Lichtausbreitung

Optik

Lichtausbreitung

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

Gefahr durch Licht

Grundregeln

  • Blicke nie direkt in die Sonne oder in andere starke Lichtquellen, da hierbei deine Augen unheilbare Schäden erleiden können.
  • Besonders gefährlich ist die Sonnenbeobachtung mit einem Fernrohr. Die Sonne darf nur indirekt oder mit speziellen Filtern beobachtet werden.
  • Auch Laser und Laserpointer sind gefährlich für das Augenlicht. Blicke niemals direkt in den Laserstrahl.

Schutzvorkehrungen zur Sonnenbeobachtung

Sonnenbeobachtung mit optischen Instrumenten (z.B. Fernrohren) ist besonders gefährlich. Die Sonne darf daher nur indirekt auf einem Schirm oder durch spezielle Filter beobachtet werden. Niemals mit einem Fernrohr oder einem Fernglas einfach so direkt in die Sonne schauen, auch nicht bei einer Sonnenfinsternis.

Intensive künstliche Lichtquellen

Auch einige künstliche Lichtquellen können für deine Augen gefährlich werden. Der Lichtbogen einer Kohlebogenlampe ist zum Beispiel so hell, dass du auch hier niemals direkt in den entstehenden Lichtstrahl der Lampe schauen solltest. Auch der Lichtbogen der bei einem Schweißgerät entsteht, darf nur mit einer entsprechenden Brille beobachtet werden.

Einige Quellen senden eine für deine Augen unsichtbare Strahlung aus. Auch diese kann für dein Auge gefährlich werden. Hierzu zählen z.B. Quecksilberdampflampen, die eine intensive ultraviolette Strahlung abgeben oder auch intensive Infrarot-Quellen (Quellen von starker Wärmestrahlung).

 

Gefahren durch Laser

Manchmal wird im Optik-Unterricht eine besonders intensive, extrem gebündelte Lichtquelle benutzt, der Laser.
Das rote oder grüne Licht eines für den Einsatz in der Schule zugelassenen Lasers würde auf deiner Haut keinen Schaden verursachen. Trifft der Laser aber in dein Auge, so könnten nicht mehr reparable Schäden entstehen. Daher sind beim Betrieb eines Lasers im Unterricht besondere Vorsichtsmaßnahmen zu beachten:

  • Vor Aufbau und Durchführung von Experimenten mit Lasern müssen die Beteiligten und die beobachtenden Schüler über die Gefährdung der Augen durch das Laserlicht unterrichtet werden.
  • Es darf nur mit Lasern der für den Schulgebrauch zugelassenen Laserklassen experimentiert werden.
  • Der Versuchsbereich, in dem mit Lasern experimentiert wird, ist während des Betriebs mit mindestens einem Laserwarnschild zu kennzeichnen und gegen unbefugtes Betreten zu sichern.
  • Beim Experimentieren müssen Ringe und Uhren abgelegt werden, um ungewollte Reflexionen zu vermeiden.
  • Aufbau und Durchführung von Laserexperimenten sollen so gestaltet werden, dass der direkte Blick in den Laserstrahl und seinen Reflex vermieden wird.

Gefahren durch Laserpointer

Als praktischer Zeigestock ist der Laserpointer weit verbreitet. Die "Stärke" (Leistung) eines solchen Gerätes sollte im Normalfall und bei sachgemäßem Einsatz keine Gefährdung des Menschen darstellen. Leider sind jedoch insbesondere über das Internet Laserpointer verfügbar, deren Leistung weit über das zulässige Maß und die aufgeklebte Kennzeichnung hinausgeht. Von solchen Laserpointern geht eine große Gefahr für das menschliche Auge ausgeht. Durch die hohe Leistungsdichte des Strahl wird die Netzhaut innerhalb kürzester Zeit irreparabel zerstört. Dabei ist der Vorgang wenig schmerzhaft und kann auch erst später bemerkt werden. Brillenträger können dabei durch die Bündelung des Strahls zusätzlich gefährdet sein!

Grundsätzlich kommt Personen, die angestrahlt werden, der sogenannte Lidschutzreflex zugute, da sich das Auge in 0,25 Sekunden selbständig schließt. Aber selbst diese kurze Zeitspanne kann schon zu lang sein. Längeres Hineinschauen in den Laserstrahl kann erst recht zu Netzhautschäden und Sehverschlechterung führen.

