Optik (1)

Infotext - Licht

Bis weit in die Neuzeit hinein war weitgehend unklar, was Licht tatsächlich ist. Man glaubte teilweise, dass die Helligkeit den Raum ohne Zeitverzögerung ausfüllt. Pythagoras von Samos (570 v. Chr. auf - 510 v. Chr.) war ein antiker griechischer Philosoph und Mathematiker. Er war der Auffassung, dass „heiße Sehstrahlen“ von den Augen ausgehen und von anderen Objekten zurückgedrängt werden. Würde dies stimmen, müsste der Mensch auch im Dunklen sehen können. Die Wahrnehmungstheorie von Euklid (365–300 v. Chr.) setzte sich mit Problemen der Raumwahrnehmung (z. B. Perspektive und Größenkonstanz) auseinander. Die Sehlinien gehen nach dieser Theorie vom Auge aus und bestimmen die Wahrnehmung. Es gab jedoch auch schon seit der Antike Vorstellungen, nach denen das Licht von der Lichtquelle mit endlicher Geschwindigkeit ausgesendet wird. In der Strahlenoptik (auch geometrische Optik) wird die Ausbreitung des Lichts durch gerade „Strahlen“ veranschaulicht.

Lichtquellen

Prinzipiell unterscheidet man zwischen thermischen und nicht-thermischen Strahlern. Erstere beziehen die Energie aus der thermischen Bewegung (Wärme) ihrer Teilchen. Beispiele sind Kerzenflammen, glühende Körper (Glühdraht einer Glühlampe) und die Sonne. Im Gegensatz dazu gibt es nicht-thermische Lichtquellen, sie senden Licht aus ohne dabei heiß zu werden. Beispiele sind Leuchtdioden, Leuchtstoffröhren („Neonröhren“), Polarlichter oder Leuchtkäfer.

Lichtempfänger

Der intakte Sehsinn ist der einfachste Nachweis. Dementsprechend spielt das Auge eine wichtige Rolle bei der direkten Beobachtung von Vorgängen, an denen Licht beteiligt ist. Der fotografische Film spielt bei der Erforschung der Natur des Lichtes ebenfalls eine große Rolle: Man kann durch lange Belichtung geringste Lichtintensitäten von fernen Sternen und deren Spektren dokumentieren. Fotografische Schichten können für verschiedene Farben sensibilisiert werden. Inzwischen wird der fotografische Film jedoch mehr und mehr durch Bildsensoren verdrängt.

Sehen

Visuelle Wahrnehmung (von lateinisch videre: sehen) bezeichnet die Aufnahme und Verarbeitung optischer Reize, bei der über Auge und Gehirn eine Extraktion relevanter Informationen, Erkennung von Elementen und deren Interpretation durch Abgleich mit Erinnerungen stattfindet. Somit geht die visuelle Wahrnehmung weit über das reine Aufnehmen von Information hinaus! 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Licht und optische Wahrnehmung | alpha Lernen erklärt Physik

2) → Lichtquellen I Lichtausbreitung I Optik I musstewissen Physik

3) → Selbst leuchtende Körper und beleuchtete Körper | Physik - Optik | Lehrerschmidt

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Infotext - Optik (03) - Optische Täuschungen

Eine optische Täuschung oder auch visuelle Illusion ist eine Wahrnehmungstäuschung des Sehsinns. Optische Täuschungen können nahezu alle Aspekte des Sehens betreffen. Es gibt Tiefenillusionen, Farbillusionen, geometrische Illusionen, Bewegungsillusionen und einige mehr. 
Optische Täuschungen werden in der Wahrnehmungspsychologie untersucht, da aus ihnen Rückschlüsse über die Verarbeitung von Sinnesreizen im Gehirn gewonnen werden können. Optische Täuschungen beruhen auf der Tatsache, dass Wahrnehmung auf unvollständiger Information beruht. Der Vergleich mit erlerntem Wissen und Erfahrungen führt zu falschen oder „voreiligen“ Bewertungen zu den betrachteten Bildern, Gegenständen, Farben, etc.. Durch Zuhilfenahme von zusätzlichen Objekten kann die optische Täuschung aufgedeckt werden. Dies führt poft zu verblüfften Reaktionen.

