählen beispielsweise die Untergrund- und Umgebungsfarbe bzw. –helligkeit oder der Farbkontrast. Die in einer kleinen Studie erhobenen Daten werden farbmetrisch ausgewertet, die Ergebnisse mit den rechnerisch bestimmten Komplementärfarben der Ausgangsfarbreize in Beziehung gesetzt und mit ähnlichen Studien verglichen. Darüber hinaus wird darauf eingegangen, inwiefern sich die vorgestellten Versuche eignen, um in den Themenkomplex „Farbe“ als bereichernden Kontext im Lehramtsstudium einzuführen. (Volltext)
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Quick, T. (2012): Ăśber den Wolken ... . Grundschule Sachunterricht 53 (1):21-27
Ready for take off - ein Flugzeug beschleunigt, rast über die Startbahn, hebt ab, steigt 10000 m in den Himmel hinauf und fliegt. Ganz anders als die Vögel, die doch mit den Flügeln schlagen müssen, um in der Luft zu bleiben. Fliegen ist ein Thema, das Kinder fasziniert und über das sie mehr erfahren wollen. In dieser Unterrichtsidee lernen sie, welche vier Kräfte dazu beitragen, dass Flugzeuge fliegen können und was sie mit Vögeln gemeinsam haben. (Volltext)
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Quick, T; Grebe-Ellis, J. (2011): Wo wird das Bild einer unter Wasser liegenden Münze gesehen? PhyDid B – Didaktik der Physik. Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung 2011 in Münster.
Zusammenfassung: Ein Blick in Schul- und Lehrbücher der Optik zeigt, dass es unterschiedliche und oft auch fehlerhafte Darstellungen darüber gibt, wo das gehobene Bild eines unter Wasser liegenden Objekts gesehen wird. Physikalisch ergeben sich im Grenzfall einer punktförmigen Pupille zwei Bildpunkte desselben Objektpunkts: Das Bild ist astigmatisch. Während das sagittale Bild senkrecht über dem Objektpunkt gesehen wird, würde das meridionale Bild dem Beobachter gleichzeitig entgegen gerückt erscheinen. Dies steht im Widerspruch zu monokularen Beobachtungen, bei denen das gehobene Bild ausschließlich senkrecht über dem zugehörigen Objekt gesehen wird. Nach einer Diskussion verschiedener Darstellungen zum Thema wird ein Experiment vorgestellt, bei dem die Separation der Bildpunkte im Zentimeterbereich mit einem Mikroskop gelingt. Den Abschluss bildet eine Überlegung zur unterschiedlichen Helligkeit der Bilder. (Volltext)
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Quick, T. (2011): Die Erde - Unser Heimatplanet. Grundschule Sachunterricht 51 (3): 20-26
Unsere Erde existiert seit etwa 4,5 Milliarden Jahren, die ersten Menschen bewohnen sie seit etwa 2,5 Millionen Jahren: Das sind unvorstellbare Zahlen, die zugleich für eine beeindruckende Kontinuität in der Bewahrung von lebenswichtigen Bedingungen auf dem Planeten Erde sprechen. Welche Bedingungen das sind, können Kinder in dieser Unterrichtsidee lernen. (Volltext)
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Quick, T. (2011): Einmal Neptun und zurĂĽck. Grundschule Sachunterricht 51 (3): 27-31
Schlummernde Vulkane, rote Wüsten, in giftige Wolken gehüllte "Landschaften"- diese Orte muss sich kein Schriftsteller ausdenken, sie existieren auf den Planeten unseres Sonnensystems. KInder wie Erwachsene sind von ihnen fasziniert. Im Beitrag werden Anregungen gegeben, wie Kinder ihr Wissen über die acht Planeten und erweitern können. (Volltext)
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Quick, T. (2011): Warum hängen Planeten nicht an der Leine? Grundschule Sachunterricht, 51 (3): 32-33
Es gehört zu unseren Gewissheiten, dass Gegenstände zu Boden fallen können. Egal, ob es ein Buch, etwas Kleingeld oder eine Tasse ist: Wenn wir sie nicht festhalten, fallen sie nach unten. Das Wirken der Schwerkraft (Gravitation) haben wir mehrfach im Alltag erfahren, es ist uns vertraut, an der Schwerkraft scheint nichts Geheimnisvolles zu sein. Was Kinder über die Schwerkraft bereits in der Grundschule lernen können, wird in diesem Beitrag diskutiert. (Volltext)
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Quick, T.; Grebe-Ellis, J. (2010): Eine mathematische Beschreibung von Helligkeitsverläufen in Schattenbildern In: D. Höttecke (Hrsg.), Entwicklung naturwissenschaftlichen Denkens zwischen Phänomen und Systematik. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik. Jahrestagung in Dresden 2009. Münster: LIT-Verlag, S. 404 – 406
Zusammenfassung: Schatten sind Bilder. Dies bemerkt jeder, der darauf achtet, wie unterschiedlich Schatten desselben Gegenstandes in der Beleuchtung durch verschieden geformte Leuchten aussehen. Die Bedingungen, unter denen sich beide, Schattengeber und Leuchte, im Schattenbild zur Geltung bringen, können formuliert werden, indem die für den Ort des Schattenbildes sich ergebenden Verdeckungsverhältnisse zwischen Schattengeber und Leuchte in Abhängigkeit ihres relativen Abstands zueinander berücksichtigt werden. In einem früheren Artikel zur Entstehung und Verwandlung komplementärer Schattenbilder (Grebe-Ellis 2007) wurde die Vermutung aufgestellt, dass die charakteristische Verwandlung, die das Schattenbild während der Verschiebung des Schattengebers zwischen Leuchte und Projektionswand durchläuft, mithilfe der Faltung beschrieben werden kann. Die Präzisierung und Ausarbeitung dieser Überlegungen im Rahmen einer Examensarbeit (Quick 2008) bestätigen die genannte Vermutung. Es werden Bedingungen, Möglichkeiten und Grenzen des entwickelten Vorgehens an Beispielen vorgestellt.
