Lichtausbreitung

Optik

Lichtausbreitung

  • Wann können wir Gegenstände sehen?
  • Warum sprechen wir von Lichtstrahlen?
  • Wie entstehen Schatten?
  • Wie funktioniert eine Lochkamera?

Das Wichtigste auf einen Blick

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Darstellung des Sehvorgangs
Dein Auge ist - ähnlich wie eine Kamera - ein "Lichtempfänger". Du siehst einen Gegenstand nur dann, wenn Licht von diesem Gegenstand aus in dein Auge fällt.

Du siehst also Lichtquellen wie eine Lampe oder die Sonne, wenn das von ihnen ausgesandte Licht in dein Auge gelangt.

Nicht selbstleuchtende Gegenstände wie eine Blume oder den Mond siehst du, wenn diese Gegenstände das Licht von einer Lichtquelle in dein Auge zurückwerfen

Schon im Altertum machten sich Naturforscher wie zum Beispiel PYTHAGORAS (ca. 570-480 v. Chr.) oder PTOLEMÄUS (ca. 100-160 n. Chr.) Gedanken darüber, wie wir Menschen die Welt um uns herum überhaupt sehen können. Die folgenden Abbildungen zeigen verschiedene Vorstellungen vom Sehvorgang.

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Sehvorstellungen im Altertum
Abb. 1: Links die Vorstellung des Sehens nach Pythagoras, rechts der Sehvorgang nach Ptolemäus
Ingolf Sauer/ Vase by Firkin

Noch heute deuten Redewendungen wie "Einen Blick auf etwas werfen", "die Erleuchtung bekommen" oder "ein heller Kopf sein" auf einige dieser Vorstellungen hin. Warum alle diese Vorstellungen den Sehvorgang nicht vollständig beschreiben, kannst du selbst entdecken, indem du diese Musteraufgabe bearbeitest.
Zur heutigen Vorstellung des Sehvorgangs gelangte die Menschheit erst etwa im 17. Jahrhundert.

Verständnisaufgabe

Entscheide, in welcher der Skizzen der Beobachter, dargestellt durch das Auge, die Blume sehen kann und begründe deine Entscheidung.

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Lösungsvorschläge
Lösung

Damit der Mensch die Blume sehen kann, muss Licht von der Lampe auf die Blume und dann von der Blume in das Auge treffen. Deshalb ist nur der Vorschlag c richtig. Die Vorschläge a, und d sind falsch, da hier kein Licht in das Auge trifft, sondern nur "Sehstrahlen" vom Auge ausgehen. Das ist in Wirklichkeit nicht der Fall. Vorschlag b ist falsch, da das Licht nicht auf die Blume trifft. Der Beobachter könnte nur die Lampe sehen. Vorschlag e ist ebenfalls falsch, da zwar Licht auf die Blume, aber kein Licht von der Blume in das Auge trifft.

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Von Lichtquellen wie der Sonne gehen meist divergente (auseinanderlaufende) Lichtbündel aus.
  • Mithilfe von Blenden oder Spalten kann man daraus (nahezu) parallele Lichtbündel erzeugen, die in unserer Vorstellung aus vielen einzelnen, sehr dünnen Lichtstrahlen bestehen.
  • Lichtstrahlen breiten sich in einem homogenen Medium, wie z.B. Luft, geradlinig aus.
  • Lichtstrahlen stören sich nicht gegenseitig in ihrer geradlinigen Ausbreitung.

Divergente und parallele Lichtbündel

Das Licht, das von einer Lichtquelle wie der Sonne oder einer Glühbirne ausgeht, breitet sich in verschiedene Richtungen aus - es divergiert (läuft auseinander). Mithilfe von Blenden, Spalten oder anderen Hilfsmitteln kann man daraus jedoch wie in diesem Experiment, dessen Ergebnis das folgende Bild zeigt, ein (nahezu) paralleles Lichtbündel erzeugen.

Erzeugung eines Parallelbündels

Erzeugung eines Parallelbündels
Abb.1: Erzeugung eines parallelen Lichtbündels aus einem divergenten Lichtbündel

Das Lichtstrahl-Modell

Störungsfreie Ausbreitung zweier Lichtstrahlen

Störungsfreie Ausbreitung zweier Lichtstrahlen
Abb. 2: Störungsfreie Ausbreitung zweier Lichtstrahlen
Stefan Richtberg
Verkleinerst du das parallele Lichtbündel immer weiter, so erhältst du ein extrem feines paralleles Lichtbündel, das auch Lichtstrahl genannt wird.

Einen idealen Lichtstrahl mit verschwindendem Durchmesser gibt es in der Realität nicht, sondern nur in unserer gedanklichen Vorstellung. Man sagt auch der Lichtstrahl ist eine Modellvorstellung.