Wahrnehmungsprozess

Durch das eindringende Licht wird in unserem Auge auf der Netzhaut Bild erzeugt. Die Lichtreize werden von den Sinneszellen der Netzhaut registriert. Die Raumwahrnehmung stützt sich dabei auf mehrere Verfahren, um aus dem zweidimensionalen Bild auf der Netzhaut eine Repräsentation der dreidimensionalen Welt zu erstellen. Durch das stereoskopische Sehen (d.h. mit zwei Augen) können Rauminformationen aus den leichten Unterschieden zwischen den vom Augenpaar aufgenommenen Bildern konstruiert werden. Bewegt sich der Betrachter relativ zu Gegenständen im Raum, so bewegen sich die Abbilder auf der Netzhaut umso langsamer, je weiter der Gegenstand vom Betrachter entfernt ist. 
Bevor Objekte erkannt und interpretiert werden können, muss erst aus den Informationen extrahiert werden, wo sich Objekte befinden und was eigentlich zu einem Objekt gehört. Dann können sie mit Erinnerungen abgeglichen werden. Die Interpretation im Gehirn und der ständige Vergleich mit Erfahrungswerten ist für unsere Wahrnehmung mit dem Auge von entscheidender Bedeutung. Dabei wird sehr oft auch das gesehene Bild in unserer Wahrnehmung überinterpretiert. Der tatsächliche Informationsgehalt, der vom Auge ans Gehirn weitergeleitet wird, ist oft nicht so detailliert und aussagekräftig wie man selbst glaubt.

Mögliche Erklärungen für optische Täuschungen

Ein möglicher Lösungsansatz für „optische Täuschungen“ ist die Theorie des Amerikaners Mark Changizi. Dieser spricht von einem „Blick in die Zukunft“, die das Gehirn jede Sekunde vornimmt. Die visuellen Informationen der Außenwelt gelangen über die Netzhaut ins Gehirn. Jedoch ist nur in einem kleinen Teil der Netzhaut scharfes Sehen möglich. Beim Betrachten einer Situation führt das Auge gezielte Bewegungen aus. Die unscharfen Bilder während der Augenbewegung werden vom Gehirn unbewusst ausgeblendet. Bereits auf dieser Ebene findet eine essentielle Vorverarbeitung der Signale aufgrund biologischer Parameter und Vorerfahrungen statt. Im Wesentlichen erschafft das Gehirn also die visuelle Repräsentation des Gesehenen aus relativ schwachen Signalen selbst. Dieser Mechanismus ist störanfällig, was die optischen Täuschungen verdeutlichen. Das Hirn wertet die Informationen dann weiter aus und errechnet die erwartete Veränderung für die Zukunft.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Zusätzliche Videos:

1) → Quarks & Co. Optische Täuschungen

2) → Optische Täuschungen die dir den Kopf zerbrechen

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Aufgaben:

1. Auf der Folie hast du Beispiele für künstliche und natürliche Lichtquellen gesehen. Nenne jeweils fünf weitere (!) Beispiele für die beiden Gruppen.
2. "Feuer" lässt sich der Gruppe der natürlichen Lichtquellen zuordnen, es kann aber auch den künstlichen Lichtquellen zugeordnet werden. Wie ist es möglich, dass es zu beiden Gruppen gehört? Erläutere!
3. Du kannst Lichtquellen weiterhin in die Gruppen "selbstleuchtend" und "beleuchtet" einteilen. Den Unterschied kannst du gut erkennen, wenn du sie in einen dunklen Raum mitnimmst. Was stellt man dann fest? Beschreibe den Unterschied und nenne zu jeder Gruppe 5 Beispiele (Du hast auf der ersten Folie auch Beispiele gesehen). 
4. Die Abbildung zeigt dir einen Raumfahrer:
   a) Warum können wir ihn sehen? Was ist dafür notwendig?
   b) Du siehst auch die Erde unter dem Raumfahrer. Aber im Hintergrund ist der Weltraum völlig schwarz. Was ist der Grund dafür?
5. Auf Folie (02) ist das Bild eines Buches mit einer Leselampe dargestellt. Was sollen die Pfeile bedeuten? Was will man damit zum Ausdruck bringen? Die Pfeile haben verschiedene Richtungen, erkläre das auch bei deiner Antwort.
6. Auf der Folie steht der Satz "Sehen bedeutet aber auch: Informationsverarbeitung im Gehirn". Schau dir dazu die Bilder und Videos zu den optischen an. Dann weißt du sicher was damit gemeint ist. Beschreibe deine Beobachtungen an drei Beispielen von optischen Täuschungen und erkläre was da im Gehirn passiert und der Grund dafür.

