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Licht und Schatten I Optik I musstewissen Physik
Das Wichtigste aus dem Video
Tipp auf eine Zeit – das Video springt genau dorthin.
Transkriptautomatisch erstellt · 111 Zeilen
- Wo Licht ist, da ist auch Schatten. Und genau darum geht's in diesem Clip.
- Am Ende diese Videos wisst ihr dann alles über Kernschatten, Halbschatten und ... - ... Schattenbilder.
- Heute beleuchten wir: Schauen wir mal, wie ein Schatten entsteht.
- Hinter der Leinwand, da steht eine Lampe. Licht und Schatten gehören ja immer irgendwie zusammen.
- Ohne Licht entsteht auch kein Schatten. Wenn wir die Lampe einschalten,
- dann beleuchtet die schön unsere Leinwand. Aber wir sehen noch keinen Schatten.
- Erst, wenn sich etwas zwischen Lampe und Schirm stellt oder befindet, dann erscheint plötzlich ein Schatten.
- In unserem Fall Eduard, der verschluckt nämlich das Licht, oder wie der Physiker sagt, er absorbiert es.
- Und genau dieses Licht fehlt dann auf der Leinwand und wir erkennen Eduards Silhouette.
- Um nun physikalisch korrekt über Licht und Schatten reden zu können, müssen wir uns noch ein paar Fachbegriffe draufschaffen.
- Die Lampe nennen wir Lichtquelle. Wir betrachten zunächst nur eine Punktlichtquelle,
- also eine, bei der das gesamte Licht aus einem einzigen Punkt herauskommt. So eine Punktlichtquelle sendet ein Lichtbündel aus.
- Die Leinwand nennen wir Schirm. Und Simon ist ein lichtundurchlässiger Körper.
- Wir können noch weitere Dinge benennen. Einmal den Schatten auf dem Schirm, den nennen wir das Schattenbild.
- Und dann gibt es noch etwas Unsichtbares. Das liegt zwischen dem Simon und dem Schirm, nämlich der Schattenraum.
- Der Schattenraum ist der komplette Bereich hinter unserem lichtundurchlässigen Körper, hier Simon.
- Im Schattenraum ist es dunkel, denn da kommt kein Licht hin. Dann spricht man noch vom Umriss.
- Der Umriss eines Körpers oder eines Objekts ist die äußere Linie. Der Umriss legt damit die Form des Schattenbilds auf dem Schirm fest.
- Der Schatten nimmt die Form von unserem Hindernis an. Genauer gesagt, seinen Umriss.
- Und die Größe des Schattens? Na ja, die kann sich halt verändern. Wenn Simon sein Hähnchen, oder was auch immer das sein soll,
- näher zur Leinwand bringt, dann wird das Schattenbild kleiner. Und wenn Simon die Hände näher zur Lichtquelle bewegt,
- dann wird das Schattenbild immer größer. Was hier jetzt mit dem Hähnchen passiert ist,
- das wollen wir mal physikalisch genau untersuchen. Wenn wir in der Physik etwas genau untersuchen,
- dann versuchen wir, genau eine Sache zu verändern. Also ganz genau nur eine physikalische Größe.
- Dann schauen wir doch mal, welche physikalischen Größen beim Schattenbild eine Rolle spielen.
- Die erste Messgröße, die unsere Schattengröße beeinflusst, ist der Weg von der Lichtquelle bis zum Schirm.
- Diesen Abstand nennen wir Schirmabstand und schreiben dafür ein kleines s.
- Jetzt bringen wir unseren lichtundurchlässigen Körper zwischen Lampe und Leinwand.
- Das Zweite, was wir verändern können, ist der Objektabstand. Das ist der Weg von der Lichtquelle bis zu unserem lichtundurchlässigen Körper.
- Für den Objektabstand schreiben wir ein kleines o. Nun machen wir ein Experiment.
- Als Erstes lassen wir den Schirmabstand konstant. Wir verändern ihn also nicht.
- Aber wir verändern den Objektabstand. Dafür schieben wir unser Hähnchen hin und her.
- Wir verändern also die Entfernung zwischen Lichtquelle und Hähnchen. Und wir sehen:
- Je näher unser lichtundurchlässiger Körper, also unser Hähnchen, am Schirm ist, also je größer der Objektabstand ist,
- desto kleiner wird das Schattenbild. Gut, zweites Experiment.
- Diesmal ändern wir den Objektabstand nicht, sondern wir lassen ihn konstant.
- Dafür ändern wir diesmal den Schirmabstand. Dafür schieben wir den Schirm hin und her.
- Ist der Schirm nah an unserem Huhn, also der Schirmabstand s klein, dann ist auch der Schatten klein.
