Licht und Schatten

Licht und Schatten Übung

• Vervollständige die Skizze zur Entstehung des Schattens.

  Tipps

  Das Hindernis muss lichtundurchlässig sein, damit in den Bereich hinter dem Hindernis keine Lichtstrahlen eindringen können.

  Der Bereich, der hinter dem Hindernis von den Randstrahlen eingefasst wird, wird Schattenraum genannt.

  Lösung

  Wir betrachten im Folgenden die Entstehung eines Schattens hinter einer punktförmigen Lichtquelle.

  Die Lichtquelle strahlt Lichtstrahlen in alle Richtungen aus.

  Zwischen der Lichtquelle und dem Schirm, zum Beispiel einer Wand, befindet sich ein Hindernis. Dieses muss lichtundurchlässig sein, um einen Schatten zu erzeugen.

  Zur Konstruktion des Schattenbildes zeichnen wir die sogenannten Randstrahlen ein. Das sind die Lichtstrahlen, die gerade noch am Hindernis vorbeilaufen.

  Der Bereich, der hinter dem Hindernis von den Randstrahlen eingefasst wird, ist der Schattenraum.

  Der Schatten, der auf den Schirm fällt, wird Schattenbild oder auch Schattenriss genannt.

• Definiere die Fachbegriffe in puncto Schatten.

  Tipps

  Hier ist ein Übergangsschatten zu sehen.

  Zwischen der Lichtquelle und dem Hindernis kann kein Schatten entstehen.

  Lösung

  Je nachdem, welche Lichtquellen verwendet werden, entstehen unterschiedliche Arten von Schatten:

  • eine punktförmige Lichtquelle:

  Der Bereich, der hinter dem Hindernis von den Randstrahlen eingefasst wird, ist der Schattenraum.

  • zwei punktförmige Lichtquellen:

  Hinter dem Hindernis entsteht ein Bereich, der von keiner der beiden Lichtquellen erreicht wird. Diesen nennen wir Kernschatten.
  Die Bereiche, die für eine der beiden Lichtquellen nicht erreichbar sind, nennen wir Halbschatten.

  • eine ausgedehnte Lichtquelle:

  Es entsteht ein weicher Übergang vom Kernschatten zu den beleuchteten Bereichen. Diesen Bereich nennen wir Übergangsschatten.

• Ermittle, welche Lichtquellen verwendet wurden.

  Tipps

  Untersuche, welche Schattenbereiche auftreten.

  Die Abgrenzung zwischen Schattenraum und beleuchtetem Bereich gibt dir Aufschluss darüber, ob die Lichtquelle/-n punktförmig oder ausgedehnt ist/sind.

  Lösung

  Wir können anhand der Art des Schattens auf die Lichtquellen Folgendes schließen:

  Während eine bzw. mehrere punktförmige Lichtquellen einen klar abgegrenzten Schatten erzeugen, ist bei einer ausgedehnten Lichtquelle ein weicher Übergang zwischen Kernschatten und den beleuchteten Bereichen zu erkennen.
  Da in unserem Schattenbild der Schatten eine klare Grenze hat, handelt es sich um punktförmige Lichtquellen.

  Eine einzelne punktförmige Lichtquelle erzeugt einen einzelnen Schatten mit gleicher Helligkeit. In unserem Schattenbild sind aber mehrere Bereiche unterschiedlicher Helligkeiten zu erkennen.
  Es handelt sich also um mehrere punktförmige Lichtquellen.

  Das Schattenbild ähnelt dem Schattenbild zweier punktförmiger Lichtquellen aus dem Video. Hierbei tritt der sogenannte Kernschatten (in der Mitte) und der Halbschatten (an den Seiten) auf.
  Weil in unserem Fall die beiden Halbschattenbereiche unterschiedliche Helligkeiten aufweisen, können wir daraus schließen, dass der Schatten durch zwei unterschiedlich helle, punktförmige Lichtquellen erzeugt wurde.

• Beschreibe, wie sich das Schattenbild verändert.

  Tipps

  Anhand dieser Skizze kannst du dir herleiten, wie sich die Größe des Schattens verändert.

  Du kannst die Veränderungen auch selbst durch einen Versuch beobachten.
  Bei der Durchführung des Versuchs gehst du wie folgt vor:

  • Schalte die Taschenlampe eines Handys ein und halte einen Stift (oder einen anderen Gegenstand) in das Licht.
  • Beobachte den Schatten auf einer Wand oder auf einem Blatt Papier (welches eine weitere Person hält).
  • Verändere die geforderten Abstände und lass dabei alle anderen Abstände unverändert.

  Lösung

  Die Größe des Schattens, also des Schattenbildes, hängt davon ab, wie weit Lichtquelle, Hindernis und Beobachtungsschirm voneinander entfernt sind.
  Du kannst dir die Veränderungen mithilfe der oben dargestellten Abbildung herleiten:

  Der Gegenstand nähert sich der Lampe.
  $\rightarrow$ Das Schattenbild wird größer.

  Der Beobachtungsschirm wird entfernt.
  $\rightarrow$ Das Schattenbild wird größer.

  Der Gegenstand nähert sich dem Schirm.
  $\rightarrow$ Das Schattenbild wird kleiner.

  Die Lampe wird vom Gegenstand entfernt.
  $\rightarrow$ Das Schattenbild wird kleiner.

