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Licht und Schatten

Licht und Schatten: Wer kennt sie nicht? Doch was steckt dahinter in der Physik? Licht breitet sich in gerader Linie aus und erzeugt Schatten hinter Hindernissen. Erfahre anhand von Beispielen, wie Lichtstrahlen Schatten entstehen lassen und wie sich dies ändert, wenn weitere Lichtquellen hinzukommen. Interessiert? Mehr Details warten auf dich hier!

Inhaltsverzeichnis zum Thema Licht und Schatten
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Licht und Schatten
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Grundlagen zum Thema Licht und Schatten

Licht und Schatten

Du weißt schon, was Licht ist, und natürlich weißt du auch, was ein Schatten ist. Aber wie hängen Licht und Schatten in der Physik eigentlich zusammen? Sehen wir uns ein paar Beispiele von Schatten an:

Schatten Beispiele

Schauen wir uns jetzt eine einzelne Glühlampe an. Wenn sie eingeschaltet ist, erzeugt sie Licht. Das Licht breitet sich von der Glühlampe ausgehend geradlinig in Form von Strahlen aus. Das heißt, wenn wir den Weg des Lichts von der Glühbirne aus zeichnen, können wir gerade Linien zeichnen. Jetzt stellen wir uns vor, dass sich ein Hindernis im Raum befindet. Das kann jedes beliebige Objekt sein, solange es nicht durchsichtig ist.

Schattenverlauf bei punktförmigen Lichtquellen

Wenn wir jetzt die Lichtstrahlen zeichnen, sehen wir, dass sie manche Bereiche hinter dem Objekt nicht erreichen können. Diesen Bereich hinter dem Objekt nennen wir Schatten. Du kannst das zu Hause einfach ausprobieren: zum Beispiel mit der Taschenlampe von deinem Handy (Lichtquelle), einem Lineal (Hindernis) und einem Blatt Papier. Wenn du den Abstand zwischen Papier und Lineal änderst, kannst du beobachten, wie der Schatten kleiner oder größer wird. Damit siehst du, dass er kegelförmig verläuft – genau wie in der Abbildung.

Jetzt schauen wir uns an, wie sich die Situation verändert, wenn wir eine zweite Lichtquelle hinzufügen. Wir betrachten zwei Glühlampen, die nebeneinanderstehen. Wir stellen uns das gleiche Hindernis wie im vorigen Beispiel vor. Dann zeichnen wir die Lichtstrahlen ein, die von jeder Glühlampe ausgehend gerade noch am Hindernis vorbeilaufen.

Schattenverlauf bei ausgedehnten Lichtquellen

Jetzt entstehen verschiedene Bereiche. Ein Bereich, der von den Strahlen, die von beiden Lampen ausgehen, erreicht wird. In diesem Bereich ist es hell. Außerdem gibt es Bereiche, die zwar von den Strahlen einer Lampe erreicht werden, aber nicht von den Strahlen der jeweils anderen Lampe. Diese Bereiche sind etwas dunkler, aber dort gibt es immer noch Licht. Man nennt diese Bereiche Halbschatten. Und es gibt einen kleinen Bereich direkt hinter dem Hindernis, der von keinen Lichtstrahlen erreicht wird. Dieser Bereich heißt Kernschatten.