Lichtbündel und Lichtstrahlen breiten sich in einem (homogenen) Medium wie z.B. Luft geradlinig aus. Weiter stören sich zwei Lichtstrahlen nicht in ihrer Ausbreitung, wenn sie aufeinander treffen.

Verständnisaufgabe

einfache Lampe

Einfache Lampe
Lampe
Skizziere die Lichtausbreitung der abgebildeten Lichtquelle, wenn die Lichtquelle

a) ein divergentes Lichtbündel erzeugt.
b) ein paralleles Lichtbündel erzeugt.
c) einen modellhaften Lichtstrahl erzeugt.

Lösung

Typen von Lichtbündeln

verschiedene Lichtbündel

Das Wichtigste auf einen Blick

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Kern- und Halbschatten bei zwei Lichtquellen

  • Den lichtfreien Bereich hinter einem Gegenstand nennt man Schatten.
  • Bei zwei oder mehr punktförmigen Lichtquellen unterscheidet man Kernschatten, er wird von keiner Lichtquelle beleuchtet, und Halbschatten, er wird nur von einem Teil der Lichtquellen beleuchtet.
  • Bei ausgedehnten Lichtquellen tritt ein unscharfer Übergangsschatten auf.

Die verschiedenen Schattenbereiche können mit der hier dargestellten Versuchsreihe anschaulich gemacht werden.

Schatten bei einer punktförmige Lichtquelle

Beleuchtest du mit einer punktförmigen Lichtquelle (z.B. einer Kerze) einen Schirm und stellst zwischen Lichtquelle und Schirm einen undurchsichtigen Gegenstand, so entsteht hinter diesem Hindernis ein lichtfreier Raum. Man bezeichnet diesen unbelichteten Bereich als Schatten des Gegenstandes.

Aufgrund der geradlinigen Lichtausbreitung siehst du auf dem Schirm als Schatten die vergrößerten Umrisse des undurchsichtigen Gegenstandes.

Blickst du vom Schatten in Richtung der Kerze, so kannst du diese nicht sehen. Von allen anderen Punkten des Schirms aus ist die Kerze sichtbar.

Schatten bei zwei punktförmigen Lichtquellen

Beleuchtest du den Gegenstand mit zwei punktförmigen Lichtquellen, so gelangt z.B. das Licht von der linken Kerze teilweise in den Schatten der rechten Kerze. Es entsteht ein sogenannter "Teillichtbereich" oder Halbschatten.
Blickst du vom Halbschatten aus in Richtung der Kerzen, so kannst du nur eine Kerze sehen.

Stellst die Kerzen nahe genug aneinander, so gibt es einen Bereich in den weder Licht von der linken noch Licht von der rechten Kerze dringt. Man nennt diesen Bereich den Kernschatten.

Blickst du vom Kernschatten aus in Richtung der Kerzen, so kannst du keine der beiden Kerzen sehen.

Schatten bei einer ausgedehnten Lichtquelle

Schatten - ausgedehnte Lichtquelle beschriftet

Schatten bei ausgedehnter Lichtquelle
Stefan Richtberg
Mit je mehr Punktlichtquellen du einen Gegenstand beleuchtest, desto mehr Abstufungen entstehen beim Übergang des Schattens von dunkel zu hell. So wird es immer schwieriger die einzelnen Bereiche voneinander zu unterscheiden.

Beleuchtest du den Gegenstand nun mit einer ausgedehnten Lichtquelle (z.B. Milchglaslampe) so kannst du annehmen, dass diese Lichtquelle aus "unendlich" vielen einzelnen Lichtquellen bestehet, die beliebig dicht nebeneinander stehen. So ergibt sich am dem Schirm ein "fließender" Übergang zwischen dem Kernschatten und den hellen Bereichen.
Man nennt diesen fließenden Übergangsbereich den sogenannten Übergangsschatten.

Unsere Sonne ist übrigens eine sehr große, ausgedehnte Lichtquelle. Auf der sonnenabgewandten Seite der Erde entsteht daher ein Kern- und ein Übergangsschatten.

Verständnisaufgabe

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Aufgabe zur Lichtausbreitung
Im Schatten bezüglich welcher Lichtquellen befindest du dich,

a) wenn du am Punkt A stehst?

b) wenn du am Punkt B stehst?

Lösung

a) An Punkt A bist Du im Schatten bzgl. der Lichtquellen 4 und 5. Anders ausgedrückt kannst Du vom Punkt A aus nur die Lichtquellen 1, 2 und 3 sehen.

b) An Punkt B bist Du im Schatten bzgl. der Lichtquellen 1, 2, 3 und 4. Anders ausgedrückt kannst Du vom Punkt A aus nur die Lichtquelle 5 sehen.