Auf einer Internet-Seite der Polizei von Rheinland-Pfalz ist jedoch folgender Bereicht einer Beamtin zu finden:
"Während des Einsatzes wurde mir mit einem Laserpointer ins Auge geleuchtet. Durch das intensive einfallende rote Licht begann mein Auge zu tränen und zu brennen. Nach einer kurzen Zeitspanne, etwa fünf Minuten, spürte ich auch noch einen starken Druck hinter meinem Augapfel".
Die Bestrahlung des Auges mit einem Laserpointer führte dazu, dass das Auge der Beamtin gerötet war und tränte, wobei sie zusätzliche Kopfschmerzen verspürte. Die ärztliche Untersuchung in einer Augenklinik ergab, dass sich hinter der Netzhaut eine Wasserblase gebildet hatte.

Laser am Bau

Die geradlinige Ausbreitung des Lichts hat durch die modernen Laser auf der Vermessung beim Bau inzwischen breite Anwendung gefunden.

Beispiel 1:
Der in eine Wasserwaage (Bild links) integrierte Laser wird dazu verwendet, Gartenplatten und Treppenstufen höhenrichtig zu verlegen. (Siehe Bild rechts) Dazu wird die Wasserwaage mittels der Stellschrauben absolut waagerecht hingestellt und man kann mit einem Meßstab auch noch in einiger Entfernung den Höhenunterschied feststellen.

Beispiel 2:
Ein Rotationslaser (Hier rotiert ein waagerechter Laserstrahl um eine senkrechte Achse) wird auf einem Stativ in die Baustelle gestellt. An einer Messstange befindet sich ein verschiebbarer Sensor, der Pfeifftöne abgibt, wenn er vom Laserstrahl getroffen wird. Ein Bauhelfer lotet mit dieser Messstange die Baugrube aus, so dass der Baggerfahrer erkennen kann, wie viel Erde er noch ausheben muss.

Nivellieren im Freien mit Laserempfänger und Nivellierlatte
Beispiel 3:
Hier wird bei einer Altbauboden saniert. Auf die Planen werden zunächst die Versorgungsleitunen gelegt und dann ein Granulat geschüttet, das mit Hilfe des Rotationslasers (links) und Nivellierlatten waagerecht gestrichen wird. Auf diesen Unterboden werden Bodenplatte gelegt.
Beispiel 4:
Bei der höhenrichtigen Verlegung von Kanalrohren wird in das bereits verlegte Rohrteil ein Laser (siehe Bild links) gestellt, dessen Lichtstrahl aus dem Loch herausleuchtet. Dieser Laser erzeugt in zukünftiger Rohrrichtung einen sichtbaren roten Punkt, so dass der Baggerführer beim Auheben an der Eroberfläche immer erkennen kann, wie tief er noch ausheben muss. Beim Glattziehen der Unterlage für das nächste Rohrstück (siehe Bild rechts) führt er die Baggerschafel so, dass der Laserpunkt immer genau in der zukünftigen Rohrmitte läuft.

Beispiel 5:
Im Rohr und Tunnelbau steuert man die Bohrmaschinen mit dem sich geradlinig ausbreitenden Laserstrahl.
Oft treibt man beim Tunnelbau die Stollen von zwei Seiten voran, was kürzere Bauzeit als bei einseitigem Vortrieb verspricht. Es wäre allerdings fatal, wenn sich die beiden Bohrungen nicht treffen würden. Mit lasergesteuerten Bohrmaschinen und Vermessungsgeräten erreicht man heute Toleranzen im Millimeter-Bereich.

Jahreszeiten

Die ausführliche Erklärung zur Ursache der Jahreszeiten findes Du im Teilgebiet Astronomie im Themenbereich Astronomie Einführung unter dem Thema Jahreszeiten.

Mondphasen

Die ausführliche Erklärung zur Ursache der Mondphasen findes Du im Teilgebiet Astronomie im Themenbereich Astronomie Einführung unter dem Thema Mondphasen.

Mondfinsternis

Die ausführliche Erklärung zur Ursache der Mondfinsternis findes Du im Teilgebiet Astronomie im Themenbereich Astronomie Einführung unter dem Thema Mondfinsternis.