  Die Lampe nähert sich dem Gegenstand.
  $\rightarrow$ Das Schattenbild wird größer.

  Du kannst die Veränderungen auch selbst durch einen Versuch beobachten. Bei der Durchführung des Versuchs gehst du wie folgt vor:

  • Schalte die Taschenlampe eines Handys ein und halte einen Stift (oder einen anderen Gegenstand) in das Licht.
  • Beobachte den Schatten auf einer Wand oder auf einem Blatt Papier (welches eine weitere Person hält).
  • Verändere die geforderten Abstände und lass dabei alle anderen Abstände unverändert.

• Gib an, wie viele Lampen Anton an der jeweiligen Position sehen kann.

  Tipps

  Da der Schatten von zwei Lampen erzeugt wird, kann Anton entweder zwei, eine oder gar keine (= null) Lampen erblicken.

  Hier ist die Entstehung des Schattenbildes bei zwei punktförmigen Lichtquellen dargestellt.

  Befindet sich Anton im Kernschatten, kann er keine Lichtquelle sehen.
  Befindet sich Anton aber im Halbschatten, kann er eine Lichtquelle sehen.

  Lösung

  Zwei punktförmige Lichtquellen erzeugen hinter einem Hindernis einen Schatten. Diesen können wir, wie in der Abbildung dargestellt ist, in verschiedene Bereiche unterteilen:
  Hinter dem Hindernis entsteht ein Bereich, der von keiner der beiden Lichtquellen erreicht wird. Diesen nennen wir Kernschatten. Befindet sich Anton im Kernschatten, dann kann er also keine Lichtquelle sehen.
  Die Bereiche, die für eine der beiden Lichtquellen nicht erreichbar sind, nennt man Halbschatten. Befindet sich Anton in diesem Bereich, dann kann er eine Lichtquelle erblicken.
  Befindet sich Anton nicht im Schatten, kann er beide Lichtquellen erkennen.

  Somit ergibt sich:

  • An Position $A$ sieht Anton $2$ Lampen.
  • An Position $B$ sieht Anton $1$ Lampe.
  • An Position $C$ sieht Anton $0$ Lampen.
  • An Position $D$ sieht Anton $1$ Lampe.
  • An Position $E$ sieht Anton $2$ Lampen.

• Erkläre die Entstehung einer Mondfinsternis.

  Tipps

  Im Allgemeinen leuchtet der Mond nur, weil eine Hälfte von der Sonne angestrahlt wird und das Licht reflektiert.

  Hier siehst du die Position von Sonne, Erde und Mond bei einer Mondfinsternis.

  Die Erde ist keine Lichtquelle.

  Lösung

  Der Mond:
  Der Mond ist eine große Gesteinskugel. Er leuchtet nur, weil eine Hälfte von der Sonne angestrahlt wird und das Licht reflektiert. Je nachdem wie Mond, Sonne und Erde zueinander stehen, sehen wir nur einen Teil der beleuchteten Seite.

  Entstehung der Mondfinsternis:
  Um das Entstehen einer Mondfinsternis zu erklären, müssen wir die Position von Sonne, Erde und Mond untersuchen. Wenn diese, wie in der Abbildung dargestellt, zueinander stehen, befindet sich der Mond genau im Kernschatten der Erde. Daher verdunkelt er sich: Er wird nicht mehr angestrahlt.

  Totale und partielle Mondfinsternis:
  Wenn der Mond vollständig in den Schatten der Erde wandert, sprechen wir von einer totalen Mondfinsternis. Eine totale Mondfinsternis kann länger als $100$ Minuten dauern. Manchmal streift der Mond den Schatten der Erde bloß. Dann verdunkelt sich nur ein Teil des Mondes und wir sprechen von einer partiellen Mondfinsternis.

  Ergänzung:
  Der Mond wird bei der Mondfinsternis nicht komplett dunkel, sondern leuchtet in einem dunklen Rot. Das liegt daran, dass das Sonnenlicht aus verschiedenen Farben besteht, von denen der rote Anteil von der Erdatmosphäre so gebrochen wird, dass er den Mond auch im Erdschatten noch trifft. Deswegen leuchtet der Mond dunkelrot – und deswegen sagen wir auch Blutmond.

  Wir überprüfen nun die Aussagen:

  Folgende Aussagen sind korrekt:

  • Der Mond befindet sich im Kernschatten der Erde.
  • Der Mond wird nicht von der Sonne angestrahlt.

  Folgende Aussagen sind falsch:

  • Die Erde befindet sich im Schatten des Mondes.

  $\quad$ Das ist nicht korrekt. Denn der Mond befindet sich im Schatten der Erde.

  • Der Mond löscht die Sonnenstrahlen aus.

  $\quad$ Dies ist ebenfalls nicht richtig: Sonnenstrahlen können nicht ausgelöscht werden.

  • Der Mond ist genau in der Mitte zwischen Sonne und Erde.

  $\quad$ Das stimmt nicht, weil sich die Erde zwischen Sonne und Mond befindet (allerdings nicht genau in der Mitte).

  • Die Erde beleuchtet den Mond nur teilweise.

  $\quad$ Auch dies ist inkorrekt. Die Erde ist nämlich keine Lichtquelle und kann daher den Mond nicht beleuchten.