Infotext - Lichtausbreitung: Lichtbündel

1. Divergierende Strahlenbündel: Strahlen, die von einem Punkt ausgehen.
2. Konvergierende Strahlenbündel: Strahlen, die in einem Punkt zusammenlaufen. 
3. Parallele Strahlenbündel: alle Strahlen verlaufen dabei parallel zueinander. 

Die Randstrahlen des Lichtbündels grenzen das Lichtbündel jeweils ein. Der Richtungsstrahl beschreibt die zentrale Richtung des gesamten Lichtbündels (siehe Abbildungen auf der Folie).

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Modell Lichtstrahl und Lichtbündel | Optik - Physik | Lehrerschmidt

2) → Lichtausbreitung

3) → Der Schatten: Definition, Entstehung und Form – Physik | Duden Learnattack

4) → Licht = Strahl ?!

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Aufgaben:

Schau dir die Abbildungen in der Bildergalerie Optik 1 an.

1. In Abbildung 1 siehst du eine Taschenlampe. 
   a) Beschreibe das Bild und verwende dabei Fachbegriffe.
   ​b) Die Glühbirne in der Taschenlampe sendet Licht ja eigentlich nach allen Seiten aus (vgl. Abb. 2). Wie entsteht die  beleuchtete Struktur an der Wand in Abbildung 1 und warum ist nicht die ganze Wand beleuchtet? Mach dazu eine Skizze in  dein Heft.
2. Schau dir die Lampe in Abbildung 3 an. Beschreibe die Abbildung und erläutere, weshalb wir das dargestellte "Muster" an der Wand sehen.
3. In Abbildung 4 siehst du Scheinwerfer. Eigentlich können wir Lichtstrahlen und Lichtbündel doch gar nicht sehen. Hier kannst du aber den Verlauf der Lichtbündel gut erkennen. Was ist der Grund dafür? (Hinweis: Im Herbst ist auch das Licht der Scheinwerfer von Autos auf ähnliche Weise sichtbar.)
4. Um welche Art von Lichtbündel handelt es sich in Abbildung 5? Erläutere, wie das Lichtbündel entsteht.
5. In Abbildung 6 siehst du unsere Sternwarte, hier finden gerade Himmelsbeobachtungen statt. Um welche Art von Lichtbündel handelt es sich in dieser Abbildung? Erläutere, wie das Lichtbündel entsteht und wofür man es hier verwendet.
6. In Abbildung 7 siehst du wie Sonnenlicht auf eine Lupe trifft. Was kannst du über den Verlauf der Sonnenstrahlen VOR und NACH dem Durchgang durch die Lupe sagen? Beschreibe die jeweiligen Lichtbündel, verwende Fachbegriffe.

Videos:

1) → Die Entdeckung der Lichtgeschwindigkeit - Schnellgedacht

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Aufgaben:

