Die Lichtgeschwindigkeit

Wenn wir eine Lampe anstellen, dann sehen wir das Licht unmittelbar. Auch einen Blitz sehen wir praktisch ohne zeitliche Verzögerung, während der Donner erst nach einer Zeit zu hören ist.

Trotzdem legt der Begriff "Lichtausbreitung" nahe, dass auch Licht sich durch den Raum bewegt. Jede Bewegung erfolgt mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit des Lichts ist jedoch so groß, dass wir im Alltag keine Verzögerung feststellen können, und auch die Messung der Lichtgeschwindigkeit ist technisch anspruchsvoller.

Erste Versuche, die Lichtgeschwindigkeit zu bestimmen, gab es bereits im 17. Jahrhundert von Galilei, im Jahre 1849 gelang es jedoch erstmal, die Lichtgeschwindigkeit auf der Erde zu messen.

Moderne Messungen sind wesentlich genauer als zu dieser Zeit. Heute lässt sich die Lichtgeschwindigkeit exakt angeben, und sogar die Längeneinheit Meter ist mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit festgelegt.

Die Lichtgeschwindigkeit

Licht breitet sich in Luft und im Vakuum mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km/s (Kilometer pro Sekunde) aus.

Die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt, bezeichnet man als ein Lichtjahr.

Ein Lichtjahr entspricht einer Entfernung von etwa

60 x 60 x 24 x 365 x 300 000 km = 9 500 000 000 000 km

Die Entfernung, die das Licht in einer Sekunde zurücklegt, entspricht in etwa der Strecke von der Erde bis zum Mond. Das Licht benötigt also vom Mond bis zur Erde etwa eine Sekunde.

Die Entfernung der Sonne beträgt ca. 150 000 000 km. Von der Sonne benötigt das Licht bis zur Erde etwa 8 Minuten.

Lichtausbreitung

Die Lichtgeschwindigkeit ist ungeheuer groß - Licht breitet sich also rasend schnell aus. Doch auf welchem Weg erfolgt die Ausbreitung?

Meistens können wir von dem Weg, den das Licht nimmt, nichts sehen. Doch manchmal lässt sich der Lichtweg erkennen:


Lichtausbreitung Sonnenstrahlen

Licht der Sonne zwischen Bäumen im Wald


Man erkennt: Das Licht breitet sich geradlinig aus.

Die Abstrahlung des Lichts der Sonne erfolgt außerdem in alle Richtungen.

Strahlt eine Lichtquelle in alle Richtungen Licht ab, so erfolgt die Ausbreitung des Lichts auch in alle Richtungen.

Wir können also sagen:

Licht breitet sich geradlinig und nach allen Seiten hin aus.

Dass wir die Ausbreitung von Licht meist nicht sehen können, hat einen einfachen Grund:

Licht ist für uns nur sichtbar, wenn es in unsere Augen trifft. Breitet sich Licht in eine andere Richtung aus, so können wir es nur sehen, wenn es auf einen Gegenstand oder auf kleine Partikel (Staub, Wassertröpfchen etc.) trifft und von dort aus reflektiert wird.

Auf dem oberen Bild können wir die Ausbreitung des Lichts erkennen, weil das Licht auf Staub und Nebel trifft.

Die geradlinie Ausbreitung von Licht hat zu den Modellen "Lichtstrahlen" und "Lichtbündel" geführt.

Lichtbündel und Lichtstrahlen

Sicher hast Du schon den Begriff "Lichtstrahl" gehört oder sogar schon selbst verwendet.

Doch was ist ein Lichtstrahl? Und wie schmal ist ein Lichtstrahl?

Platziert man eine Lichtquelle, z.B. eine Lampe, in einem schwarzen Kasten mit einer Öffnung, so tritt aus der Öffnung das Licht aus. Je nachdem, wie groß diese Öffnung ist, tritt ein mehr oder weniger breites Lichtbündel (dieses hat die Form eines Kegels - man spricht daher auch von einem Lichtkegel) heraus:

Lichtbündel - Lichtstrahl

Der Einfachheit halber wird der Ausgangspunkt des Lichts auf einen einzigen Punkt beschränkt (die Glühdrähte in Glühlampen sind meist so klein, dass wir sie als punktförmige Lichtquellen ansehen können).

