Lichtausbreitung und Schatten einfach erklärt: So geht's

Hast du schon einmal im Dunkeln mit einer Taschenlampe und deinen Händen einen Schattenhund an die Wand gezaubert?

Das funktioniert nur so gut, weil das Licht ganz bestimmten Regeln folgt. Es fliegt nicht einfach wild im Zickzack durch den Raum, sondern hat eine klare Richtung. In diesem Thema lernst du alles über die Lichtausbreitung und Schatten, wie sich Licht bewegt, warum es verschiedene Arten von Schatten gibt und wie du diese Schatten wie ein echter Physiker zeichnen kannst!

Vorwissen

• Lichtquellen: Gegenstände, die selbst Licht erzeugen. Beispiel: Die Sonne, eine brennende Kerze oder eine eingeschaltete Lampe.
• Lichtempfänger: Dinge, die Licht aufnehmen und darauf reagieren. Beispiel: Unser Auge oder ein Blatt Papier (Schirm), auf das das Licht fällt.

Aufgabentyp 1: Lichtausbreitung und Schatten zeichnen

Licht hat eine ganz besondere Eigenschaft: Es breitet sich immer absolut geradlinig aus. Es kann nicht um die Kurve fliegen oder Hindernissen ausweichen!

Um das in der Physik zu zeichnen, nutzen wir das Lichtstrahlenmodell. Wir zeichnen den Weg des Lichts als gerade Linien mit kleinen Pfeilen. Diese Linien nennen wir Lichtstrahlen. Der Pfeil zeigt an, in welche Richtung das Licht fliegt.

Außerdem ist Licht unglaublich schnell. Es bewegt sich mit der sogenannten Lichtgeschwindigkeit. Das sind $300.000 \text{ km/s}$ (Kilometer pro Sekunde). Das ist so unvorstellbar schnell, dass ein Lichtstrahl in nur einer einzigen Sekunde etwa siebeneinhalb Mal die gesamte Erde umrunden könnte!

Wenn ein undurchsichtiger Gegenstand (wie ein Ball) das Licht blockiert, entsteht direkt hinter dem Gegenstand ein dunkler, dreidimensionaler Bereich in der Luft. Das ist der Schattenraum. Wenn dieser Raum auf eine Wand oder einen Schirm trifft, sehen wir dort einen flachen, zweidimensionalen Schatten.

Wie dieser Schatten aussieht, hängt davon ab, was für eine Lichtquelle wir benutzen:

• Punktförmige Lichtquelle: Eine winzige Lampe erzeugt einen Schatten mit einem ganz scharfen Rand.
• Mehrere Lichtquellen: Wenn zwei Lampen den Gegenstand anstrahlen, entstehen verschiedene Zonen. Der Bereich, der von gar keinem Licht getroffen wird, ist tiefschwarz. Das ist der Kernschatten. Die Bereiche, die nur von einer der beiden Lampen beleuchtet werden, sind etwas heller. Das ist der Halbschatten.
• Ausgedehnte Lichtquelle: Eine große Lichtquelle, wie zum Beispiel die Sonne oder eine lange Leuchtstoffröhre, funktioniert wie viele kleine Lampen nebeneinander. Sie erzeugt einen Übergangsschatten. Der Rand des Schattens ist dabei unscharf und verwaschen.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Um herauszufinden, wo genau ein Schatten entsteht und wie groß er ist, kannst du das Lichtstrahlenmodell nutzen. Du brauchst dafür immer ein Lineal!

1. Randstrahlen anlegen: Lege dein Lineal so an, dass es genau in der Mitte der Lichtquelle beginnt und exakt die äußerste Kante des Gegenstands berührt.
2. Randstrahlen zeichnen: Zeichne eine gerade Linie von der Lichtquelle, am Gegenstand vorbei, bis ganz nach hinten zum Schirm (Wand). Mache das für die obere und die untere Kante des Gegenstands. Vergiss die kleinen Pfeilspitzen nicht!
3. Schatten markieren: Der Bereich auf dem Schirm, der genau zwischen deinen gezeichneten Randstrahlen liegt, bekommt kein Licht ab. Markiere diesen Bereich als Schatten.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Licht breitet sich immer geradlinig aus.
• Im Lichtstrahlenmodell zeichnen wir den Weg des Lichts als gerade Linien mit Pfeilen.
• Die Lichtgeschwindigkeit beträgt $300.000 \text{ km/s}$.
• Eine punktförmige Lichtquelle erzeugt einen scharfen Schatten.
• Mehrere Lichtquellen erzeugen einen tiefschwarzen Kernschatten und hellere Halbschatten.
• Ausgedehnte Lichtquellen (wie die Sonne) erzeugen einen Übergangsschatten mit unscharfen Rändern.