1. Wie weit ist die Entfernung von Erde und Sonne?
2. Welche Entfernung hat der Jupiter von der Sonne?
3. Informiere dich über den Planeten Jupiter. Du kannst dir dafür zur fünften Station unseres Planetenwegs in der Schule gehen (Hinweis: Der Planetenweg ist auch online verfügbar: Planetenweg KL [Link]). Beantworte die Fragen: 
   a) Wie lange dauert eine Umrundung von Jupiter um die Sonne?  
   b) Welchen Durchmesser hat der Jupiter? 
   c) Welchen Durchmesser hat die Erde? 
   d) Jupiter hat über 60 Monde! Nenne fünf weitere Monde von Jupiter.
4. Die Entfernung von Jupiter und Erde ich nicht immer gleich. 
   a) Was ist die größte Entfernung zwischen diesen beiden Planteten?
   b) Was ist die kleinste Entfernung zwischen diesen beiden Planteten?
   c) Welche Zeitspanne liegt (ungefähr) zwischen dem größten und dem kleinsten Abstand zu Jupiter?
5. Wie lange benötigt der Mond Io für eine Umrundung um den Jupiter?
6. Warum hatte Roemer seine Beobachtungen über den Zeitraum von mindestens etwa einem ganzen Jahr machen müssen?
7. Jupiter hat über 60 Monde. Ein weiterer Mond heißt "Europa" (Wie unser Kontinent). Hätte man die Lichtgeschwindigkeit auch durch seine Beobachtung bestimmen können? Begründe deine Überlegungen.

Infotext - Licht und Schatten: Schattenbild, Schattenraum, Schlagschatten

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Video:

1) → Schatten - Schattenraum - Schattenbild | Physik - Optik | Lehrerschmidt

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1. Johann Wolfgang von Goethe war ein berühmter deutscher Dichter. Er war aber auch Naturforscher und hat einmal gesagt: "Wo Licht ist, da ist auch Schatten".

   a) Was hat er damit gemeint? Welche Bedeutung hat das Zitat für uns in der Physik? Erläutere kurz.

   b) Es ist aber auch im "übertragenen Sinne" gemeint. Was will man damit ausdrücken? Erläutere kurz die Bedeutung dieses Zitats. 

2. Um einen Schatten zu sehen sind verschiedene Voraussetzungen nötig. Welche sind das?
3. Wir können unsere Umwelt sehen, auch wenn die Sonne hinter den Wolken nicht sichtbar ist. Es muss also genügend Licht vorhanden sein. Aber wie sieht der Schatten dann aus? Vergleiche ihn mit deinem Schatten an einem sonnigen Tag. Beschreibe und erläutere.
4. Der Begriff "Schatten" ist aus der Sicht der Physik nicht genau genug. Wir unterscheiden zwischen Schattenraum und Schattenbild. Was ist der Unterschied? Erläutere an einem Beispiel.
5. Auf den Abbildungen 9a, 9b, 9c (siehe Bildergalerie Optik 1) ist ein zylindrischer Gegenstand abgebildet. Sein Schatten sieht jeweils sehr unterschiedlich aus. Wie kommt das jeweilige Schattenbild zustande? Erläutere!
6. Auch im Weltall ist der Schatten wichtig. Kannst du den Wechsel von Tag und Nacht erklären? 

Infotext - Kernschatten, Halbschatten, Übergangsschatten

Je nach Anzahl, Ausdehnung, und Art der Lichtquellen unterscheidet man mehrere Arten von Schatten.  

Kernschatten

Da reale Lichtquellen nicht punktförmig sind, sondern eine gewisse räumliche Ausdehnung haben, sind die Umrisse eines Schattens nicht scharf begrenzt. Der Grund dafür ist, dass am Rand des Schattens Teile der Lichtquelle zwar verdeckt, andere Bereiche der Lichtquelle jedoch noch sichtbar sind. Ist die Lichtquelle klein genug (keiner als der Gegenstand) oder ausreichend weit entfernt, so gibt es im Inneren des Schattens jedoch einen Bereich, in dem die Lichtquelle vollständig verdeckt ist. Dieser Bereich ist der Kernschatten. Seine Projektionslinien laufen, wenn die Lichtquelle größer ist als der schattenwerfende Körper, konisch zusammen. Daher reicht der Kernschatten dann nur in eine gewisse Entfernung hinter dem schattenwerfenden Körper. Der Kernschatten ist der Raum hinter einem beleuchteten Objekt, der von keiner Lichtquelle beleuchtet wird.

Halbschatten

Der Halbschatten ist der Raum hinter einem beleuchteten Objekt, der nicht von allen Lichtquellen der Umgebung beleuchtet wird. Eine einzige Punktlichtquelle kann hinter einem schattenwerfen-den Gegenstand daher keinen Halbschatten hervorrufen. Erst die Existenz mindestens einer zwei-ten Punktquelle kann einen Kernschatten und darum herum maximal so viele Halbschattenflächen erzeugen, wie Lichtquellen vorhanden sind.