Das Wichtigste auf einen Blick

Trifft ein Lichtstrahl auf einen Gegenstand, können vier verschiedene Phänomene auftreten:

  • Absorption - Gegenstand nimmt das Licht "in sich" auf
  • regelmäßige Reflexion - Gegenstand reflektiert das Licht in eine bestimmte Richtung
  • Streuung - Gegenstand streut das Licht in verschiedenste Richtungen
  • Durchlassen des Lichtes (Durchsichtigkeit) - Gegenstand lässt das Licht unverändert durch sich hindurch.

In der Regel treten mehrere dieser Phänomene gleichzeitig auf.

Absorption

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Lichtweg bei absorbierendem Material
Abb.1 Lichtweg bei absorbierendem Material
Trifft ein Lichtstrahl auf einen Gegenstand und kommt an keiner Stelle mehr Licht aus dem Gegenstand, so absorbiert der Gegenstand das Licht vollständig.
Einen Gegenstand, der sämtliches Licht absorbiert, kannst Du eigentlich nicht sehen, da von ihm kein Licht ausgeht. Er erscheint dir schwarz und du kannst nur die Umgebung des Gegenstandes sehen.

Auswirkungen
  • Fast alle Gegenstände absorbieren einen Teil des auftreffenden Lichtes. Je mehr Licht ein Gegenstand absorbiert, um so weniger Licht geht von dem Gegenstand wieder aus und umso dunkler erscheint dir der Gegenstand.
  • Manche Gegenstände absorbieren nur bestimmte Lichtsorten (Farben). Die Gegenstände erscheinen dir dann in den Restfarben.
  • Absorbiert ein Gegenstand Licht, so erwärmt er sich dadurch.

Regelmäßige Reflexion

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Lichtweg bei regelmäßiger Reflexion
Abb. 2: Lichtweg bei regelmäßiger Reflexion
Trifft ein Lichtstrahl auf einen Gegenstand und kommt von diesem bis auf die Richtung unverändert zurück, so reflektiert der Gegenstand das Licht regelmäßig.
Die regelmäßige Reflexion tritt nur an "glatten" Grenzschichten zwischen zwei Stoffen auf, z.B. an einem Spiegel.

Auswirkungen
  • Regelmäßig reflektierende Körper haben einen Schatten.

Streuung / Unregelmäßige Reflexion

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Lichtweg bei streuendem Material
Abb. 3: Lichtweg bei Streuung
Trifft ein Lichtstrahl auf einen Gegenstand und kommt von diesem in alle Richtung zurück, so streut der Gegenstand das Licht. Wird das Licht nur auf die Seite der Lichtquelle gestreut, geht also kein Licht durch den Gegenstand hindurch, so spricht man auch von unregelmäßiger Reflexion.
Die meisten Gegenstände wie der Mond oder die Wände deines Zimmers reflektieren das Licht unregelmäßig und erscheinen daher selbst wie Lichtquellen.

Auswirkungen
  • Gegenstände, die das Licht streuen, kannst du von überall im Raum sehen.
  • Gegenstände, die das Licht unregelmäßig reflektieren, haben einen Schatten.

Durchsichtigkeit (Durchlassen des Lichtes)

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Lichtweg bei durchsichtigem Material
Abb. 4: Lichtweg bei durchsichtigem Material
Trifft ein Lichtstrahl auf einen Gegenstand und der Lichtstrahl breitet sich unverändert durch den Gegenstand hindurch aus, so ist der Gegenstand durchsichtig.
Ideal durchsichtig sind aber nur ganz wenige Gegenstände. Selbst die Luft absorbiert und streut etwas Licht.

Auswirkungen
  • Durchsichtige Gegenstände haben keinen Schatten.
  • Durchsichtige Gegenstände kannst du nicht sehen, aber alle Gegenstände hinter dem durchsichtigen Körper.
  • Einige Gegenstände ändern je nach Einfallswinkel des Lichts dessen Ausbreitungsrichtung, ohne es zu schwächen. Diese Gegenstände nennt man trotzdem durchsichtig.
  • Kommt nur ein geringer Teil des Lichts durch einen Körper, so nennt man ihn durchscheinend, da man Gegenstände durch solche Körper nicht mehr klar erkennen kann.

Was haben das Lichtbündel, der Schatten und die Lochkamera gemeinsam?
Ausbreitung der Lichtbündel
Körperhöhe und Schatten

Hinweis:
Im Folgenden tritt eine sogenannte "Verhältnisgleichung" auf. Wer hierbei mathematische Schwierigkeiten hat, dem wird auf der folgenden Seite geholfen.

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