Lichtausbreitung

Optik

Lichtausbreitung

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

Beim Sehvorgang kann du dein Auge als "Lichtempfänger" auffassen. Du kannst einen Gegenstand nur dann sehen, wenn Licht von diesem Gegenstand in dein Auge fällt. Den Gegenstand nennt man dabei einen "Lichtsender". Für das Sehen des Lichtsenders ist es dabei zweitrangig, ob der Lichtsender ein selbstleuchtender Gegenstand (z.B. eine Glühbirne) oder ein beleuchteter Gegenstand (z.B. ein Tisch) ist.

Verständnisaufgabe

Die Lampe in der Animation wird wieder abgeschaltet, aber das Fenster wird geöffnet. Erkläre wieso du Lampe, Tisch und Wände sehen kannst, obwohl die Lampe doch abgeschaltet ist.

Lösung

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Sehvorgang Licht aus
Das durch das Fenster eintretende Licht wird an der Lampe, an der Wand, am Tisch gestreut. Das Streulicht gelangt ins Auge und somit können diese Gegenstände gesehen werden.

Vorstellungen vom Sehvorgang im Altertum

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Sehvorgang nach Pythagoras
Vase by Firkin
Pythagoras (ca. 570-480 v. Chr.) erklärte sich den Sehvorgang folgendermaßen: Vom Auge gehen heiße Sehstrahlen aus, die von den kalten Körpern dann „zurückgedrängt“ wurden.

Noch heute gibt es bei uns Redewendungen, die auf diese Art des Sehvorganges hindeuten:

  • "Einen Blick auf etwas werfen"
  • "Einen Blick austauschen"
  • "Durch das Fenster gucken"
  • "In einen Kasten schauen"
  • "Genau hinsehen"
  • "Ein stechender Blick"

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Sehvorgang nach Ptolemäus
Vase by Firkin
Ptolemäus (ca. 100-160 n. Chr.) widersprach dieser Theorie: Wenn nämlich das Auge Sehstrahlen ausschickte, müsste man ja auch im Dunkeln sehen können. Ptolemäus vermutete zweierlei Strahlen, durch deren Zusammenwirken das Sehen erst möglich wird – die Sehstrahlen, die vom Auge ausgehen, und die Lichtstrahlen, die von Lichtquellen ausgehen.
Zur richtigen Vorstellung mit Lichtsender und Lichtempfänger gelangte die Menschheit erst etwa im 17. Jahrhundert. 

Weitere fehlerhafte Vorstellungen

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Sehvorgang in der Lichtmeer-Vorstellung
Leifiphysik
„Licht macht hell“, d.h. es besteht keine Verbindung zwischen Lichtquelle, dem Gegenstand und dem Auge.

 

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Sehvorgang nur durch Beleuchtung
Leifiphysik
„Licht ermöglicht den Gegenstand zu sehen, weil es den Gegenstand beleuchtet."

Verständnisaufgabe

Entscheide dich nun, in welcher der Skizzen der Lichtweg beim Sehvorgang richtig dargestellt wird!

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Sehvorgang
Ingolf Sauer

 

Lösungsvorschläge
Lösung

Licht muss von einem Gegenstand ausgehen und in dein Auge fallen, damit du den Gegenstand sehen kannst. Ob der Gegenstand dabei selbst leuchtet oder beleuchtet wird, ist egal. Deshalb ist nur der Vorschlag C richtig. Die Vorschläge a, b und d sind falsch, da in allen drei Abbildungen "Sehstrahlen" vom Auge ausgehen. Das ist in Wirklichkeit nicht der Fall.

Schatten bei einer punktförmige Lichtquelle

Schatten bei einer Punktlichtquelle

Schatten bei einer Punktlichtquelle
Abb. 1: Schatten bei einer Punktlichtquelle

Beleuchtest du wie in Abbildung 1 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.

Hinweis: Da eine Kerze keine ideal punktförmige Lichtquelle ist, sind die Schattenränder nicht besonders scharf.

