Lichtausbreitung

Optik

Lichtausbreitung

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

Sicher weißt du aus dem Unterricht bereits, dass unser Auge als "Lichtempfänger" aufzufassen ist. Wir können Gegenstände nur sehen, wenn Licht von ihnen in unser Auge trifft (die Gegenstände sind sogenannte "Lichtsender"). Dabei ist es zweitrangig, ob der Lichtsender ein selbstleuchtender oder ein beleuchtender Gegenstand ist.

Zu dieser Vorstellung gelangte die Menschheit erst etwa im 17. Jahrhundert.

Verständnisaufgabe

Die Lampe wird wieder abgeschaltet, das Fenster wird geöffnet. Erkläre wieso man die Lampe, Tisch und Wände sehen kann, obwohl der Strom durch 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.

Im Altertum hatte man ganz andere Vorstellungen vom Sehvorgang:

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"

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.

Bei der Befragung von 13-14jährigen Schülern stellten sich zwei sehr häufige Vorstellungen vom Sehen heraus:

„Licht macht hell“, d.h. es besteht keine Verbindung zwischen Lichtquelle, dem Gegenstand und dem Auge.

„Licht ermöglicht den Gegenstand zu sehen, weil es den Gegenstand beleuchtet."

Verständnisaufgabe

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

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Sehvorgang
Ingolf Sauer

 

Lösungsvorschläge
Lösung

Die Vorschläge a, b und d sind falsch, da in allen drei Abbildungen "Sehstrahlen" oder Licht vom Auge ausgehen, was in Wirklichkeit nicht der Fall ist. Wir sehen einen Gegenstand nur dann, wenn er entweder selbst Licht aussendet oder aber Licht von ihm reflektiert wird und dieses Licht in unser Auge fällt. Deshalb ist nur der Vorschlag C richtig.

Eine punktförmige Lichtquelle

Beleuchtet man einen Schirm S mit einer punktförmigen Lichtquelle L und stellt zwischen L und S ein undurchsichtiges Hindernis H, so entsteht hinter H ein lichtfreier Raum. Als Folge der geradlinigen Lichtausbreitung zeigen sich (vergrößert) die Umrisse des undurchsichtigen Hindernisses. Man bezeichnet den unbelichteten Bereich als Schatten des Körpers.

Blickt ein Beobachter vom Schattenraum in die Richtung der Kerze, so kann er diese nicht sehen. Von allen anderen Punkten des Schirms aus ist die Kerze sichtbar.

Hinweis: Eine Kerze ist keine ideal punktförmige Lichtquelle, daher ist die Schattenbegrenzung nicht besonders scharf.

Zwei punktförmige Lichtquellen

Beleuchtet man das Hindernis mit zwei nahezu punktförmigen Lichtquellen, so gelangt z.B. das Licht von der linken Kerze teilweise in den Schattenraum der rechten Kerze. Es entsteht ein sogenannter "Teillichtbereich" oder Halbschatten. Blickt ein Beobachter vom Halbschattenraum in die Richtung der Kerzen, so kann er nur eine Kerze sehen.

Stehen die Kerzen nahe genug beieinander, so gibt es einen Bereich in den weder Licht von der linken noch der rechten Kerze dringt. Man nennt diesen Bereich den Kernschatten. Blickt ein Beobachter vom Kernschattenraum in die Richtung der Kerzen, so kann er keine der beiden Kerzen sehen.

Ausgedehnte Lichtquelle

Beleuchtet man das Hindernis 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 wird in der folgenden Skizze erklärt. Dabei denkt man sich zunächst die ausgedehnte Lichtquelle aus lauter einzelnen (diskreten) Lichtquellen bestehend. So kommt es zum abgestuften Übergang von Hell zu Dunkel.

Denkt man sich dann die Lichtquelle aus "unendlich" vielen Einzellichtquellen bestehend, die beliebig dicht sitzen, so kommt es zu dem kontinuierlichen Übergang zwischen Hell und Dunkel wie er in der Fotografie zu sehen ist.

Hinweis: Unsere Sonne stellt eine sehr große ausgedehnte Lichtquelle dar. Auf der sonnenabgewandten Seite der Erde entsteht 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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