Physik Realschule Bayern › Optik › Jahrgangsstufe 7
Lichtausbreitung, Schatten und Finsternisse
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 7 · Bayern · Optik
Der Lernbereich Optik der 7. Jahrgangsstufe beginnt laut LehrplanPLUS mit der Ausbreitung des Lichts. Mit dem Modell des Lichtstrahls erklären Lernende Schatten, Kern- und Halbschatten sowie Finsternisse. Das Strahlenmodell ist die Grundlage für Reflexion, Brechung und Linsen.
Lichtquellen und Sehen
Lichtquellen erzeugen selbst Licht, etwa die Sonne, eine Kerze oder eine Lampe. Die meisten Gegenstände leuchten nicht selbst; sie sind beleuchtete Körper und werfen einen Teil des auftreffenden Lichts in alle Richtungen zurück. Einen Gegenstand sieht man nur, wenn Licht von ihm ins Auge gelangt.
Licht breitet sich geradlinig aus
In einem gleichmäßigen, durchsichtigen Stoff wie Luft, Wasser oder Glas und auch im leeren Raum breitet sich Licht geradlinig aus. Man kann das an Sonnenstrahlen im Nebel oder an einem Laserstrahl in staubiger Luft sehen. In der Physik zeichnet man schmale Lichtbündel vereinfacht als Lichtstrahlen: gerade Linien mit Pfeil in Ausbreitungsrichtung. Der Lichtstrahl ist ein Modell, kein Gegenstand.
Licht ist extrem schnell. In Luft und im Vakuum beträgt die Lichtgeschwindigkeit rund:
\( c\approx 300\,000\,\mathrm{\frac{km}{s}} \)
Beispiel 1: Wie alt ist das Sonnenlicht?
Die Sonne ist etwa \(150\) Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Wie lange braucht ihr Licht bis zur Erde?
Gegeben: \(s=150\,000\,000\,\mathrm{km}\), \(c=300\,000\,\mathrm{\frac{km}{s}}\)
Gesucht: Zeit \(t\)
Formel: \(t=\frac{s}{v}\) (wie bei der gleichförmigen Bewegung)
\( t=\dfrac{150\,000\,000\,\mathrm{km}}{300\,000\,\mathrm{\frac{km}{s}}}=500\,\mathrm{s}\approx 8\,\mathrm{min}\;20\,\mathrm{s} \)
Antwort: Das Sonnenlicht ist etwa \(8\) Minuten unterwegs. Wer die Sonne sieht, sieht sie so, wie sie vor gut acht Minuten war.
Beispiel 2: Entfernung eines Gewitters
Nach einem Blitz vergehen \(3\,\mathrm{s}\), bis der Donner zu hören ist. Wie weit ist das Gewitter entfernt? Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt \(343\,\mathrm{\frac{m}{s}}\).
Gegeben: \(t=3\,\mathrm{s}\), \(v_{\mathrm{Schall}}=343\,\mathrm{\frac{m}{s}}\)
Gesucht: Entfernung \(s\)
Formel: \(s=v\cdot t\)
Das Licht des Blitzes braucht für einen Kilometer nur etwa drei Millionstel Sekunden. Deshalb darf man so tun, als käme der Blitz sofort an; die gemessene Zeit ist die Laufzeit des Schalls.
\( s=343\,\mathrm{\frac{m}{s}}\cdot 3\,\mathrm{s}=1029\,\mathrm{m}\approx 1\,\mathrm{km} \)
Antwort: Das Gewitter ist etwa \(1\,\mathrm{km}\) entfernt. Daher die Faustregel: Sekunden zwischen Blitz und Donner geteilt durch drei ergibt ungefähr die Entfernung in Kilometern.
Schatten
Trifft Licht auf einen undurchsichtigen Körper, bleibt dahinter ein Raum, in den kein Licht gelangt: der Schattenraum. Auf einer Wand oder einem Schirm sieht man davon das Schattenbild. Weil sich Licht geradlinig ausbreitet, lässt sich der Schatten mit Randstrahlen konstruieren: Man zeichnet Strahlen von der Lichtquelle an den Rändern des Körpers vorbei bis zum Schirm.