Übergangsschatten

Wird eine ausgedehnte Lichtquellen, etwa ein mattierter Leuchtkörper, zur Ausleuchtung eines Raums verwendet, so lässt sich im Schatten eines Körpers an der Wand ein nahezu schwarzer Schattenbereich (Kernschatten) und darum herum ein Übergangsschatten erkennen. Würde man vom Bereich des Kernschattens aus in Richtung Lichtquelle schauen, so wäre sie vollständig durch den Gegenstand verdeckt. Aus dem Übergangsschatten heraus ist die Lichtquelle dagegen nur teilweise bedeckt. Der dunkle Bereich des Kernschattens ist dabei umso ausgedehnter und auch schärfer begrenzt, je näher der Gegenstand an der Wand ist. Mit zunehmendem Abstand des Ge-genstandes von der Wand verschwindet der Kernschatten und es bleiben nur Übergangsschatten übrig.

Diffuse Beleuchtung

Je diffuser (d.h. unregelmäßig zerstreut, ohne einheitliche Richtung) die Beleuchtung durch die Umgebung (z.B. bei Nebel), desto „weicher“ der Schatten. Deshalb gibt es bei diffus-wolkigem Wetter auch kaum einen Schlagschatten. Umgekehrt ist aber bei diffuser Atmosphäre (Feuchtig-keit, Staub) das Volumen des Schattensraums selbst erkennbar, weil in der Umgebung Lichtanteile an keinen Staubteilchen oder Nebeltröpfchen herausgestreut werden, der Schattenraum wird dabei von sichtbaren Lichtbündeln eingegrenzt.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Licht und Schatten I Optik I musstewissen Physik

2) → Der Schatten: Definition, Entstehung und Form – Physik | Duden Learnattack

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Schau dir das Video Physik / Optik: Kern- und Halbschatten [6:00] an. Zeichne dann die Abbildungen in dein Heft. Achte genau auf die Abstände, verwende die Hilfslinien (karierte Linien). Konstruiere dann jeweils den Schattenraum und bestimme die Schattenbereiche auf dem Schirm. Bestimme jeweils die Bereiche des Halbschattens und des Kernschattens. Beachte: Je nach Position der einzelnen Bestandteile des Versuchs kann es sein, dass kein Kernschatten entsteht.

Infotext - Sonnen- und Mondfinsternis

Aus Keilschriften geht hervor, dass schon den Babyloniern ab etwa 800 v. Chr. schon Finsterniszyklen bekannt waren, d.h. feste zeitlich Abstände zwischen Finsternissen erkannt wurden. Motiviert waren diese erstaunlichen Forschungen unter anderem dadurch, dass Sonnenfinsternisse in der Antike und bis in die frühe Neuzeit als Unheil bringende Zeichen göttlicher Mächte galten.

Sonnenfinsternis

Eine irdische Sonnenfinsternis („Sofi“) oder Eklipse (altgriechisch für „Überlagerung“, Verdeckung) ist ein astronomisches Ereignis, bei dem die Sonne von der Erde aus gesehen durch den Mond teilweise oder ganz verdeckt wird. Sonne, Mond und Erde befinden sich dabei hinreichend genau auf einer gedachten Linie. Der Schatten des Mondes bewegt sich dann für einen kurzen Zeitraum (Dauer: wenige Stunden) über die Erdoberfläche.
Sonne und Mond erscheinen einem Beobachter auf der Erde mit annähernd dem gleichen scheinbaren Durchmesser. Das liegt daran, dass er Mond zwar deutlich kleiner ist als die Sonne, dafür aber deutlich näher an der Erde, also bei uns als Beobachter, positioniert ist. Der Mond kann deshalb die Sonne manchmal, von geeigneten Beobachtungspositionen (im Kernschatten des Mondes) aus betrachtet, vollständig abdecken. Das bezeichnet man als „totale Sonnenfinsternis“. Die dabei auf die Erde fallende Spur des Kernschattens des Mondes ist höchstens einige hundert Kilometer breit. Der Halbschatten des Mondes ist wegen der flächigen Lichtquelle Sonne ein Übergangsschatten mit fließendem Helligkeitsübergang und misst mehrere tausend Kilometer im Durchmesser. Ein Beobachter im Bereich dieses Übergangsschattens kann dann nur eine sogenannte „partielle Sonnenfinsternis“ (teilweise Sonnenfinsternis) beobachten. Dabei wird die Sonne von dort aus gesehen nicht vollständig vom Mond abgedeckt.

