Versuch zur geradlinigen Lichtausbreitung

Zur Darstellung der Tatsache, dass sich Licht in einem (homogenen) Medium geradlinig ausbreitet, kannst du den in Abbildung 1 dargestellten Versuch mithilfe einer divergenten Lichtquelle durchführen. Legst du nun ein gerades Lineal an den Rand des Lichtkegels, so wird die geradlinige Ausbreitung gut sichtbar.
Die äußeren Strahlen am Übergang von Lichtkegel zu unbeleuchtetem Bereich nennt man Randstrahlen.

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Beobachtungen am Nachthimmel

geradlinige Lichtausbreitung am Rheinturm

Auch die von starken Lichtquellen stammenden, am Nachthimmel oder bei Musikkonzerten sichtbaren Lichtstrahlen deuten auf die geradlinige Ausbreitung des Lichts hin.
Auch die Versuche zur Streuung des Lichts zeigen, dass sich Licht in einem (homogenen) Medium geradlinig ausbreitet.

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Störungsfreie Ausbreitung zweier Lichtbündel

Störungsfreie Ausbreitung zweier Lichtstrahlen

Das in Abbildung 3 dargestellte Experiment zeigt, dass die Geradlinigkeit der Lichtausbreitung auch nicht gestört wird, wenn einem Lichtbübdel ein zweites Lichtbündel "in die Quere" kommt. Man sagt auch: "Lichtbündel stören sich gegenseitig nicht".

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Wichtige Rolle bei Schatten und Naturphänomenen

Schattenspiele

Auf der Geradlinigkeit der Lichtausbreitung beruhen eine Reihe von Naturphänomenen, wie zum Beispiel der Schatten und die Mond- oder die Sonnenfinsternis.
Sogenannte Schattenspiele können darüber hinaus sehr lustig sein. In einigen Ländern, insbesondere in Südostasien, haben sich Schattenspiele zu einer richtigen Kunstform entwickelt.

Herstellung eines "Parallelbündels":

Erzeugung eines Parallelbündels
Abb. 1

Animation zur Erzeugung eines parallelen Lichtbündels

In der folgenden Animation wird schrittweise aus einer divergenten Lichtquelle ein (nahezu) paralleles Lichtbündel erzeugt.
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2 Entstehung eines nahezu parallelen Lichtbündels aus einem divergenten Lichtstrahl durch eine Anordnung von Blenden
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  • Bei "Licht ein" erleuchtet eine punktförmig angenommene Lichtquelle den Raum.
  • Bei "Spalt 1" wird der erste Spalt eingeführt. Rechts vom Spalt entsteht ein divergentes (auseinanderstrebendes) Lichtbüdel.
  • Bei "Spalt 2" und "Spalt 3" werden weiterer Spalte mit kleinerer Öffnung hinzugefügt. Das divergente Lichtbündel wird so immer weiter eingeengt. Es entsteht ein nahezu paralleles Lichtbündel mit kleinem Durchmesser.
  • Denkt man sich diesen Vorgang weiter fortgesetzt, so erhält man ein sehr feinen Parallelbündel. Das feine Parallelbündel nennt man Lichtstrahl.
  • Den idealen Lichtstrahl mit verschwindendem Durchmesser gibt es in der Realität nicht. Der Lichtstrahl ist eine gedankliche Vorstellung, 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 daher Strahlenoptik bzw. geometrische Optik.

Divergente, parallele und konvergente Lichtbündel

Neben dem divergenten Lichtbündel und dem Parallelbündel gibt es auch noch zusammenlaufende Lichtbündel. Diese nennt man konvergent.

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3 Divergentes Lichtbündel
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4 Paralleles Lichtbündel
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5 Konvergentes Lichtbündel

Mithilfe der folgenden Versuchsreihe können die Phänomene Kernschatten, Halbschatten und Übergangsschatten anschaulich gemacht werden.

Schatten eines Gegenstandes

Schatten bei einer Lichtquelle
Mit einer als punkförmig angenommenen Lichtquelle wie einer Kerze wird ein Schirm beleuchtet. Zwischen Kerze und Schirm wird nun ein undurchsichtiger Gegenstand gebracht. So entsteht hinter dem Hinternis ein lichtfreier Raum. Diesen unbelichteten Bereich bezeichnet mal als Schatten oder auch Schattenraum.
Die Größe des Schattens, der immer die Form des Gegenstandes hat, verändert sich dabei je nach Entfernung von Kerze zu Gegenstand und von Gegenstand zum Schirm. Ursache hierfür ist die geradlinige Ausbreitung des Lichtes.
Würdest du dich im Schatten des Gegenstandes befinden, so könntest du die Kerze nicht sehen.