Beispiel 3: Schattengröße konstruieren
Eine kleine Lampe steht \(20\,\mathrm{cm}\) vor einem \(4\,\mathrm{cm}\) hohen Stab, der Schirm steht \(60\,\mathrm{cm}\) von der Lampe entfernt. Wie groß ist das Schattenbild?
Vorgehen: Maßstabsgetreu zeichnen (Kästchen \(\mathrel{\widehat{=}}10\,\mathrm{cm}\) Abstand), Randstrahlen von der Lampe über die Enden des Stabs bis zum Schirm verlängern und das Schattenbild abmessen.
Der Schirm ist dreimal so weit von der Lampe entfernt wie der Stab. Die Randstrahlen laufen dort dreimal so weit auseinander:
\( 4\,\mathrm{cm}\cdot 3=12\,\mathrm{cm} \)
Antwort: Das Schattenbild ist \(12\,\mathrm{cm}\) hoch. Rückt der Stab näher an die Lampe, wird der Schatten größer; rückt er näher an den Schirm, wird er kleiner.
Beispiel 4: Kernschatten und Halbschatten
Ein Gegenstand wird von zwei Lampen beleuchtet. Auf dem Schirm sind ein dunkler Bereich und zwei hellere Schattenbereiche zu sehen. Wie entstehen sie?
In den Kernschatten gelangt Licht von keiner der beiden Lampen. In die Halbschatten gelangt Licht nur von einer Lampe: oben nur von Lampe 1, unten nur von Lampe 2. Außerhalb ist der Schirm von beiden Lampen beleuchtet.
Antwort: Der Kernschatten ist völlig unbeleuchtet und am dunkelsten, die Halbschatten sind teilweise beleuchtet. Ausgedehnte Lichtquellen wie eine Leuchtstoffröhre oder die Sonne erzeugen deshalb Schatten mit weichem Rand.
Beispiel 5: Sonnen- und Mondfinsternis
Wie kommen Sonnen- und Mondfinsternis zustande?
Bei einer Sonnenfinsternis steht der Mond zwischen Sonne und Erde. Sein Schatten fällt auf einen kleinen Teil der Erde; nur dort ist die Sonne verdeckt. Bei einer Mondfinsternis steht die Erde zwischen Sonne und Mond. Der Mond wandert durch den Erdschatten und ist dann von überall auf der Nachtseite der Erde aus verdunkelt zu sehen.
Antwort: Finsternisse sind Schattenerscheinungen. Sie treten nicht jeden Monat auf, weil die Mondbahn etwas gegen die Erdbahn geneigt ist; meist zieht der Mond knapp über oder unter der Linie Sonne–Erde vorbei.
Typische Fehler und Prüfungstipps
- „Das Auge sendet Sehstrahlen aus.“ Falsch: Licht gelangt vom Gegenstand ins Auge, nicht umgekehrt. Pfeile in Zeichnungen zeigen deshalb immer zum Auge hin.
- Mond als Lichtquelle: Der Mond leuchtet nicht selbst, er wird von der Sonne beleuchtet.
- Randstrahlen nicht über die Körperkanten: Bei der Schattenkonstruktion müssen die Strahlen genau an den Rändern des Körpers vorbeilaufen.
- Kern- und Halbschatten vertauscht: Kernschatten = von keiner Lichtquelle beleuchtet, Halbschatten = von einem Teil der Lichtquellen beleuchtet.
- Sonnen- und Mondfinsternis verwechselt: Benannt wird nach dem Himmelskörper, der verdunkelt erscheint.
Üben: Aufgaben zu Licht und Schatten
Zum Vertiefen gibt es Verständnisfragen im Quiz, passend zum Thema.
Vorheriges Thema: Dichte
Nächstes Thema: Reflexion und Spiegelbild
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