Schon die Versuche zur Streuung des Lichts zeigen, dass sich Licht in einem (homogenen) Medium geradlinig ausbreitet. Oft wird zur Erhärtung dieser Tatsache ein Versuch - wie er in dem nebenstehenden Bild dargestellt ist - durchgeführt und an die Randstrahlen ein Lineal (das geradlinig sein sollte) angelegt. Bleibt nur die Frage, wie die Geradlinigkeit des Lineals erreicht wurde?

Hat man nicht die Geradlinigkeit des Lichts ausgenützt, indem man Licht über die Linealkante streifen ließ und die Kante abgeschliffen hat, wenn das Licht auf einen "Buckel" in der Kante getroffen ist?

Auf die geradlinige Ausbreitung des Lichts deuten auch die von Lasern stammenden Lichtbündel hin, die in den Nachthimmel gerichtet sind.

Die Geradlinigkeit in der Lichtausbreitung wird auch nicht gestört, wenn ein zweites Lichtbündel "in die Quere" kommt. Man sagt auch: "Lichtbündel stören sich gegenseitig nicht".

Schattenspiele

Auf der Geradlinigkeit des Lichts beruhen eine Reihe von Naturphänomenen wie der Schatten , die Mond- oder die Sonnenfinsternis. Sogenannte Schattenspiele können sehr lustig sein, in einigen Ländern (insbesondere in Südostasien) haben sich Schattenspiele zu einer richtigen Kunstform entwickelt.

 

  • Eine punktförmig angenommene Lichtquelle erleuchtet den Raum.
  • Wird der Spalt 1 eingeführt, so existiert rechts vom Spalt ein sogenanntes divergentes (auseinanderstrebendes) Lichtbüdel.
  • Durch Einführen weiterer Spalte mit kleinerer Öffnung kann das divergente Lichtbündel immer weiter eingeengt werden. Es entsteht ein nahezu paralleles Lichtbündel mit kleinem Durchmesser.
  • Denkt man sich den obigen Vorgang weiter fortgesetzt, so gelangt man zu einem extrem feinen Parallebündel, das man auch als Lichtstrahl bezeichnet.
  • Den 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.
  • Mit der "Lichtstrahlen-Vorstellung" (vgl. Geometrie: Strahl = Halbgerade) kann man viele Erscheinungen in der Optik gut erklären. Man nennt diesen Teil der Optik auch geometrische Optik oder Strahlenoptik.

Versuch zur Herstellung eines "Parallelbündels":

Neben dem divergenten Lichtbündel und dem Parallelbündel gibt es auch noch zusammenlaufende (konvergente) Lichtbündel.


divergentes Bündel


Parallelbündel


konvergentes Bündel


Materialbedarf:

  • 3 Bogen DIN A 4 dunkler (am besten schwarzer) Karton. Festes Tonpapier hat sich gut bewährt.
  • 1 Blatt Transparentpapier
  • Papier, Klebstoff


Bauanleitung:

Bau des Außenrohres

1.

Zuerst werden zwei gleich große rechteckige Bögen (DIN A4 ca. 29 cm x 21 cm) aus dem Karton geschnitten.
2. Auf einem Bogen wird in ca. 1cm Abstand zur Kante ein paralleler Bleistiftsttrich gezogen. Bestreiche den 1cm breiten Streifen mit Klebstoff und klebe die gegenüberliegende Reckteckseite genau am Strich an. So entsteht das Rohr dessen Durchmesser ca. 9 cm ist.
Du kannst auch das Papier um eine zylindrische Flasche ziehen und so zusammenkleben.
3. Aus stärkerem, dunklen Karton wird eine Kreisscheibe ausgeschnitten, die genau ins Rohr passt. Am besten setzt du das Rohr auf den Karton auf und zeichnest den Kreis an.
Die Kreisscheibe wird nun auf normales Papier aufgeklebt.
4. In den Karton (einschließlich Papier) wird ein Loch von ca 2,5cm Durchmesser geschnitten.

5.

Das Papier wird zum Ankleben ans Rohr eingeschnitten.

Das Rohr wird auf die Kreisscheibe gestellt und mit den Klebeecken befestigt. Rand eventuell lichtdicht mit Klebeband abdichten.

 

Bau des Innrohres

6. Damit das Innenrohr mit dem Außenrohr möglichst gut abschließt, geht man wie folgt vor:
Bestreiche den Kleberand des Bogens für das Innenrohr mit Klebstoff, forme den Bogen im Außenrohr zu einem Zylinder und klebe diesen zusammen. Es ist darauf zu achten, dass das Innenrohr nicht mit dem Außenrohr verklebt.

 

7. Stelle das Innenrohr auf das Pergamentpapier, schneide die Klebeecken und befestige nun das Pergamentpapier mit Klebeecken am Innenrohr.

 

Bau des Blendenhalters und der Lochblenden

8.

 

Schneide aus Karton einen Halbkreis mit Ausschnitt für das Loch aus und bestreiche nur den Rand mit Klebstoff. Befestige diesen als Blendenhalter vor der Kreisscheibe.