 
Die Mondbahn ist gegen die Ekliptikebene (Ebene, in der die Planeten die Sonne umkreisen) um etwa 5° geneigt. Deshalb kommt es nicht jedes Mal bei Neumond zu einer Sonnenfinsternis. Das geschieht nur dann, wenn der Mond sich dann auch nahe einem der zwei Schnittpunkte von Mondbahn und Ekliptikebene befindet.

Mondfinsternis

Während einer Mondfinsternis durchquert der Mond den Schattenraum, den die von der Sonne beleuchtete Erde in den Weltraum wirft. Dies kann auch nur eintreten, wenn Sonne, Erde und Mond hinreichend genau auf einer Linie liegen. Von der Erde aus gesehen stehen sich Sonne und Mond dann gegenüber. Es ist Vollmond, und von der Erde aus ist die Mondfinsternis überall dort zu sehen, wo der Mond zurzeit über dem Horizont steht bzw. wo Nacht ist.
Deutlich wahrzunehmen ist dieses Ereignis, wenn der Mond nicht nur durch den ringförmigen Halbschatten der Erde läuft, sondern ganz oder teilweise auch durch den kreisförmigen inneren Kernschatten. Umgangssprachlich ist mit Mondfinsternis i. d. R. eine Kernschattenfinsternis gemeint. Halbschattefinsternisse sind wenig auffällig und werden nur in der Astronomie mitgezählt. In beiden Fällen wird zwischen totalen und partiellen Finsternissen unterschieden, je nachdem, ob der Mond ganz oder nur teilweise in den jeweiligen Schatten eintaucht.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Wie entsteht eine Sonnenfinsternis?

2) → Mondfinsternis - Wie kommt es dazu? - Faszination Wissen

3) → Naturschauspiel: Die längste Mondfinsternis des Jahrhunderts | SWR

4) → Blutmond über Deutschland - So schön war die Mondfinsternis am 28.09.2015

5) → Totale Mondfinsternis: Video-Animation erklärt den Blutmond

6) → Mondfinsternis und Blutmond | tolle Aufnahmen vom 27.07.2018 | Lehrerschmidt

7) → Sonnenfinsternis 2015 | Harald Lesch & Josef M. Gaßner

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Aufgaben:

1. Wie oft kommt es auf der Erde zu einer Sonnenfinsternis („Sofi“)?
2. Warum sehen wir nur so selten eine Sonnenfinsternis in Kaiserslautern, dafür aber öfters eine Mondfinsternis? 
3. Was ist der Unterschied zwischen einer "totalen Sonnenfinsternis" und einer "partiellen Sonnenfinsternis"? (Hinweis: (Verwende in deiner Antwort die gelernten Begriffe Kern- und Halbschatten)
4. Wann war die letzte totale Sofi in KL sichtbar? 
5. Wann wird die nächste Sonnenfinsternis / Mondfinsternis („Mofi“) stattfinden und ist sie in Kaiserslautern sichtbar? (Hinweis: Du hast auf der Themenseite dazu ein eingebundenes Skript das dir dabei helfen kann das herauszufinden.)
6. Was ist bei einer Sofi zu beachten?
7. Sind bei einer Mofi auch Schutzmaßnahmen erforderlich?
8. Wie oft kommt es im Jahr zu einer Mondfinsternis?
9. Was versteht man unter einem "Blutmond"?
10. Erkläre die Begriffe "Penumbra" und "Umbra". Fertige dazu eine Skizze an.