Sonnenfinsternis

Die ausführliche Erklärung zur Ursache der Sonnenfinsternis findes Du im Teilgebiet Astronomie im Themenbereich Astronomie Einführung unter dem Thema Sonnenfinsternis.

Lichtquellen

  • Als Lichtquelle bezeichnen wir alle Gegenstände von denen Licht ausgeht.
  • Es gibt Lichtquellen, in denen das Licht erzeugt wird. Diese nennt man direkte Lichtquellen oder selbst leuchtende Körper.
  • Es gibt aber auch Lichtquellen, die das Licht einer anderen Lichtquelle nur weitergeben. Diese nennt man indirekte Lichtquelle (das sind praktisch alle beleuchteten Körper, wie Mond, Planeten, Kometen, Wände, aber auch Du selbst).

In der folgenden Tabelle lernst du direkte Lichtquellen kennen. Bei den Erläuterungen tauchen einige Begriffe auf, die du erst im Verlauf des Unterrichts näher verstehen wirst. Manche Erläuterungen wenden sich nur an besonders interessierte Schüler.

Sonne

Hier gibt die etwa 200km starke Schicht der Photosphäre der Sonne das Licht ab. Ihre Temperatur ist etwa 5770K (Kelvin) und ihre Dichte ist etwa 0,000 001g/cm³ (Vergleich Luft 0,001g/cm³)

Hinweis:
Subtrahiert man von der Kelvin-Temperatur die Zahl 273, so erhält man die entsprechende Celsius-Temperatur. Beispiel: 273 K = 0 °C.

Fixsterne
Fixsterne sind sehr weit entfernte "Sonnen" mit Oberflächentemperaturen zwischen 3000K (rot leuchtende Sterne) und 25000K(blau leuchtende Sterne)

Meteore (Sternschnuppen)

Der Nachthimmel wurde über einen längeren Zeitraum fotografiert:

Die von links oben nach rechts unten laufenden Striche sind die Fixsterne, die zwei anderen Striche sind die Spuren von Meteoren

Meteore sind kleine Himmelskörper (Steine, Eisbrocken etc), die in den engsten Anziehungsbereich der Erde gelangt sind und beim Eindringen in die Erdatmosphäre durch die Luft gebremst werden. Dabei werden sie so heiß, dass sie leuchten und zum Teil flüssig und gasförmig werden. Nur von sehr großen Meteoren erreicht deshalb ein Teil die Erdoberfläche als Festkörper, der verflüssigte und vergaste Teil sinkt praktisch atomweise zum Boden.
Blitz
Beim Blitz kommen die Leuchterscheinungen durch elektrische Entladungen zustande, die im Blitzkanal das Luftgas auf verschiedene Weisen zum Leuchten anregen.
Nordlicht
Das Nordlicht entsteht, wenn von der Sonne kommende Teilchen (im wesentlichen Elektronen und Protonen) durch das Erdmagnetfeld abgelenkt in der Nähe der Pole in die Erdatomsphäre gelangen und dort die Luftgasatome zum leuchten anregen.
Glut
Stark erhitzte Festkörper und Flüssigkeiten z.B. Lava (siehe Foto)
Alle stark erhitzten Körper strahlen in einem für die Temperatur des Körpers charakteristischen "Licht". Weniger heiße Körper strahlen rot, sehr heiße Körper weiß.
Feuer (stark erhitzte Gase)
In der Flamme entsteht durch die Hitze, die bei einer der chemischen Verbrennungsreaktion frei wird, Licht.

Glühlampe

rechts mit normalem Film fotografiert, links mit Infrarotkamera.

In der Glühlampe wird durch den Strom ein Draht so sehr erhitzt, dass er die für den erhitzten Körper charakteristische Lichtstrahlung abgibt. Je heißer der Glühlampendraht, desto "weißer" ist das Licht.
Mehr über Glühlampen bei Christoph Wallner

Hinweis:
Die Seiten von Christoph Wallner gehen teilweise deutlich über den Stoff der Sekundarstufe 1 hinaus. Besonders Interessierte können davon viel profitieren.

