Licht und Schatten I Optik I musstewissen Physik
musstewissen Physik
https://www.youtube.com/watch?v=ljEOxXbff2c

Transkript (automatisch erstellt)

0:00 Wo Licht ist, da ist auch Schatten. Und genau darum geht's in diesem Clip.
0:04 Am Ende diese Videos wisst ihr dann alles über Kernschatten, Halbschatten und ... - ... Schattenbilder.
0:15 Heute beleuchten wir: Schauen wir mal, wie ein Schatten entsteht.
0:26 Hinter der Leinwand, da steht eine Lampe. Licht und Schatten gehören ja immer irgendwie zusammen.
0:32 Ohne Licht entsteht auch kein Schatten. Wenn wir die Lampe einschalten,
0:35 dann beleuchtet die schön unsere Leinwand. Aber wir sehen noch keinen Schatten.
0:40 Erst, wenn sich etwas zwischen Lampe und Schirm stellt oder befindet, dann erscheint plötzlich ein Schatten.
0:47 In unserem Fall Eduard, der verschluckt nämlich das Licht, oder wie der Physiker sagt, er absorbiert es.
0:53 Und genau dieses Licht fehlt dann auf der Leinwand und wir erkennen Eduards Silhouette.
1:03 Um nun physikalisch korrekt über Licht und Schatten reden zu können, müssen wir uns noch ein paar Fachbegriffe draufschaffen.
1:10 Die Lampe nennen wir Lichtquelle. Wir betrachten zunächst nur eine Punktlichtquelle,
1:16 also eine, bei der das gesamte Licht aus einem einzigen Punkt herauskommt. So eine Punktlichtquelle sendet ein Lichtbündel aus.
1:24 Die Leinwand nennen wir Schirm. Und Simon ist ein lichtundurchlässiger Körper.
1:29 Wir können noch weitere Dinge benennen. Einmal den Schatten auf dem Schirm, den nennen wir das Schattenbild.
1:35 Und dann gibt es noch etwas Unsichtbares. Das liegt zwischen dem Simon und dem Schirm, nämlich der Schattenraum.
1:42 Der Schattenraum ist der komplette Bereich hinter unserem lichtundurchlässigen Körper, hier Simon.
1:48 Im Schattenraum ist es dunkel, denn da kommt kein Licht hin. Dann spricht man noch vom Umriss.
1:56 Der Umriss eines Körpers oder eines Objekts ist die äußere Linie. Der Umriss legt damit die Form des Schattenbilds auf dem Schirm fest.
2:04 Der Schatten nimmt die Form von unserem Hindernis an. Genauer gesagt, seinen Umriss.
2:12 Und die Größe des Schattens? Na ja, die kann sich halt verändern. Wenn Simon sein Hähnchen, oder was auch immer das sein soll,
2:19 näher zur Leinwand bringt, dann wird das Schattenbild kleiner. Und wenn Simon die Hände näher zur Lichtquelle bewegt,
2:25 dann wird das Schattenbild immer größer. Was hier jetzt mit dem Hähnchen passiert ist,
2:30 das wollen wir mal physikalisch genau untersuchen. Wenn wir in der Physik etwas genau untersuchen,
2:35 dann versuchen wir, genau eine Sache zu verändern. Also ganz genau nur eine physikalische Größe.
2:41 Dann schauen wir doch mal, welche physikalischen Größen beim Schattenbild eine Rolle spielen.
2:48 Die erste Messgröße, die unsere Schattengröße beeinflusst, ist der Weg von der Lichtquelle bis zum Schirm.
2:54 Diesen Abstand nennen wir Schirmabstand und schreiben dafür ein kleines s.
2:59 Jetzt bringen wir unseren lichtundurchlässigen Körper zwischen Lampe und Leinwand.
3:05 Das Zweite, was wir verändern können, ist der Objektabstand. Das ist der Weg von der Lichtquelle bis zu unserem lichtundurchlässigen Körper.
3:13 Für den Objektabstand schreiben wir ein kleines o. Nun machen wir ein Experiment.
3:19 Als Erstes lassen wir den Schirmabstand konstant. Wir verändern ihn also nicht.
3:23 Aber wir verändern den Objektabstand. Dafür schieben wir unser Hähnchen hin und her.
3:29 Wir verändern also die Entfernung zwischen Lichtquelle und Hähnchen. Und wir sehen:
3:35 Je näher unser lichtundurchlässiger Körper, also unser Hähnchen, am Schirm ist, also je größer der Objektabstand ist,
3:44 desto kleiner wird das Schattenbild. Gut, zweites Experiment.
3:49 Diesmal ändern wir den Objektabstand nicht, sondern wir lassen ihn konstant.
3:53 Dafür ändern wir diesmal den Schirmabstand. Dafür schieben wir den Schirm hin und her.
3:59 Ist der Schirm nah an unserem Huhn, also der Schirmabstand s klein, dann ist auch der Schatten klein.
