Lichtausbreitung

Optik

Lichtausbreitung

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

Gefahr durch Licht

Grundregel:
Blicke nie direkt in die Sonne oder in andere starke Lichtquellen, da hierbei deine Augen unheilbare Schäden erleiden könnten.

Besonders gefährlich ist die Sonnenbeobachtung mit optischen Instrumenten (z.B. Fernrohr) ohne besondere Schutzvorkehrungen. Die Sonne sollte nur indirekt oder mit Filtern beobachtet werden.

 

Auch künstliche Lichtquellen wie z.B. der Lichtbogen einer Bogenlampe oder eines Schweißgerätes dürfen nur mit entsprechenden Brillen beobachtet werden.

Auch Quellen, die eine für uns unsichtbare Strahlung aussenden, können für unser Auge gefährlich werden. Hierzu zählen z.B. Quecksilberdampflampen die eine intensive ultraviolette Strahlung abgeben oder auch intensive Infrarot-Quellen (Quellen von starker Wärmestrahlung).

 

 

Manchmal wird im Optik-Unterricht eine besonders intensive, extrem gebündelte Lichtquelle benutzt, der Laser.
Das meist rote Licht eines Schullasers würde auf unserer Haut kaum Schäden verursachen, trifft es aber in unser Auge, so hätten wir einen nicht mehr reparablen Schaden. Daher sind beim Betrieb eines Lasers 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.
  • Der Versuchsbereich, in dem mit Lasern experimentiert wird, ist während des Betriebs mit mindestens einem Laserwarnschild (Bild rechts) zu kennzeichnen und durch unbefugtes Betreten zu sichern.
  • Aufbau und Durchführung von Laserexperimenten sollen so gestaltet werden, dass der direkte Blick in den Laserstrahl und seinen Reflex vermieden wird.

Als praktischer Zeigestock hat der sogenannte Laserpointer eine weite Verbreitung gefunden. Die "Stärke" (Leistung) eines solchen Gerätes sollte im Normalfall - also bei sachgemäßem Einsatz - keine Gefährdung des Menschen ausmachen.

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.

Die Hauptgefahr der Lasertechnologie besteht in der hohen Leistungsdichte des Strahls. Trifft der Strahl Gewebe, kann dieses zerstört werden. Hiervon ist die Netzhaut des Auges besonders gefährdet. Sie kann innerhalb kürzester Zeit durch die Strahlenwirkung erheblich in Mitleidenschaft gezogen werden. Der Vorgang ist wenig schmerzhaft, so dass trotz dauerhafter und wiederholter Blendung keine Schädigung bemerkt wird.

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.
Entscheidend für die Intensität der Strahlen ist einerseits die Ausgangsleistung des Geräts, andererseits die Entfernung zwischen Gerät und Auge. Brillenträger können durch die Bündelung des Strahls zusätzlich gefährdet sein!

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 würde sich trauen, nachts ohne Licht zu fahren. Aber Radfahrer und auch Fußgänger riskieren immer wieder leichtfertig ihr Leben. Sogar dort, wo mit schnellem Autoverkehr gerechnet werden muss, fahren viele Radfahrer ohne Licht und Reflektoren und denken nicht daran, dass ein Autofahrer sie meist viel zu spät sehen kann.

Wie der Zusammenhang der Sichtbarkeit mit dem Abstand zusammenhängt, wird im folgenden gezeigt.

Ein Radfahrer ohne Eigenbeleuchtung wird vom Scheinwerferlicht erfasst.

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

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

 

Ein Radfahrer fährt mit Beleuchtung.

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

 

Vorteilhaft beim Halt an der Kreuzung ist eine Beleuchtung, die nicht erlischt, wenn das Fahrrad zum Stehen kommt. Ältere Scheinwerfer liefern nur mäßiges Licht und leuchten die Fahrbahn kaum aus. Besser sind Halogenscheinwerfer mit wesentlich höherer Lichtleistung. Zusätzliche Sicherheit für Radfahrer bietet helle Kleidung. Achtet beim Kauf auf reflektierende Streifen. Im Licht von Autoscheinwerfern sind Reflexmaterialien an der Kleidung schon von weitem sichtbar. Bei Dunkelheit fahrt ihr als „Glühwürmchen“ sicherer.

Rechts eine Aufnahme, die beim Test von Fahrradbeleuchtungen durch den Allgemeinen deutschen Fahrrad Club erstellt wurde. Zur Entfernungsorientierung wurden verschiedene Reflektorfolien auf die Straße angebracht, die gelben in 20m die roten in 30m Entfernung vom Autofahrer.

 

Schattentheater

Beim Schattentheater werden farbige, schwarze oder weiße Schatten (Negativschatten) auf einer beleuchtete Leinwand erzeugt.
Das Publikum sitzt meist auf der anderen Seite der Leinwand wie die Schauspieler.
Links eine schöne Figur aus dem Programm "Rumpelstilzchen" des SchattentheatersVagantei-Erhardt. Rechts ein Beispiel wie man farbigen Schatten zusätzliche Effekte erzielen kann.

Besondere Tradition hat das Schattentheater in China und Indonesien (man nennt es dort Wayyang). Dort sitzen die Zuschauer wahlweise auch auf der Rückseite der Leinwand und können den Schattenspielern bei der Arbeit zusehen.

Die linke Figur ist ein Modell aus China, die rechte aus Indonesien. Diese zum Teil sehr alten Modelle wurden aus feinem Pergament oder aber auch aus Leder gefertigt.

Die Schatten können verscheidenartig erzeugt werden. Meist werden zweidimensionale manchmal mit farbigen Folien bespannte Figuren verwendet, die dicht an der Leinwand vorbeigeführt werden.

Negativschatten erreicht man, wenn man eine Schablone, die die gesamte Projektionsfläche ausfüllt, verwendet. Dann erscheint die Figur weiß. Auf diese Weise kann man zum Beispiel einen Geist erscheinen lassen.

Manche Künstler können aber auch allein mit ihren Händen wunderbare Schattenfiguren und auch Köpfe an die Leinwand zaubern und sprechen lassen.

Selbst sollte man sich zuerst mit einfachen Figuren wie Hund und Reh rechts versuchen.

 


Foto aus
http://www.zum.de/Faecher/Sonder/
BW/Foerder/schatten/schatten.htm
Das Ganzkörper-Schattentheater ist ein sehr schönes Beispiel bei dem ängstlichere Theaterspieler ihr Talent entdecken können. Mit ganz einfachen Mitteln kann das Theater hergestellt werden. Es genügt ein Tageslichtprojektor als Lichtquelle, ein großes Leintuch, das oben an einer Stange befestigt ist und an der Decke oder zwei Kartenständern aufgehängt wird. Unten wird es durch eine Latte beschwert, so dass es gerade hängt.
 

 

Links: ein künstlerische Szene zur Aufführung von Faust.

Rechts: eine Prinzessin mit beweglichen Gliedern.

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