Leuchtstoffröhre
Bei Leuchtstoffröhren treffen Elektronen, die durch die angelegte elektrische Spannung schnell gemacht wurden, im Gas der Röhre auf Gasatome und regen diese zum Leuchten an.
Mehr über Leuchtstofflampen bei Christoph Wallner
Glimmlämpchen
Das Glimmlämpchen ist die kleinste Form der Leuchtstoffröhre.
Leuchtdioden
Bei Leuchtdioden werden an einer Halbleitergrenzschicht Strukturen des Halbleiters direkt zum Leuchten angeregt.
Mehr über Halbleiterleuchten bei Christoph Wallner
Lumineszierendes Material
Lumineszierendes Material nimmt Licht, Elektronenstrahlung oder UV-Strahlung auf und gibt diese als andersfarbiges Licht gleich (fluoreszierend) oder mit einer Verzögerung (phosphoreszierend) wieder ab. Dies wird u.a. bei Leuchtstoffröhren, Fernsehschirmen, nachtaktiven Zifferblättern von Uhren etc. angewandt.
Mehr über Lumineszenz bei Christoph Wallner
Glühwürmchen
Weibliche Glühwürmchen (ca. 2 mm lang) und einige andere Tiere regen durch Stickstoffausstoß chemische Reaktionen an, die phosphoreszierende Materialien zum Leuchten bringen, um Männchen auf sich aufmerksam zu machen.

 

Sicht bei Nacht

Kein vernünftiger Autofahrer fährt nachts ohne Licht. Aber Radfahrer und auch Jogger und Fußgänger bewegen sich regelmäßig ohne Beleuchtung oder Reflektoren im Straßenverkehr, sogar dort, wo mit schnellem Autoverkehr gerechnet werden muss. Sie denken nicht daran, dass ein Autofahrer Verkehrsteilnehmer ohne Beleuchtung und Reflektoren meist viel zu spät sehen kann.

Aufgabe

1.) Ein Radfahrer fährt mit Beleuchtung. Erläutere, in welchem Maße sich die Sichtbarkeit verschlechtert, wenn der Radfahrer seinen Abstand zum Auto verdoppelt.

Lösung

Betrachte zur Erklärung die untere Animation (Fahre mit der Maus über das Bild).

Im doppelten Abstand hat der Lichtkegel des Rücklichtes einen doppelt so großen Durchmesser und das Licht verteilt sich auf eine viermal so große Fläche. Auf das Auge des Autofahrers trifft also nur ein Viertel des Lichtes im Vergleich zu vorher. Die Sichtbarkeit wird also auf ein Viertel der ursprünglichen Sichtbarkeit reduziert, selbst wenn dazwischen kein Nebeltröpchen weiteres Licht absorbiert.

2.) Ein Radfahrer ohne Eigenbeleuchtung wird vom Scheinwerferlicht erfasst.

a) Erläutere, warum Arme und Beine besser erkennbar sind als Trikot und Hose.

b) Erläutere, in welchem Maße sich die Sichtbarkeit verschlechtert, wenn der Radfahrer seinen Abstand zum Auto verdoppelt.

Lösung

a) Arme und Beine absorbieren das Scheinwerferlicht nur gering und reflektieren (streuen) das auf sie treffende Licht in alle Richtungen, also auch zurück zum Autofahrer. Deshalb erscheinen sie hell (sie sind indirekte Lichtquellen). Hose und Trikot absorbieren das meiste ankommende Licht, deshalb erscheinen sie dunkel, von ihnen geht kaum mehr Licht zurück zum Autofahrer.

b) Betrachte zur Erklärung die beiden unteren Animationen (Fahre mit der Maus über die Bilder).

 

Im doppelten Abstand hat der Scheinwerferlichtkegel einen doppelt so großen Durchmesser und das Licht verteilt sich auf eine viermal so große Fläche. Auf den Radfahrer trifft also nur mehr ein Viertel des Lichts. Die "indirekte Lichtquelle" Radfahrer leuchtet also nur mehr mit viertelt der vorherigen Lichtstärke. Das Licht muss zum Autofahrer zurück aber nochmal den doppelten Weg zurück. Dabei wird das Licht, das vom Radfahrer zum Auge des Autofahrers gelangt nochmal auf ein Viertel geschwächt.

Die Sichtbarkeit wird also auf ein Sechzehntel der ursprünglichen Sichtbarkeit reduziert, selbst wenn dazwischen kein Nebeltröpchen weiteres Licht absorbiert.

Die Sichtbarkeit von Leuchten, wie Rücklicht und Scheinwerfer nimmt zwar mit dem Abstand stark ab, aber wesentlich die Sichtbarkeit durch Reflektoren verringert sich mit dem Abstand noch viel deutlicher.