4:10 Wir halten also fest: Die Größe des Schattens hängt vom Abstand der Lichtquelle zum Objekt,
4:16 also dem Objektabstand o, und dem Schirmabstand s, also der Entfernung zwischen Schirm und Lichtquelle ab.
4:23 Wenn wir als Schattenbild ein großes und ein kleines Viereck sehen, dann können wir noch nichts über die Größe unserer Objekte sagen,
4:30 es gibt ja durchaus mehrere Möglichkeiten. Wir gehen jetzt erst mal davon aus,
4:36 dass der Abstand zwischen Lichtquelle und Schirm fest ist. Also der Schirmabstand ändert sich nicht und es gibt auch nur eine Lichtquelle.
4:44 Der Schirmabstand muss daher für beide Schattenbilder gleich sein. Über den Objektabstand, also die Entfernung von Lichtquelle zu Hindernis,
4:53 wissen wir aber nichts. Es könnte sein, dass unser erstes Viereck, das den größeren Schatten wirft,
4:59 tatsächlich größer ist als das andere Viereck und die beiden den gleichen Objektabstand haben.
5:04 Es kann aber auch sein, dass die beiden Hindernisse gleich groß sind, aber der Objektabstand des einen Vierecks,
5:10 welches den größeren Schatten wirft, kleiner ist. Dann wäre es also näher an der Lampe.
5:16 Es gibt sogar die Möglichkeit, dass das Viereck mit dem größeren Schatten kleiner ist
5:20 als das mit dem kleineren Schattenbild. Dann müsste es aber noch näher an der Lichtquelle sein,
5:25 also einen noch kleineren Objektabstand haben. Wenn wir nur die zwei Schattenbilder sehen,
5:32 können wir ohne weitere Informationen keine Rückschlüsse auf die Größenverhältnisse der Hindernisse ziehen.
5:37 Wir wissen also nicht, welches Objekt größer oder kleiner ist. Diese Experimente sind ja schön,
5:42 aber wie zeichnet man denn ein korrektes Schattenbild? Beim Zeichnen eines Schattenbildes gibt es nämlich ein paar Dinge zu beachten.
5:49 Zu einem Schattenbild gehören drei Sachen: Die Lichtquelle zeichnen wir als Kreis mit einem Kreuz in der Mitte.
6:00 Wir gehen ja von einer Punktlichtquelle aus. Also, alle Lichtstrahlen kommen genau aus der Mitte dieses Kreuzes.
6:07 Für den Körper nehmen wir der Einfachheit halber ein Rechteck. Das könnte beispielsweise ein Buch sein.
6:13 Und der Schirm steht natürlich hinten. Heißt: hinter der Lichtquelle und hinter dem lichtundurchlässigem Körper.
6:20 Jetzt schauen wir uns das mal von oben an. Zeichnen wir jetzt den Weg des Lichtes ein,
6:26 am besten mit Lineal, denn Lichtstrahlen breiten sich ja gradlinig aus. Ihr setzt es in der Mitte der Lichtquelle an
6:33 und zeichnet dann eine Linie bis zum Rand eures Objektes und setzt die Linie dann fort bis zum Schirm.
6:40 Das macht ihr für beide Ränder. Die beiden Strahlen, die wir jetzt eingetragen haben,
6:45 die nennt man auch Randstrahlen, weil sie den Rand bilden, an dem das Licht noch gerade so am Körper vorbeikommt.
6:51 Zwischen den Randstrahlen liegt der Schattenraum, also der Bereich, wo kein Licht ist.
6:57 Und genau da, wo die Randstrahlen auf den Schirm treffen, da entsteht das Schattenbild.
7:03 Vielleicht sieht eine Physikaufgabe bei euch ja so aus: Ein halbfertiges Bild.
7:08 Hier sind schon das Schattenbild und auch der Körper eingetragen, aber die Lichtquelle fehlt.
7:13 Die Aufgabe dazu: Um sie zu finden, müssen wir wieder die Randstrahlen einzeichnen.
7:19 Die Randstrahlen gehen ja immer genau von dem oberen Rand des Körpers bis zum oberen Rand des Schattenbildes.
7:25 Also Lineal dran und schon haben wir den ersten Randstrahl. Das Gleiche machen wir für die untere Seite.
7:32 Und da, wo sich beide Randstrahlen jetzt kreuzen, da muss die Lichtquelle sein.
7:38 Bisher hatten wir immer nur eine Lichtquelle, die uns den Schatten gemacht hat.
7:41 Aber in der Realität haben wir oft mehrere Lichtquellen, die einen Raum beleuchten. Denkt doch mal an ein Fußballstadium bei Nacht.
7:48 Was passiert denn mit einem Schatten, wenn wir zwei Lichtquellen haben? Dafür nehmen wir mal eine rote ... - ... und eine grüne Taschenlampe.