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Vorschaubild einer Übung

Transkript Licht und Schatten

Ina hat es sich gerade in ihrem Sessel gemütlich gemacht, als plötzlich: „Woa“ Ein riesiger Monsterhund aber kann das wirklich sein? Vielleicht hilft Ina dieses Video über „Licht und Schatten“ weiter. Ein Schatten kann nur dort entstehen, wo es auch Licht gibt. Dafür begegnen uns viele Beispiele im Alltag. Gebäude können Schatten werfen. Am Strand spenden Sonnenschirme Schatten. Und auch wir selbst können einen Schatten werfen. Aber wie entsteht ein Schatten? Beginnen wir mit der „Konstruktion des Schattenbildes“ mit einer „punktförmigen Lichtquelle“. Wir betrachten die folgende Situation. Eine punktförmige „Lichtquelle“ strahlt Lichtstrahlen in alle Richtungen aus. Mit punktförmig ist gemeint, dass die Lichtquelle im Vergleich zur Größe des bestrahlten Objekts und zu den Abständen sehr klein ist. Dann können wir annehmen, dass die Lichtstrahlen von einem einzigen Punkt in alle Richtungen ausgehen. Zwischen der Lichtquelle und einem „Schirm“, der zum Beispiel auch eine Wand sein könnte, befindet sich ein Lichtundurchlässiges „Hindernis“. Um das Schattenbild zu konstruieren, müssen wir die „Randstrahlen“ einzeichnen. In unserer Zeichnung dunkeln wir die Schattenbereiche beim Einschalten der Lichtquelle ab – in Realität würde die Lichtquelle die Umgebung natürlich aufhellen, während die Schattenbereiche dunkel bleiben. Damit unsere Zeichnung nicht zu unübersichtlich wird, zeichnen wir nur die Strahlen am Fuß des Hindernisses ein. Die Randstrahlen sind die Strahlen, die gerade noch am Hindernis vorbeilaufen. Der Bereich, der hinter dem Hindernis von den Randstrahlen eingefasst wird, ist der „Schattenraum“. Der Schattenraum kann von dem Licht der Lichtquelle nicht erreicht werden. Der Schatten, der auf den Schirm fällt, wird „Schattenbild“ oder „Schattenriss“ genannt. Die Größe des Schattens hängt davon ab, wie weit Lichtquelle, Hindernis und Schirm voneinander entfernt sind. Schieben wir das Hindernis näher an die Lichtquelle, wird der Schatten größer. Er kann sogar viel größer werden als das eigentliche Objekt. Schieben wir das Hindernis näher an den Schirm, wird der Schatten kleiner. Und was passiert, wenn wir die „Konstruktion des Schattenbildes“ bei „zwei punktförmigen Lichtquellen“ betrachten? Wenn wir nur eine Lichtquelle einschalten, wirft das Hindernis einen Schatten wie im vorherigen Beispiel. Schalten wir jedoch die zweite Lichtquelle ein, entstehen unterschiedlich helle Bereiche. Hinter dem Hindernis entsteht ein Bereich, der von keiner der Lichtquellen erreicht wird. Diesen Bereich nennt man „Kernschatten“. Die direkt angrenzenden Bereiche sind jeweils für eine der beiden Lampen nicht erreichbar. Diese Bereiche nennt man „Halbschatten“. Wenn wir statt zwei Lichtquellen vier verwenden, entstehen weitere Bereiche mit unterschiedlichen Schattierungen. Ist die Lichtquelle selbst ausgedehnt, wie zum Beispiel eine Leuchtstoffröhre, entsteht ein weicher Übergang vom Kernschatten zu den beleuchteten Bereichen. Diesen Bereich des weichen Übergangs nennen wir „Übergangsschatten“. Fassen wir die wichtigsten Punkte noch einmal zusammen. Ein Schatten entsteht, wenn Licht auf ein lichtundurchlässiges Hindernis trifft. Mithilfe der Randstrahlen kann der Schatten konstruiert werden. Der gesamte verdunkelte Bereich hinter dem Hindernis heißt Schattenraum. Die Projektion auf einen Schirm heißt Schattenbild. Bei mehreren Lichtquellen können wir zwischen Kernschatten und Halbschatten unterscheiden. Bei ausgedehnten Lichtquellen können wir einen Übergangsschatten beobachten. Wenn du eine Taschenlampe oder ein Handy hast, kannst du gleich im Anschluss selbst experimentieren. Betrachte die Schatten unterschiedlicher Objekte, ändere Entfernung und Orientierung und teste auch unterschiedliche Lichtquellen aus. Was fällt dir auf? Schreib es in die Kommentare! Aber was hatte es eigentlich mit dem riesigen Monsterhund auf sich? „Achso“ „Das war ja nur Oscar!“

40 Kommentare
40 Kommentare
  1. leute!Er hat doch gesagt,wenn wir ein experiment machen,sollen wir in die Kommetare schreiben.

    Von ..., vor 21 Tagen
  2. Tja das hab ich verstanden, hoffen wir das es auch dran kommt und ich eine gute Note schreibe... gut erklärt!

    Von Smilla, vor 22 Tagen
  3. Danke jetzt schaffe ich meine Physik Klassenarbeit

    Von Sophie , vor etwa einem Monat
  4. Nice

    Von Leopold, vor 2 Monaten
  5. Ach der oska schon wider

    Von Elias, vor 3 Monaten
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Licht und Schatten Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Licht und Schatten kannst du es wiederholen und üben.
  • 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.

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