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Lichtausbreitung: Strahlen, Schatten und Grenzen
In einem homogenen Medium breitet sich Licht ohne Hindernis geradlinig aus. Homogen bedeutet: Das Medium besitzt überall und in jeder Richtung dieselben physikalischen Eigenschaften. Mit dem Strahlenmodell kannst du dadurch Sichtbarkeit, Lichtbündel, Schatten und die Lochkamera erklären.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wie wird ein Gegenstand sichtbar?
Du siehst einen Gegenstand nur, wenn Licht von ihm in dein Auge gelangt. Dein Auge ist dabei ein Lichtempfänger.
Lichtquelle
Eine Lichtquelle erzeugt und sendet selbst Licht aus. Beispiele sind die Sonne, eine Kerzenflamme und eine eingeschaltete Lampe.
Die meisten Gegenstände leuchten nicht selbst. Sie werden sichtbar, weil sie einfallendes Licht zurückwerfen. Eine Blume im Sonnenlicht ist deshalb ein beleuchteter Gegenstand, aber keine Lichtquelle.
Du siehst ein Buch unter einer Lampe. Der vollständige Lichtweg lautet:
- Die Lampe sendet Licht aus.
- Licht trifft auf das Buch.
- Das Buch wirft einen Teil des Lichts zurück.
- Ein Teil dieses Lichts gelangt in dein Auge.
Ohne den letzten Schritt könntest du das Buch nicht sehen.
Wie hilft das Strahlenmodell?
Licht breitet sich von vielen Lichtquellen in verschiedene Richtungen aus. Ein Lichtbündel umfasst einen bestimmten Teil dieses Lichts.
Lichtstrahl
Ein Lichtstrahl ist eine gedachte, sehr dünne Linie im Strahlenmodell. Er zeigt die Richtung eines Lichtwegs. Viele Lichtstrahlen zusammen stellen ein Lichtbündel dar.
Der Lichtstrahl ist kein dünner materieller Faden. Er ist ein Modell, mit dem du Lichtwege übersichtlich zeichnest. In einem homogenen Medium zeichnest du ihn als gerade Linie mit einem Pfeil für die Ausbreitungsrichtung.
Eine kleine Öffnung in einem undurchsichtigen Gegenstand heißt Blende. Sie lässt nur einen Teil des Lichts als begrenztes Lichtbündel hindurch. Sich kreuzende Lichtbündel verändern ihre Richtungen nicht gegenseitig.
Gerade Lichtstrahlen gelten im Strahlenmodell, wenn das Medium homogen ist und kein Hindernis oder Medienwechsel den Lichtweg verändert.
Im Vakuum bewegt sich Licht mit exakt 299 792 458 Metern pro Sekunde, also ungefähr 300 000 Kilometern pro Sekunde. In lichtdurchlässigen Stoffen ist seine Geschwindigkeit geringer.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Im Strahlenmodell breitet sich Licht in einem Medium aus. Der Pfeil an einem Lichtstrahl zeigt die des Lichts.
Wie entstehen Schatten?
Ein undurchsichtiger Gegenstand blockiert Licht. Hinter ihm liegt dadurch ein Bereich, den das Licht nicht erreicht: der Schatten.
Eine kleine Lampe beleuchtet einen undurchsichtigen Gegenstand vor einer Wand.
Zeichne von der Lichtquelle aus zwei gerade Randstrahlen, die den Gegenstand gerade noch berühren. Der Bereich zwischen diesen Randstrahlen liegt hinter dem Gegenstand ohne direktes Licht. Dort erscheint auf der Wand der Schatten.
Verschiebst du Lampe, Gegenstand oder Wand, ändern sich die Randstrahlen. Deshalb verändern sich Lage und Größe des Schattens.
Bei mehreren oder ausgedehnten Lichtquellen entstehen verschiedene Schattenbereiche:
- Kernschatten: Keine Lichtquelle beleuchtet diesen Bereich.
- Halbschatten: Nur ein Teil der Lichtquellen beleuchtet diesen Bereich.
- Übergangsschatten: Bei einer ausgedehnten Lichtquelle geht der beleuchtete Bereich unscharf in den Schatten über.
Wann verläuft Licht nicht gerade?
Die Aussage „Licht breitet sich geradlinig aus“ hat Bedingungen. Ändern sich die Eigenschaften eines Mediums von Ort zu Ort, ist es inhomogen. Dann kann Licht fortlaufend gebrochen werden und einem gekrümmten Weg folgen.
Auch an der Grenzfläche zweier optisch verschiedener Stoffe kann Licht seine Richtung ändern. Dies heißt Brechung. Ein schräg ins Wasser gestellter Stab kann deshalb an der Wasseroberfläche abgeknickt erscheinen, obwohl er gerade ist.
Temperaturschichten in der Luft können ebenfalls Lichtwege verändern. So können über einer heißen Straße Luftspiegelungen entstehen. Auch die Atmosphäre kann den scheinbaren Ort von Sonne oder Sternen verschieben.
Der Lichtweg ist umkehrbar: Gelangt Licht auf einem bestimmten Weg von A nach B, kann es denselben Weg in umgekehrter Richtung von B nach A nehmen. Diese Eigenschaft hilft beim Konstruieren optischer Lichtwege.
Das Strahlenmodell erklärt viele Erscheinungen der geometrischen Optik. Für Beugung und Interferenz reicht es jedoch nicht aus; dafür wird Licht als Welle betrachtet.
Was zeigt eine Lochkamera?
Eine Lochkamera besteht aus einem lichtdichten Raum mit einem kleinen Loch auf der Vorderseite und einer Bildfläche auf der Rückseite. Sie zeigt besonders deutlich, wie geradlinige Lichtwege ein Bild erzeugen.
Betrachte einen leuchtenden Pfeil vor einer Lochkamera:
- Licht von der Pfeilspitze läuft geradlinig durch das Loch zum unteren Teil der Bildfläche.
- Licht vom unteren Pfeilende läuft durch das Loch zum oberen Teil der Bildfläche.
- Die Lichtwege kreuzen sich am Loch.
Darum steht das Bild auf dem Kopf und ist seitenverkehrt.
Ein größeres Loch lässt mehr Licht hinein. Das Bild wird heller, aber unschärfer: Von jedem Gegenstandspunkt gelangen dann mehr Lichtwege auf unterschiedliche Stellen der Bildfläche und überlagern sich.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Lichtausbreitung
- Sichtbarkeit durch Licht im Auge
- gerade Lichtwege im homogenen Medium
- Schatten durch blockierte Lichtwege
- Brechung bei veränderten Medien
- Lochkamera als Anwendung des Strahlenmodells
- Beugung und Interferenz als Grenzen des Strahlenmodells
Abschluss-Check
Wenn du Lichtwege untersuchst, frage immer in dieser Reihenfolge: Woher kommt das Licht? Was geschieht auf seinem Weg? Wie gelangt es in das Auge oder auf den Schirm?