 

 

9. Schneide nun aus dunklem Karton zwei Blenden und stich mit einer Nadel oder einem Nagel jeweils ein Loch mit ca. 1mm bzw. 4mm Durchmesser hinein.

 

Arbeitsaufträge:

  • Betrachte mit der Lochkamera hell erleuchtete Gegenstände (Fenster, Kerze etc). Setze verschiedene Blenden an die Öffnung der Kamera und verändere auch den Abstand des Pergaments vom Loch.
  • Beschreibe das Bild auf dem Pergamentschirm und wie sich Helligkeit, Schärfe und Größe des Bildes ändern, wenn die Lochgröße bzw. den Abstand Loch - Pergament verändert wird.

 

Zusatz für Interessierte:
Stecke statt der Blende eine Sammellinse (z.B. eine Leselupe) in den Blendenhalter und beobachte nun das Bild von nahen und entfernten Gegenständen.

In dem Simulationsprogramm kannst du mit dem Mauszeiger die Lichtquelle bewegen und die Größe des Schattens beobachten.
Dabei hast du die Auswahl zwischen einer Punktlichtquelle (point source) und einer ausgedehnten Lichtquelle (rod source).

Mit dem Programm könnte man auch verschiedenfarbige Lichtquellen einschalten, was für uns aber erst später interessant ist.

  • Beobachte die Größe des Schatten (schwarzer Bereich auf dem Schirm) in Abhängigkeit von der Entfernung der Lichtquelle vom Hindernis.
  • Präge dir die Art des Schattens in Abhängigkeit von der ausgewählten Lichtquelle ein.

Hinweise:

  • Wenn du dem Link zum Applet folgst, wirst du gefragt, ob du ein Sprachpaket auf deinem Rechner installieren willst. Drücke hier die Taste "Abbrechen" (oder willst du chinesisch lernen?)
  • Das Applet ist in englischer Sprache verfasst. Du wirst dich nach kurzer Zeit sicher gut damit zurecht finden.



zum Applet

Prof. Harald Lesch von der Universitätssternwarte München erklärt in der sehr empfehlenswerten Sendereihe Alpha-Centauri die Entstehung einer Sonnenfinsternis. Auch die Effekte, die auf der Erde während der Finsternis auftreten, werden angesprochen.


Schaltet man im abgedunkelten Raum einen Laser ein, dessen Licht auf einen Schirm trifft, so sieht man nur an der Austrittsfläche des Lasers und am Schirm einen roten Fleck. Die Strecke zwischen Laser und Schirm bleibt dunkel.

Bringt man nun mit einem Blasebalg Kreidestaub zwischen den Laser und den Schirm, so können wir einen feinen roten Lichtstrahl sehen, so lange sich Kreidestaub zwischen Schirm und Laser befindet: Das Licht des Lasers trifft auf kleine Staubteilchen und wird zu von diesen abgelenkt (gestreut), dass ein Teil des Lichts in unser Auge trifft. Nur auf diese Weise wird der Laserstrahl für uns sichtbar.

 

Streuung von Licht bei streifendem Einfall auf einen Schirm

Streuung von Licht an Schwebeteilchen im Wasser

Streuung von Licht an Wasserteilchen in Luft

  • Dieses Thema wird im Folgenden sehr genau und ausführlich behandelt und geht zum Teil wohl über deinen momentanen Kenntnisstand hinaus.
  • Zum Verständnis der folgenden Versuche benötigst du den Begriff der Geschwindigkeit, welcher dir schon vom Mathematikunterricht her bekannt sein müsste. Im Rahmen des aktuellen Physik-Lehrplans wird die Geschwindigkeit erst etwas später behandelt.
  • Wir bringen das Thema "Lichtgeschwindigkeit" trotzdem an dieser Stelle, weil es einfach zur geradlinigen Lichtausbreitung gehört und wir davon ausgehen, dass du dich auch für Dinge interessierst, die etwas über den Unterricht hinaus gehen.

Völlig unabhängig davon, ob du die folgenden Versuche durcharbeitest, solltest du auf jeden Fall wissen, dass Licht eine sehr hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit besitzt. Dies zeigt die folgende Animation (Anregung aus Wiesner u.a.: Unterricht Physik - Lichtquellen, Reflexion, Deubner-Verlag):

Als Lichtsender dient ein Laser, der sein intensives Licht zum Mond sendet. Ein dort befindlicher Spiegel reflektiert das Licht auf die Erde zurück und wird dort empfangen. Der Laser ist für 0,5s lang eingeschaltet. Aus der Mondentfernung von ca. 380 000km und der Ankunftszeit des Lichtblitzes auf der Erde (ca. 2,5s) kann man die Lichtgeschwindigkeit errechnen.
Beim Einschalten einer Lichtquelle ist also an einem davon entfernten Ort das Licht nicht "sofort da", sondern es dauert eine gewisse Zeit bis der "Lichtstrom" von der Quelle zum Empfänger gelangt. Bei den üblichen Entfernungen im Meter- bzw. Kilometerbereich ist die Laufzeit des Lichts jedoch so kurz, dass wir den Eindruck haben, es sei "augenblicklich" da.

 

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video erläutert Karlheinz Meier die Funktionsweise einer Lochkamera.

zum Video