Infotext - Der Mond und seine Gestalt: Mondphasen

Der Mond ist eine beleuchtete Lichtquelle, er streut das Licht der selbstleuchtenden Lichtquelle Sonne. Als Mondphasen bezeichnet man die wechselnden Lichtgestalten des Mondes. Der Grund für die Mondphasen ist NICHT der Schatten der Erde!! Sie entstehen durch die perspektivische Lageänderung seiner Tag-Nacht-Grenze relativ zur Erde während seines Erdumlaufes. Gebräuchlich ist die Einteilung in vier Viertel von je ungefähr einer Woche Länge. Ein gesamter Mondphasenzyklus von einem Neumond zum folgenden Neumond dauert im Mittel etwa 29,53 Tage. Diese Zeitspanne entspricht annähernd der Länge eines kalendarischen Monats. Tatsächlich sind sowohl die Bezeichnung Monat als auch die Länge der kalendarischen Monate von der Umlaufzeit des Mondes abgeleitet. Man unterscheidet landläufig Neumond, zunehmenden Mond, Vollmond und abnehmenden Mond. Beim Durchlaufen des Mondphasenzyklus ab Neumond nimmt die Phase, als der Anteil der von der Sonne beleuchteten und gleichzeitig von der Erde aus sichtbaren Mondoberfläche, zunächst zu und anschließend wieder ab.

Sichtbarkeit

Bei Halbmond ist die Hälfte (50 %) der sonnenbeschienenen Mondoberfläche sichtbar. Astronomen beziehen sich auf Teilungen des vollen Zyklus des Mondes, wenn sie die zunehmende Halbphase Erstes Viertel, die abnehmende dementsprechend Letztes Viertel nennen. Der zunehmende Mond ist während des ersten Zyklusviertels am Abendhimmel bzw. in der ersten Nachthälfte zu sehen, der abnehmende während des letzten Viertels in der zweiten Nachthälfte bzw. am Morgenhimmel.
Der von der Sonne beschienene Anteil der Mondoberfläche erscheint hell. Nicht von der Sonne beschienene Anteile der Oberfläche auf der erdzugewandten Seite des Mondes bleiben aber auch sehr schwach sichtbar. Der Grund dafür ist, dass die Tagseite der Erde Sonnenlicht ins All reflektiert. Dieses Licht erreicht auch den Mond, es wird von dort als sogenanntes aschgraues Mondlicht teilweise wieder zurückgeworfen. Daher ist für einen Beobachter auf der Erde oft nicht nur die beispielsweise sichelförmige Lichtgestalt der Mondphase zu sehen, sondern daneben, aber sehr viel schwächer, auch die restliche erdzugewandte Oberfläche. Diese ist auch bei Mondfinsternissen noch sichtbar, deshalb verdunkelt sich der Mond dann auch noch völlig und bleibt während der ganzen Finsternis sichtbar. Für diese Beobachtung ist ein Ort mit wenig Lichtverschmutzung gut geeignet, dies ist in Städten leider nicht der Fall. 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Die Mondphasen erklärt | Lightsaviors

2) → Wieso gibt es Mondphasen?

3) → Der Mond - Mythen & Fakten | Harald Lesch

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Aufgaben:

1. Skizziere die Stellung der Himmelskörper Sonne, Mond und Erde bei Vollmond, Halbmond und Neumond.
2. Wie lange benötigt der Mond für eine Umkreisung der Erde?
3. Der Mond wird von der Sonne beleuchtet. Wie viel Prozent seiner Oberfläche ist beleuchtet?
4. Der Mensch war bereits auf dem Mond gelandet. Wann war der erste Mensch auf dem Mond und wie war sein Name?
5. Welchen Satz sprach der erste Astronaut beim Betreten der Mondoberfläche?
6. Wir sehen immer die gleiche Seite des Mondes. Die Rückseite können wir von der Erde aus nie sehen. Wieso eigentlich? Erläutere.
7. Der Mond entfernt sich langsam von der Erde. Welche Entfernung hat er von der Erde heute und um welchen Betrag ändert sich dieser Abstand pro Jahr?