Schatten bei zwei punktförmigen Lichtquellen

Schatten bei zwei Punktlichtquellen

Schatten bei zwei Punktlichtquellen
Abb. 2: Schatten bei zwei Punktlichtquellen

Beleuchtest du wie in Abbildung 2 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 bei ausgedehnter Lichtquelle

Schatten bei ausgedehnter Lichtquelle
Abb. 3: Schatten bei einer ausgedehnten Lichtquelle

Beleuchtest du den Gegenstand mit einer ausgedehnten Lichtquelle (z.B. Milchglaslampe), so gibt es einen "fließenden" Übergang zwischen dem Kernschatten und den ganzen hellen Bereichen. Man spricht vom sogenannten Übergangsschatten.

Wie dieser Übergangsschatten zustande kommt, zeigt die untenstehende Animation. Dabei denkst du dir zunächst, dass die ausgedehnte Lichtquelle aus fünf einzelnen Lichtquellen bestehet. So kommt es zu vielen Abstufungen beim Übergang des Schattens von Dunkel zu Hell.
Jetzt nimmst du an, dass die Lichtquelle aus "unendlich" vielen Einzellichtquellen bestehet, die beliebig dicht nebeneinander sitzen. So kommt es zu dem kontinuierlichen Übergang zwischen Hell und Dunkel, wie du ihn in Abbildung 3 sehen kannst.

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

Absorption

Trifft ein Lichtstrahl auf einen Gegenstand und kommt an keiner Stelle mehr Licht aus dem Gegenstand, so sagt man der Gegenstand absorbiert das Licht. Einen sämtliches Licht absorbierenden Körper sieht man eigentlich nicht, da von ihm kein Licht ausgeht. Er erscheint uns schwarz.

Schwarze Gegenstände sehen wir eigentlich nicht, sondern nur die Umgebung des schwarzen Gegenstands.

Anmerkungen

  • Fast alle Körper absorbieren teilweise das Licht, manche stärker und andere schwächer. Je mehr Licht sie absorbieren um so weniger Licht geht von diesen Körpern wieder weg und umso dunkler erscheinen deshalb diese Körper. Durch die Absorption erwärmen sich die Körper bei Lichteinstrahlung.

  • Manche Körper absorbieren auch nur bestimmte Lichtsorten ( = Lichtfarben) und erscheinen deshalb in den Restfarben.

Regelmäßige Reflexion

Trifft ein Lichtstrahl auf einen Gegenstand und kommt von diesem bis auf die Richtung unverändert zurück, so sagt man, der Gegenstand reflektiert das Licht regelmäßig.

Regelmäßig reflektierende Körper kann man dann sehen, wenn das auf sie kommende Licht direkt unser Auge trifft. Regelmäßig reflektierende Körper haben einen Schatten.

Anmerkung

  • Die regelmäßige Reflexion tritt nur an glatten Grenzschichten zwischen zwei Stoffen auf.

Streuung / Unregelmäßige Reflexion

Trifft ein Lichtstrahl auf einen Gegenstand und kommt von diesem das Licht in alle Richtung zurück, so sagt man, der Gegenstand streut das Licht. Geht diese Streuung nur nach hinten, geht also kein Licht durch den Körper hindurch, so spricht man auch von unregelmäßiger Reflexion.

Körper, die das Licht streuen, kann man von überall sehen und sie haben einen Schatten.

Anmerkung

  • Die meisten Körper streuen Licht und erscheinen uns deshalb selbst wie Lichtquellen, wie beispielsweise der Mond oder die weißen Wände unserer Zimmer.

Durchsichtigkeit

Trifft ein Lichtstrahl auf einen Gegenstand und kommt hinten unverändert heraus, so sagt man, der Gegenstand ist durchsichtig. Durchsichtige Gegenstände kann man nicht sehen, man sieht aber alle Gegenstände hinter dem durchsichtigen Körper.

Durchsichtige Gegenstände haben im Gegensatz zu den schwarzen Körpern keine Schatten.

Anmerkungen

  • Ideal durchsichtig sind nur ganz wenige Körper, selbst die Luft absorbiert etwas Licht. Außerdem ändern einige Körper je nach Einfallswinkel des Lichts auch dessen Richtung, ohne es zu schwächen, trotzdem nennt man auch solche Körper durchsichtig.

  • Kommt nur ein geringer Teil des Lichts durch einen Körper, so nennt man ihn besser durchscheinend, da man Gegenstände durch solche Körper nicht mehr klar erkennen kann.

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

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

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