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Quick, T., Müller, M. & Grebe-Ellis, J. (2009): Mathematische Beschreibung von Schattenbildern im Kontext der phänomenologischen Optik. In: Nordmeier, V. & Grötzebauch, H. (Hrsg.): Didaktik der Physik. Beiträge zur Frühjahrstagung der DPG 2009 in Bochum, Berlin: Lehmanns Media
Zusammenfassung: Schatten sind Bilder. Dies bemerkt jeder, der darauf achtet, wie unterschiedlich Schatten desselben Gegenstandes in der Beleuchtung durch verschieden geformte Leuchten aussehen. Die Bedingungen, unter denen sich beide – Schattengeber und Leuchte – im Schattenbild zur Geltung bringen, können formuliert werden, indem die für den Ort des Schattenbildes sich ergebenden Verdeckungsverhältnisse zwischen Schattengeber und Leuchte in Abhängigkeit ihres relativen Abstands zueinander berücksichtigt werden. In einem früheren Beitrag zur Entstehung und Verwandlung komplementärer Schattenbilder von Grebe-Ellis wurde die Vermutung aufgestellt, dass die charakteristische Verwandlung, die das Schattenbild während der Verschiebung des Schattengebers zwischen Leuchte und Projektionswand durchläuft, mithilfe der Faltung beschrieben werden kann und zugleich ein anschauliches Beispiel für diesen Transformationstypus liefert (vgl. [1]). Die Präzisierung und Ausarbeitung dieser Überlegungen im Rahmen einer Examensarbeit bestätigen die genannte Vermutung (vgl. [2]). (Volltext)
Vorträge und Posterbeiträge
- Kepler und das Mondrätsel: Zur Entstehungsgeschichte der Lochkamera-Theorie (9. Summer School Lehrkunstdidaktik, Wuppertal 2025)
- Erleben, Erzählen, Erkennen: Phänomenologische Perspektiven in wissenschaftshistorischen Narrativen als Beitrag für einen NOS-orientierten Unterricht (OpenEyes 2025, Wuppertal)
- Sonnenbilder vermessen - Ein Werkstattbericht (Arbeitstage Physiker:innen, Dornach 2025)
- Das Mondrätsel und die Erfindung der modernen Optik (DPG 2024, Greifswald)
- Eine phänomenologische Untersuchung der Bildverwandlungen an einer Kugellinse (Arbeitstage Physiker:innen, Dornach 2024)
- Bilder der Kugellinse (DPG 2022)
- Sagittal oder meridional – welches Bild sehen wir? Eine Klärung zur optischen Hebung (DPG Lehrerfortbildung "Licht, Bild und Farbe", 2016)
- Die Kaustik des Auges - Ein bildoptisches Beschreibungsinstrument (DPG 2013)
- Meridionales und sagittales Bild im Experiment (DPG 2011, Posterbeitrag)
- Wo wird das Bild einer unter Wasser liegenden MĂĽnze gesehen? (DPG 2010)
- Warum hängen Planeten an keiner Leine? (Vortrag zur KinderUni 2010 in Lüneburg)
- Bildkurven der Hebung (Arbeitstage fĂĽr Physiker und Physiklehrer in Kassel)
- Helligkeitsverläufe in Schattenbereichen (GDCP 2009, Beitrag zum Postersymposium)
- Helligkeitsverläufe in Schattenbereichen (DPG 2009)