Hilfsmittel für gute Sichtbarkeit

Vorteilhaft beim Halt an Kreuzungen oder Ampel ist eine Beleuchtung, die nicht erlischt, wenn das Fahrrad zum Stehen kommt. Dies können zum Beispiel tragbare LED-Lichter sein. Aber auch viele fest verbaute Scheinwerfer an Fahrrädern verfügen inzwischen über einen Energiespeicher (Batterien oder Kondensator), der zumindest das Rücklicht noch eine Zeit lang leuchten lässt, nachdem das Rad zum stehen gekommen ist. Zu achten ist in jedem fall auf eine hohe Lichtleistung der Lampe. Zusätzliche Sicherheit für Radfahrer, Jogger und Fußgänger bietet helle Kleidung, im Idealfall mit reflektierenden Streifen. Im Licht von Autoscheinwerfern sind Reflexmaterialien an der Kleidung schon von weitem sichtbar. Bei Dunkelheit fährst du als „Glühwürmchen“ einfach sicherer.

Proportionalität und Strahlensatz

Nachweis direkter Proportionalität

Du siehst auf dem Schachbrett, dass je größer eine Schachfigur ist, desto länger ist ihr Schatten. Misst du bei jeder Figur die Höhe und die zugehörige Länge des Schattens, so erhältst du die neben dem Bild befindliche Messwerttabelle. Mithilfe der Tabelle kannst du nun auf unterschiedliche Art prüfen, ob zwischen Höhe der Figur und der Schattenlänge nur eine je - desto - Beziehung vorliegt oder ob diese Größen direkt proportional zueinander sind.

Prüfung auf mögliche direkte Proportionalität

Einen guten Hinweis (aber keinen "echten" Nachweis) auf direkte Proportionalität erhältst Du, wenn die Verdopplung von einem beliebigen Wert der Wertetabelle auch zu einer Verdopplung des zugehörigen Wertes führt. In unserem Schachspiel ist der Turm 40 mm hoch und sein Schatten ist 36 mm lang. Der König hat mit 80 mm gerade die doppelte Höhe des Turmes. Und mit einer Schattenlänge von 72 mm auch gerade die doppelte Schattenlänge. Es scheint hier also eine direkte Proportionalität vorzuliegen.

Nachweis durch Quotientengleichheit

Höhe h
in mm
Schatten s
in mm
Quotient \(\frac{s}{h}\)
80 72 0,90
68 61 0,90
40 36 0,90
60 54 0,90
50 45 0,90
34 31 0,91

Zum Nachweis der direkten Proportionalität kannst du wie in der Tabelle den Quotienten zusammengehörender Größenpaare bilden. Sind diese Quotienten (im Rahmen der Messgenauigkeit) stets gleich, so sind die Größen direkt proportional. Mathematische bedeutet dies \[\frac{s_1}{h_1}=\frac{s_2}{h_2}=\frac{s_3}{h_3}\qquad \Rightarrow \qquad \frac{s}{h}=\rm{const.}\]

Grafischer Nachweis

Du kannst die Länge des Schattens und die Körperhöhe auch wie in der folgenden Animation in ein x-y-Diagramm eintragen.

Ergibt sich, wie in diesem Beispiel eine Ursprungsgerade, so sind die Werte direkt proportional zueinander.

Strahlensatz

Diese Form der Proportionalität bei Strahlenfiguren nennt man Strahlensatz. Du kannst den Strahlensatz sowohl bei Schatten als auch bei Lichtbündel oder bei der Lochkamera nutzen, da du immer ein Koordinatensystem so legen kannst, dass der Lichtstrahl eine Ursprungsgerade im x-y-System ist.

Deshalb sind in allen drei Fällen die Größenpaare direkt proportional zueinander. Es gilt also auch die Quotientengleichheit.

Schatten
Lichtbündel
Lochkamera
\[\frac{h}{s} = const.\] \[\frac{B}{g} = const.\] \[\frac{B}{b} = const.\quad und\quad \frac{G}{g} = const.\]
\[\frac{{{h_1}}}{{{s_1}}} = \frac{{{h_2}}}{{{s_2}}}\] \[\frac{{{B_1}}}{{{g_1}}} = \frac{{{B_2}}}{{{g_2}}}\] \[\frac{B}{b} = \frac{G}{g}\]
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