Licht und Schatten

Unter Schatten versteht man eine unbeleuchtete bzw. nicht dirket beleuchtete Fläche z.B. an eine Wand sowie den nicht direkt beleuchteten Raum hinter einem Gegenstand.

Sicher weißt Du, dass es auch im Schatten in der Regel nicht komplett dunkel ist. Das liegt daran, dass der Bereich, der nicht direkt von einer Lichtquelle beleuchtet wird, von dem anderen Körpern gestreuten Licht beleuchtet wird.

Versuch:

Eine Wand wird mit einer Glühlampe oder einer Kerze beleuchtet. Zwischen Lichtquelle und Wand wird ein schmaler Gegenstand (z.B. ein Bleistift) gestellt, so dass auf der Wand ein Schatten des Gegenstandes zu sehen ist.

  • Was passiert, wenn der Abstand des Gegenstandes zur Wand verändert wird?
  • Wann ist der Schatten am größten, wann am kleinsten?

Der Versuch wird wiederholt, allerdings stehen nun zwei gleiche Lichtquellen nebeneinander.

  • Was für ein Schattenbild enteht nun?

Der Gegenstand wird durch einen breiteren Gegenstand ersetzt.

  • Beschreibe das Schattenbild, und erkläre, wie es entsteht!

Zeichnerische Konstruktion von Schattenbildern

Die Entstehung der verschiedenen Schatten lässt sich zeichnerisch erklären und vorhersagen. Mit Hilfe des Modells „Lichtstrahl“ zeichnen wir vom Zentrum jeder Lichtquelle diejenigen beiden Lichtstrahlen (mit Hilfe einer dünnen Linie), die gerade noch am Hindernis vorbeigehen (oberhalb und unterhalb) und auf den Schirm treffen. Diese Lichtstrahlen bezeichnet man als Randstrahlen. Dort, wo kein Licht hingelangt, entsteht auf dem Schirm der Schatten.

(Es breiten sich unendlich viele Lichtstrahlen in alle Richtungen aus. Zur Konstruktion der Schattenbilder interessieren uns jedoch nur die Randstrahlen.)

1. Konstruktion des Schattens eines Hindernisses mit einer punktförmigen Lichtquelle:

Schattenbildung eine Lichtquelle

Der Raum hinter dem Hindernis, in den kein Licht gelangt, wird als Schattenraum bezeichnet.

2. Konstruktion des Schattenbildes mit zwei punktförmigen Lichtquellen

Schattenbildung zwei Lichtquellen

In Bereich A gelangt nur Licht von Lampe 1.

In Bereich B gelangt nur Licht von Lampe 2.

Im Kernschatten überlagern sich die beiden Halbschatten.

Verwendet man mehr als zwei Lichtquellen, so entstehen so viele Halbschatten bzw. Teilschatten wie es Lichtquellen gibt. Die einzelnen Schattenbilder überlagern sich. Zur Mitte hin überlagern sich immer mehr der Teilschatten, dadurch wird der Schatten zur Mitte hin immer dunkler.

Verwendet man eine ausgedehnte Lichtquelle (z.B. eine Leuchtstoffröhre), so entsteht kein scharfes Schattenbild. Der Kernschatten geht allmählich in Teilschatten über. Die Ränder erscheinen weich, man spricht von einem Übergangsschatten.

Größe des Schattenbildes

Anhand der Versuche haben wir gesehen, dass die Größe des Schattenbildes von der Entfernung zwischen Lichtquelle und Gegenstand (Hindernis) sowie von der Entfernung zum Schirm abhängt. Außerdem ist das Schattenbild umso größer, je größer der Gegenstand ist.

Wir verwenden folgende Begriffe und Abkürzungen, um die Größen und Entfernungen zu bezeichnen:

Die Größe des Schattenbildes nennt man Bildgröße B.

Die Entfernung zwischen Lichtquelle und Schattenbild nennt man Bildweite b.

Den Abstand zwischen Lichtquelle und Gegenstand nennt man Gegenstandsweite g.

Die Größe des Gegenstandes ist die Gegenstandsgröße G.

Für die Größen werden also jeweils große Buchstaben verwendet, für Entfernungen benutzt man kleine Buchstaben.

Gegenstandweite Bildweite Schatten

Durch die zeichnerische Konstruktion des Schattenbildes (s.o.) kann man bei bekannten Abständen und bekannter Gegenstandsgröße die Größe des Schattenbildes ermitteln.