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

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Kernschatten und Halbschatten

Schatten bei zwei Lichtquellen
Fügt man zum Versuch eine zweite Kerze hinzu, so gelangt z.B. das Licht von der linken Kerze teilweise in den Schatten der rechten Kerze. Es entsteht ein sogenannter "Teillichtbereich" den man Halbschatten nennt.
Blickst du vom Halbschatten aus in Richtung der Kerzen, so kannst du nur eine der beiden Kerzen sehen.

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Schatten bei vielen Punktlichtquelle

Schatten bei fünf Lichtquellen
Mit je mehr Punktlichtquellen du einen Gegenstand beleuchtest, desto mehr Abstufungen entstehen beim Übergang des Schattens von dunkel zu hell und desto schwieriger wird es, die einzelnen Bereiche voneinander zu unterscheiden.
Im Falle von fünf Lichtquellen gibt es zwischen den beiden Bereichen, auf die das Licht aller Lichtquellen trifft, neun unterschiediche Bereiche von Halb- und Kernschatten.

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Übergangsschatten bei ausgedehnter Lichtquelle

Schatten bei ausgedehnter Lichtquelle
Beleuchtest du den Gegenstand mit einer ausgedehnten Lichtquelle (z.B. Neonröhre), so kannst du annehmen, dass diese Lichtquelle aus "unendlich" vielen einzelnen Lichtquellen bestehet. Die unendlich vielen einzelnen Lichtquellen stehen beliebig dicht nebeneinander. So ergibt sich am dem Schirm ein "fließender" Übergang zwischen dem Kernschatten und den hellen Bereichen. Man nennt diesen fließenden Übergangsbereich von dunkel zu hell den sogenannten Übergangsschatten.

Farbige Schatten im Realexperiment
Das Experiment zur Erzeugung von farbigen Schatten findest Du im Themenbereich Farben unter dem Thema Farbige Schatten

Demonstrationsexperiment

Aufbau und Durchführung

Im Lehrer-Versuch kann mit einer großen Lochkamera gezeigt werden, dass die Kamera ein Bild eines hellen Gegenstandes entwirft. Bei dieser Lochkamera kann der Abstand \(b\) zwischen Mattscheibe und Loch verändert werden. Als Gegenstand eignet sich z.B. ein Satz von Glühlämpchen, welche zu einem Buchstaben "F" angeordnet sind.

Beobachtung

Das Bild auf der Mattscheibe ist höhen- und seitenverkehrt.

Bei festem Abstand \(b\) zwischen Loch und Mattscheibe und fester Gegenstandsgröße \(G\) wächst die Bildgröße \(B\) mit sinkendem Abstand \(g\) des Gegenstands vom Loch. Dabei nimmt die Bildhelligkeit zu.

Bei festem \(g\) und \(G\) wächst die Bildgröße \(B\) mit der Bildweite \(b\). Die Bildhelligkeit und die Bildschärfe auf der Mattscheibe nimmt ab.

Messbeispiel: \(G = 22\rm{cm}\); \(g = 49\rm{cm}\); \(B = 16\rm{cm}\); \(b = 35\rm{cm}\);

 

Erklärung

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Die nebenstehende Animation zeigt, wie die Lochkamera von einem Gegenstand ein höhenverkehrtes Bild entwirft (die Seitenumkehrung ist nicht dargestellt).

Man denkt sich dazu den abzubildenden Gegenstand in einzelne leuchtende Punkte aufgeteilt, von denen Licht ausgeht (Lichtsender). Dasjenige Bündel eines Lichtsenders, das zur Abbildung beiträgt ist etwas dunkler skizziert.

1 Bildentstehung bei der Lochkamera
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Einfluss der Lochgröße auf das Bild

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Wenn das Loch der Lochkamera vergrößert wird, so wird der Lichtfleck, der durch einen "punktförmigen" Lichtsender auf der Mattscheibe entsteht, größer. Dadurch überlappen sich benachbarte Lichtflecke und unser Auge erhält den Eindruck eines unscharfen Bildes.

2 Einfluss der Lochgröße auf das Bild bei der Lochkamera.
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Die nebenstehende Animation zeigt, welchen Einfluss die Verkleinerung der Gegenstandsweite \(g\) auf das Bild hat (Bildweite \(b\) und Gegenstandsgröße \(G\) bleiben fest).

Bei Annäherung des Gegenstandes wird unter den gegebenen Bedingungen das Bild auf der Mattscheibe größer.