- Wir halten also fest: Die Größe des Schattens hängt vom Abstand der Lichtquelle zum Objekt,
- also dem Objektabstand o, und dem Schirmabstand s, also der Entfernung zwischen Schirm und Lichtquelle ab.
- Wenn wir als Schattenbild ein großes und ein kleines Viereck sehen, dann können wir noch nichts über die Größe unserer Objekte sagen,
- es gibt ja durchaus mehrere Möglichkeiten. Wir gehen jetzt erst mal davon aus,
- dass der Abstand zwischen Lichtquelle und Schirm fest ist. Also der Schirmabstand ändert sich nicht und es gibt auch nur eine Lichtquelle.
- Der Schirmabstand muss daher für beide Schattenbilder gleich sein. Über den Objektabstand, also die Entfernung von Lichtquelle zu Hindernis,
- wissen wir aber nichts. Es könnte sein, dass unser erstes Viereck, das den größeren Schatten wirft,
- tatsächlich größer ist als das andere Viereck und die beiden den gleichen Objektabstand haben.
- Es kann aber auch sein, dass die beiden Hindernisse gleich groß sind, aber der Objektabstand des einen Vierecks,
- welches den größeren Schatten wirft, kleiner ist. Dann wäre es also näher an der Lampe.
- Es gibt sogar die Möglichkeit, dass das Viereck mit dem größeren Schatten kleiner ist
- als das mit dem kleineren Schattenbild. Dann müsste es aber noch näher an der Lichtquelle sein,
- also einen noch kleineren Objektabstand haben. Wenn wir nur die zwei Schattenbilder sehen,
- können wir ohne weitere Informationen keine Rückschlüsse auf die Größenverhältnisse der Hindernisse ziehen.
- Wir wissen also nicht, welches Objekt größer oder kleiner ist. Diese Experimente sind ja schön,
- aber wie zeichnet man denn ein korrektes Schattenbild? Beim Zeichnen eines Schattenbildes gibt es nämlich ein paar Dinge zu beachten.
- Zu einem Schattenbild gehören drei Sachen: Die Lichtquelle zeichnen wir als Kreis mit einem Kreuz in der Mitte.
- Wir gehen ja von einer Punktlichtquelle aus. Also, alle Lichtstrahlen kommen genau aus der Mitte dieses Kreuzes.
- Für den Körper nehmen wir der Einfachheit halber ein Rechteck. Das könnte beispielsweise ein Buch sein.
- Und der Schirm steht natürlich hinten. Heißt: hinter der Lichtquelle und hinter dem lichtundurchlässigem Körper.
- Jetzt schauen wir uns das mal von oben an. Zeichnen wir jetzt den Weg des Lichtes ein,
- am besten mit Lineal, denn Lichtstrahlen breiten sich ja gradlinig aus. Ihr setzt es in der Mitte der Lichtquelle an
- und zeichnet dann eine Linie bis zum Rand eures Objektes und setzt die Linie dann fort bis zum Schirm.
- Das macht ihr für beide Ränder. Die beiden Strahlen, die wir jetzt eingetragen haben,
- die nennt man auch Randstrahlen, weil sie den Rand bilden, an dem das Licht noch gerade so am Körper vorbeikommt.
- Zwischen den Randstrahlen liegt der Schattenraum, also der Bereich, wo kein Licht ist.
- Und genau da, wo die Randstrahlen auf den Schirm treffen, da entsteht das Schattenbild.
- Vielleicht sieht eine Physikaufgabe bei euch ja so aus: Ein halbfertiges Bild.
- Hier sind schon das Schattenbild und auch der Körper eingetragen, aber die Lichtquelle fehlt.
- Die Aufgabe dazu: Um sie zu finden, müssen wir wieder die Randstrahlen einzeichnen.
- Die Randstrahlen gehen ja immer genau von dem oberen Rand des Körpers bis zum oberen Rand des Schattenbildes.
- Also Lineal dran und schon haben wir den ersten Randstrahl. Das Gleiche machen wir für die untere Seite.
- Und da, wo sich beide Randstrahlen jetzt kreuzen, da muss die Lichtquelle sein.
- Bisher hatten wir immer nur eine Lichtquelle, die uns den Schatten gemacht hat.
- Aber in der Realität haben wir oft mehrere Lichtquellen, die einen Raum beleuchten. Denkt doch mal an ein Fußballstadium bei Nacht.
- Was passiert denn mit einem Schatten, wenn wir zwei Lichtquellen haben? Dafür nehmen wir mal eine rote ... - ... und eine grüne Taschenlampe.