7:55 Damit wir aber einen Schatten sehen, brauchen wir natürlich auch noch einen lichtundurchlässigen Gegenstand.
8:01 Wenn ich meine Lampe anmache, dann sehen wir direkt ein Schattenbild. Wenn wir aber beide Lampen gleichzeitig anmachen, dann sehen wir das hier.
8:09 Wir sehen hier zwei Schattenbilder, die sich teilweise überlagern. Ein grünes Schattenbild und ein rotes.
8:15 In der Mitte, wo sich beide überlagern, sehen wir einen schwarzen Bereich. Um diesen merkwürdigen Schatten zu erklären,
8:22 zeichnen wir erneut das Schattenbild, aber diesmal für unsere beiden Lichtquellen.
8:26 Fangen wir mit der roten Lichtquelle an. Wir zeichnen wieder die Randstrahlen ein.
8:32 Die gehen von der Lichtquelle an den oberen und unteren Rändern des Körpers vorbei.
8:38 Der ganze Raum ist also rot beleuchtet, bis auf den Schattenraum. Und nun genau dasselbe für die grüne Lampe.
8:44 Die grüne Lampe leuchtet alles grün an, bis auf den Bereich zwischen den Randstrahlen,
8:50 denn das ist wieder der Schattenraum der grünen Lampe. Jetzt lassen wir die grüne Lampe an
8:55 und schalten noch zusätzlich die rote Lampe ein. Dann überlappen sich die beiden Schattenräume in der Mitte.
9:02 Das ist der Kernschatten. Hier gibt es weder rotes noch grünes Licht.
9:07 Der Kernschatten ist also immer der Bereich, in den gar kein Licht kommt. Daneben sind aber noch zwei Bereiche.
9:14 In dem einen sieht man ein rotes Schattenbild und in dem anderen ein grünes.
9:19 Diese Bereiche nennt man Halbschatten, weil hier zumindest noch das Licht von einer der beiden Lampen ankommt.
9:26 Also hier im roten Bereich, da fehlt das Licht von unserer grünen Lampe. Und im grünen Bereich fehlt das Licht der roten.
9:34 Das sind die beiden Halbschatten. Das funktioniert aber nicht nur mit farbigem Licht,
9:39 sondern das geht auch bei weißem Licht. Dafür haben wir die Folien einfach wieder von den Taschenlampen abgemacht.
9:45 Auch hier sehen wir einen Kernschatten, und zwar da, wo gar kein Licht hinfällt. Und zwei Halbschatten, wo nur eine Lampe jeweils hinleuchtet.
9:54 Und jetzt ist die Frage: Was passiert bei drei Lampen? Drei Lampen heißt auch drei Schattenbilder.
10:01 Wir müssen also dreimal unsere Randstrahlen einzeichnen. Jetzt haben wir hier drei Schattenräume.
10:07 Und die überlagern sich wieder. Immer da, wo gar kein Licht hinfällt, das ist der Kernschatten.
10:14 Das ist hier der total dunkle Bereich in der Mitte. Aber jetzt kommt's: Es gibt ja jetzt noch zwei weitere Schattenarten.
10:22 Diese hier, dort fällt das Licht von zwei Lampen hin, und diese hier, dort fällt das Licht von einer Lampe hin.
10:28 Man könnte also jetzt vom Ein-Drittel- und vom Zwei-Drittel-Schatten sprechen, aber das macht man für gewöhnlich nicht.
10:35 Alles, was im Schatten ist, aber nicht im Kernschatten, heißt Halbschatten. Jetzt nehmen wir mal nicht ein oder zwei oder drei oder vier Lampen,
10:44 sondern wir machen das mit unendlich vielen Lampen nebeneinander noch mal. Das ist dann eine ausgedehnte Lichtquelle.
10:50 Und hier haben wir so eine. Das ist eine Flächenleuchte.
10:54 Bei der ausgedehnten Lichtquelle lässt sich das Schattenbild folgenermaßen konstruieren.
10:59 Wir zeichnen vom oberen Ende der Lampe unsere Randstrahlen ein und vom unteren Ende der Lampe machen wir genau das gleiche auch.
11:06 Jetzt haben wir den Kernschatten konstruiert und außerdem den äußeren Rand des Halbschattens.
11:12 Der Halbschattenbereich ist aber jetzt total verschwommen. Er wird zur Mitte hin stufenlos dunkler.
11:18 Und weil man dieses stufenlos nicht ganz genau beschreiben möchte, sagen wir eben Halbschatten.
11:24 Also alles, was im Schatten liegt, aber nicht der Kernschatten ist, ist eben der Halbschatten.
11:29 Und mit dem stufenlosen Halbschatten unserer ausgedehnten Lichtquelle, schmeißen wir euch jetzt raus.
11:34 Bei Fragen oder Anmerkungen, haut uns die einfach in die Comments. Alles klar, reicht.
11:39 Untertitel im Auftrag des ZDF für funk, 2017