3 Einfluss der Gegenstandsweite auf das Bild bei der Lochkamera
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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.
g =
G =
b =
B =
HTML5-Canvas nicht unterstützt!
1 Bildentstehung und Bildeigenschaften bei der Lochkamera

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

 

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

Hinweis: Das Konzept der Lichtgeschwindigkeit und die Messung der Lichtgeschwindigkeit geht zum Teil über deinen momentanen Kenntnisstand hinaus. Du benötigst den Begriff der Geschwindigkeit, der dir aber aus dem Alltag und vielleicht auch dem Mathematikunterricht vertraut ist. Wir zeigen die Versuche zur "Lichtgeschwindigkeit" trotzdem an dieser Stelle, weil sie zur geradlinigen Lichtausbreitung dazugehören. Und auch Dinge, die etwas über den Unterricht hinaus gehen, können dich ja interessieren.

Bestimmung per Laufzeitmessung zum Mond

Bei dem in der folgenden Animation gezeigten Versuch wird ein Laser für \(0,5\rm{s}\) lang eingeschaltet. Während er eingeschaltet ist, sendet der Laser einen sehr intensiven Lichtblitz zum Mond. Ein dort befindlicher Spiegel reflektiert das Licht in Richtung Erde zurück. Auf der Erde wird das Licht mit einem Empfänger registriert.

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1 Prinzip der Messung der Lichtgeschwindigkeit nach der Laufzeitmethode
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Verständnisaufgabe

Der Versuch zeigt, dass der Empfänger den Lichtblitz erst \(2,5\rm{s}\) nach dem Einschalten des Senders registriert. Die einfache Entfernung von Erde zum Mond beträgt dabei \(360000\rm{km}\).

Berechne hieraus den Wert der Lichtgeschwindigkeit.

Lösung

Du kannst die Geschwindigkeit des Lichtes berechnen, indem du die zurückgelegte Strecke durch die dafür benötigte Zeit teilst. Wichtig ist dabei, dass das Licht im Versuch zweimal die Strecke Erde - Mond zurücklegt, einmal auf dem Hinweg und einmal auf dem Rückweg. Damit folgt\[v_{\rm{Licht}}=\frac{\rm{Strecke}}{\rm{Laufzeit}}=\frac{2\cdot 360000\,\rm{km}}{2,5\,\rm{s}}=304000\,\rm{\frac{km}{s}}\]Die Lichtgeschwindigkeit beträgt also \(v_{\rm{Licht}}=304000\rm{\frac{km}{s}}\), was sehr schnell ist.

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Bestimmung per Laufzeitmessung auf der Erde

 

Durch die Möglichkeit, sehr kurze Zeitspannen in der Größenordnung von \({10^{-10}}{\rm{s}}\) messen zu können, eröffnet sich eine leicht verständliche Möglichkeit der Messung der Lichtgeschwindigkeit.

Eine Sendediode sendet in regelmäßigen Abständen sehr kurze Lichtimpulse. In dem Augenblick, in dem die Leuchtdiode sendet, wird durch die sogenannte Triggerung veranlasst, dass der Elektronenstrahl im Oszilloskop losläuft. Die Lichtimpulse gelangen über einen halbdurchlässigen Spiegel und eine Linse auf die Spiegel 1 und 2. Das von den Spiegeln reflektierte Licht läuft über die Linse und den halbdurchlässigen Spiegel zur Empfangsdiode. Das von der Empfangsdiode ausgelöste elektrische Signal wird am Oszilloskop als Spitze (peak) registriert.

Da das Licht von Spiegel 1 einen um die Strecke \(2 \cdot \Delta x\) längeren Weg zurückzulegen hat, kann man aus der Zeitdifferenz \(\Delta t\) der beiden am Oszilloskop sichtbaren Peaks die Lichtgeschwindigkeit bestimmen.

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Verständnisaufgabe

Im Versuch war die Strecke \(\Delta x = 7,50{\rm{m}}\), der zeitliche Abstand der beiden Peaks betrug \(50\rm{ns}\).

Berechne hieraus den Wert der Lichtgeschwindigkeit.

Lösung

Das zum Spiegel 2 laufende und von ihm reflektierte Licht legt eine um \(2 \cdot 7,50{\rm{m}}\) längere Strecke zurück als das entsprechende Licht von Spiegel 1. Damit ergibt sich \[c = \frac{{2 \cdot \Delta x}}{{\Delta t}} \Rightarrow c = \frac{{2 \cdot 7,50{\rm{m}}}}{{50 \cdot {{10}^{ - 9}}{\rm{s}}}} = 3,0 \cdot {10^8}\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}\]Nach den genausten Messungen geht man heute davon aus, dass die Lichtgeschwindigkeit den Wert \(c = 2,9979246 \cdot {10^8}\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}\) hat.

 

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Weitere Messmethoden zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit

Im Laufe der Geschichte wurden verschiedene Messmethoden für die Lichtgeschwindigkeit entwickelt und genutzt. Ziel war dabei immer die noch genauere Messung dieser wichtigen Größe. Links zu weiteren Messmethoden findest du in der Linkliste am Ende des Artikels.