- Damit wir aber einen Schatten sehen, brauchen wir natürlich auch noch einen lichtundurchlässigen Gegenstand.
- Wenn ich meine Lampe anmache, dann sehen wir direkt ein Schattenbild. Wenn wir aber beide Lampen gleichzeitig anmachen, dann sehen wir das hier.
- Wir sehen hier zwei Schattenbilder, die sich teilweise überlagern. Ein grünes Schattenbild und ein rotes.
- In der Mitte, wo sich beide überlagern, sehen wir einen schwarzen Bereich. Um diesen merkwürdigen Schatten zu erklären,
- zeichnen wir erneut das Schattenbild, aber diesmal für unsere beiden Lichtquellen.
- Fangen wir mit der roten Lichtquelle an. Wir zeichnen wieder die Randstrahlen ein.
- Die gehen von der Lichtquelle an den oberen und unteren Rändern des Körpers vorbei.
- Der ganze Raum ist also rot beleuchtet, bis auf den Schattenraum. Und nun genau dasselbe für die grüne Lampe.
- Die grüne Lampe leuchtet alles grün an, bis auf den Bereich zwischen den Randstrahlen,
- denn das ist wieder der Schattenraum der grünen Lampe. Jetzt lassen wir die grüne Lampe an
- und schalten noch zusätzlich die rote Lampe ein. Dann überlappen sich die beiden Schattenräume in der Mitte.
- Das ist der Kernschatten. Hier gibt es weder rotes noch grünes Licht.
- Der Kernschatten ist also immer der Bereich, in den gar kein Licht kommt. Daneben sind aber noch zwei Bereiche.
- In dem einen sieht man ein rotes Schattenbild und in dem anderen ein grünes.
- Diese Bereiche nennt man Halbschatten, weil hier zumindest noch das Licht von einer der beiden Lampen ankommt.
- Also hier im roten Bereich, da fehlt das Licht von unserer grünen Lampe. Und im grünen Bereich fehlt das Licht der roten.
- Das sind die beiden Halbschatten. Das funktioniert aber nicht nur mit farbigem Licht,
- sondern das geht auch bei weißem Licht. Dafür haben wir die Folien einfach wieder von den Taschenlampen abgemacht.
- Auch hier sehen wir einen Kernschatten, und zwar da, wo gar kein Licht hinfällt. Und zwei Halbschatten, wo nur eine Lampe jeweils hinleuchtet.
- Und jetzt ist die Frage: Was passiert bei drei Lampen? Drei Lampen heißt auch drei Schattenbilder.
- Wir müssen also dreimal unsere Randstrahlen einzeichnen. Jetzt haben wir hier drei Schattenräume.
- Und die überlagern sich wieder. Immer da, wo gar kein Licht hinfällt, das ist der Kernschatten.
- Das ist hier der total dunkle Bereich in der Mitte. Aber jetzt kommt's: Es gibt ja jetzt noch zwei weitere Schattenarten.
- Diese hier, dort fällt das Licht von zwei Lampen hin, und diese hier, dort fällt das Licht von einer Lampe hin.
- Man könnte also jetzt vom Ein-Drittel- und vom Zwei-Drittel-Schatten sprechen, aber das macht man für gewöhnlich nicht.
- Alles, was im Schatten ist, aber nicht im Kernschatten, heißt Halbschatten. Jetzt nehmen wir mal nicht ein oder zwei oder drei oder vier Lampen,
- sondern wir machen das mit unendlich vielen Lampen nebeneinander noch mal. Das ist dann eine ausgedehnte Lichtquelle.
- Und hier haben wir so eine. Das ist eine Flächenleuchte.
- Bei der ausgedehnten Lichtquelle lässt sich das Schattenbild folgenermaßen konstruieren.
- Wir zeichnen vom oberen Ende der Lampe unsere Randstrahlen ein und vom unteren Ende der Lampe machen wir genau das gleiche auch.
- Jetzt haben wir den Kernschatten konstruiert und außerdem den äußeren Rand des Halbschattens.
- Der Halbschattenbereich ist aber jetzt total verschwommen. Er wird zur Mitte hin stufenlos dunkler.
- Und weil man dieses stufenlos nicht ganz genau beschreiben möchte, sagen wir eben Halbschatten.
- Also alles, was im Schatten liegt, aber nicht der Kernschatten ist, ist eben der Halbschatten.
- Und mit dem stufenlosen Halbschatten unserer ausgedehnten Lichtquelle, schmeißen wir euch jetzt raus.
- Bei Fragen oder Anmerkungen, haut uns die einfach in die Comments. Alles klar, reicht.
- Untertitel im Auftrag des ZDF für funk, 2017
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