Stellt man in einiger Entfernung eine kleine Lochblende auf, so gelangt wiederum nur ein kleiner Teil des Lichts hindurch. Es entsteht ein schmaleres Lichtbündel. Doch wie man in der Abbildung sieht, werden die Lichtbündel in Ausbreitungsrichtung mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle immer breiter. Um ein noch schmaleres Lichtbündel zu erhalten, könnte man noch eine weitere Blende hinter die Lochblende stellen oder die Lochblende schmaler machen.

Doch ganz egal, wie viele Blenden man verwendet oder wie schmal diese sind - immer würde ein schmales Lichtbündel übrig bleiben.

Für einen einzelnen Lichtstrahl müsste man die Blende praktisch unendlich klein machen. Doch dann würde kein Licht mehr hindurch kommen.

Lichtstrahlen existieren demnach nur in unserer Vorstellung. Einen einzelnen Lichtstrahl können wir jedoch nicht erzeugen.

Trotzdem dient die Vorstellung von Lichtstrahlen unserem Verständnis. Wir können nämlich die äußeren Randstrahlen dazu verwenden, die Begrenzung von Lichtbündeln zu zeichnen. Lichtstrahlen werden in Zeichnungen als dünne Linien dargestellt.

Bei Lichtstrahlen handelt es sich um eine Modellvorstellung

Wie wir gerade beschrieben haben, existieren Lichtstrahlen nur in unserer Vorstellung. Etwas, das wir uns vorstellen, um die Wirklichkeit beschreiben zu können, nennt man Modell oder Modellvorstellung. Das Modell des Lichtstrahls entspricht zwar nicht exakt der Wirklichkeit, dient aber dazu, die Wirklichkeit und auftretende Phänomene besser verstehen und beschreiben zu können.

Modellvorstellungen haben den Vorteil, dass sie die Wirklichkeit vereinfachen, mit ihnen lassen sich jedoch nicht alle Phänomene beschreiben. Doch wie wir sehen werden, reicht das Modell "Lichtstrahl" aus, um alle Phänomene, die wir in Jahrgang 7 kennenlernen werden, beschreiben und verstehen zu können.

Streuung von Licht - wir sehen Körper

Wie wir schon im ersten Abschnitt formuliert haben, ist Licht selbst nicht sichtbar, und wir können Gegenstände nur sehen, wenn Licht von ihnen in unsere Augen gelangt.

Möchte man die Lichtbündel im Versuch mit der Lochblende (s.o.) sichtbar machen, so muss man z.B. Kreidestaub oder kleine Wassertröpfchen (mit einer Sprühflasche) in den Lichtweg bringen. Das Licht wird so an den kleinen Staub- oder Wasserpartikeln reflektiert (zurückgeworfen) und gelangt so in unsere Augen.

Wenn die Reflektion in alle Richtungen erfolgt, so ist der beleuchtete Gegenstand von überall aus zu sehen. Man sagt, das Licht wird gestreut.

Streuung von Licht

Streuung von Licht

Wir sehen nur das Licht, das von Körpern gestreut wird

Körper mit rauhen Oberflächen reflektieren das Licht in alle möglichen Richtungen.

Das nennt man Streuung.

Körper mit sehr glatten Oberflächen (Spiegel) reflektieren das Licht nur in eine Richtung.

Das Licht, das auf einen Körper trifft, wird meist nicht vollständig reflektiert. Ein Teil des Lichts wird vom Körper "verschluckt" (absorbiert).

Je mehr Licht von einem Körper absorbiert wird, umso dunkler erscheint er. Weiße Gegenstände reflektieren also einen Großteil des Lichts, während schwarze Gegenstände den größten Teil des Lichts absorbieren.