Infotext - Optik (10) - Reflexion von Licht: Reflexionsgesetz

Jeder kennt aus dem Alltag spiegelnde Oberflächen. Licht kommt dabei nicht direkt von einer Lichtquelle, es erscheint uns aber so. Das Licht einer Lichtquelle trifft zunächst auf eine spiegelnde Oberfläche und erst dann in unser Auge. Aufgrund der häufigen Situationen im Alltag ist uns auch die Funktionsweise unbewusst bereits klar. Mit Hilfe eines Spiegels können wir ohne Probleme Licht gezielt umlenken. Diesen Vorgang beschreibt das Reflexionsgesetzt.

Reflexion (lateinisch reflexio ‚Zurückbeugung‘) bezeichnet in der Physik das Zurückwerfen von Licht an glatten Oberflächen (gerichtete Reflexion). Das Licht wird dort „regelmäßig“ reflektiert. An rauen Oberflächen wird das Licht hingegen nach allen Seiten reflektiert, man spricht dann von diffuser Reflexion.
Bei glatten Oberflächen gilt das Reflexionsgesetz. Wir wollen uns in diesem Kapitel auf glatte Oberflächen beschränken, es liegt dann der Fall der gerichteten Reflexion vor. Das Reflexionsgesetz besagt, dass der Einfallswinkel genau so groß wie der Ausfallswinkel (auch Reflexionswinkel) ist: α = β . Weiterhin befinden sich beide Winkel, also auch beide Strahlen, mit dem Lot in einer Ebene. Diese Ebene heißt Brechungsebene. Das „Lot“ ist eine gedachte Hilfslinie zur Bestimmung des Einfalls- und Reflexionsstrahls. Es steht senkrecht auf der spiegelnden Fläche genau an der Stelle, an der der Einfallsstrahl auf den Spiegel trifft (siehe Abbildung auf der Folie).

Anwendungen

Ein wesentlicher Anwendungsbereich der Reflexion von Lichtstrahlen ist deren gezielte Führung. Ausgenutzt wird das u. a. beim Spiegel, der zum Beispiel das von einer Person gestreute Licht gerichtet zurückwirft, sodass die Person sich selbst sehen kann. Technisch wird die Reflexion an ebenen Spiegeln zur Strahlumlenkung angewendet, beispielsweise in Periskop in einem U-Boot oder beim Klappspiegel von Spiegelreflexkameras.
Die Art und Weise, wie ein Körper aufgrund von Material, Form und Oberflächenbeschaffenheit Licht reflektiert, wird auch in vielen gestalterischen Bereichen wie dem Produktdesign oder der Architektur eingesetzt. So werden beispielsweise Oberflächen poliert, um einen glänzenden, spiegelnden Eindruck zu erzeugen, oder aufgeraut/geschliffen, um diffus zu reflektieren. Ähnliche Wirkung kann auch mit der Verwendung unterschiedlicher Lacke (z. B. glänzend, seidenmatt, matt) erzeugt werden.
Die Art der Reflexion kann Einfluss auf technische Parameter haben, so wird bei matten Bildschirmen der störende Einfluss von Streulichtreflexionen mithilfe der diffusen Reflexion an einer rauen Oberfläche reduziert. Die raue Oberfläche vermindert im Vergleich zu spiegelnden Displays jedoch auch den Schwarzeindruck und die Farbbrillanz des durch die Schutzscheibe hindurchdringenden Lichts.
Reflexion spielt aber nicht nur in der Optik eine wichtige Rolle. In der Akustik ist beispielsweise die Schallreflexion gemeint, also der Rückwurf von Schall. Ebene, nicht absorbierende Oberflächen reflektieren gut die Schallwellen. Je nach Anordnung und Anzahl der reflektierenden Flächen und Art der Beschallung ergibt sich ein unterschiedlicher Höreindruck. Beispiele sind hierbei das Echo (Felswand in größerem Abstand) oder der sogenannte Nachhall (große Räume mit harten Wänden, wie in Kirchen).

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Zusätzliche Videos:

1) → Reflexion am ebenen Spiegel | alpha Lernen erklärt Physik

2) → Das Reflexionsgesetz I musstewissen Physik

3) → Diffuse Reflexion | alpha Lernen erklärt Physik

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