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Optik (1)

Hier findest du die Folien zur Unterrichtseinheit OPTIK

Allgemeine Hinweise zu den Themenseiten

 

Die hier angebotenen Themenseiten fassen die grundlegenden Inhalte, Informationen und Hefteinträge zu den Unterrichtsinhalten von verschiedenen Themenbereichen der Fächer Mathematik, Physik und dem Wahlpflichtfach MINT/Technik zusammen. Diese sind online, kostenlos und ohne Registrierung verfügbar und sollen zur besseren Selbstorganisation der Schüler beitragen.

 

Die im Internet bereitgestellten Materialien bieten aber auch noch zusätzliche Möglichkeiten: Sie sollen den Schülern einen Leitfaden zur Vorbereitung auf Kursarbeiten, aber auch bei Fehlstunden zur Nacharbeit der versäumten Unterrichtsinhalte dienen und weiterhin den Eltern die Möglichkeit zur Unterstützung bei den unterrichtsbegleitenden Hilfestellungen geben. Die Zusammenfassungen zu den Unterrichtsinhalten auf den Themenseiten werden dabei jeweils ergänzt durch Lernvideos, Infotexten, Aufgaben, Bildergalerien und interaktiven Tools. Diese sollen dabei helfen selbstständig eigene Ergebnisse zu überprüfen oder zusätzliche Informationen zu den Inhalten erhalten. Bei den Lernvideos handelt es sich teilweise um die YouTube-Video des YT-Kanals Mathe-Physik-Technik. Weiterhin sind bei den einzelnen Folien zusätzliche Videovorschläge von anderen YouTube-Kanälen zugeordnet. Der jeweilige Link leitet dann ggf. direkt auf die YouTube-Video-Seite weiter.

 

Bei den klassischen physikalischen Themenbereichen sind die jeweiligen Folien für den digitalen Unterricht weitestgehend angepasst und optimiert worden. Insbesondere durch die Corona-Krise rückt der digitale und eigenverantwortliche Unterricht immer mehr in den Fokus. Zu den einzelnen Folien sind deshalb jeweils passende Videos zu den Inhalten zugeordnet und zu vielen Folien auch passende Aufgaben eingearbeitet worden. Dadurch sind die Themenbereiche in Teilabschnitten strukturiert und für die Arbeit mit Wochenplänen optimiert worden. Sie ermöglichen den Schülern so die selbstständige Arbeit daheim und geben jedem Schüler die Möglichkeit die Lernziele auch unter den gegebenen Umständen bestmöglich zu erreichen. Dabei können Schüler dann sogar die positiven Seiten des digitalen Unterrichts (Eigenes Lerntempo festlegen, optimale Anpassung von Lernzeit und Zeitpunkt an den eigenen Biorhythmus zum effizienten Lernen, etc.) für sich besonders gut nutzen.


Siehe hierzu auch: → Konzept - mathe-physik-technik.de


Inhalt 

 

Teil 1:

Lichtquellen   

Gegenstände sehen:  

Lichtausbreitung:  

Optische Täuschungen  

Lichtausbreitung: Lichtbündel  

Die Lichtgeschwindigkeit  

Licht und Schatten  

Kern- und Halbschatten  

Übergangsschatten  

Sonnen- und Mondfinsternis  

Der Mond und seine Gestalt 

Reflexion von Licht  

→ Teil 2:

Das Spiegelbild  

Gekrümmte Oberflächen  

Wölbspiegel  

Hohlspiegel  

Brechung von Licht (1)  

Brechung von Licht (2)  

Abhängigkeit vom Einfallswinkel  

Brechung von Licht (3)  

Die Totalreflexion  

Optische Abbildungen (1)  

  → Die Lochkamera 

  → Abbildung durch eine Linse  

→ Teil 3:

Optische Abbildungen (2)  

Abbildungen durch eine Linse  

Optische Abbildungen (3)  

Abbildungen durch die Sammellinse (1)  

Optische Abbildungen (4)  

Abbildungen durch die Sammellinse (2)  

Optische Abbildungen (5)  

Die Lupe  

Linsen  

Die Konvexlinse (Zerstreuungslinse)  

Das Mikroskop  

Das Fernrohr (1) [Kepler]  

Das Fernrohr (2) [Galilei]  

Farben 

 

Alle Folien in einem Heft:

Produktplatzierungen

Hinweis:
Für die Unterrichtseinheit ist die Anschaffung des Skripts für meine Schüler nicht notwendig! Die Folien werden nacheinander bearbeitet und notwendige Materialien ggf. kopiert. Es sind keine Lösungen zu den Aufgaben enthalten.

Publikationen


Hinweis zur Printausgabe (ISBN 978-3-739-226576): Bitte Korrekturhinweise beachten 
Korrekturen (Skript-Optik)

Hinweis:
Die Inhalte dieser Unterrichtseinheit zielen ab auf die Vermittlung von Grundlagen zum Thema Optik. Dafür können im Rahmen des Physikunterrichts nur bestimmte Teile der Unterrichtseinheit behandelt werden. Im Rahmen des technich-naturwissenschaftlichen Wahlpflichtfachs werden einzelne Inhalte weiter vertieft. Sie richtet sich an Schüler der 8. Jahrgangsstufe.

Physik: Skriptsammlung





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.


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.



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:Raumfahrer (Wikipedia)
    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.

Optik: [5:20]

Optische Täuschungen (1)

Gezeigt werden optische Täuschungen.

Optik: [4:48]

Optische Täuschungen (2)

Optische Täuschungen werden am Beispiel von drei Rotationsbildern demonstriert und erklärt.

Die Fehlinterpretationen des Gehirns führen dabei zu erstaunlichen Eindrücken.


Infos zum Thema:

Unser Gehirn



Infotext - Lichtausbreitung: Lichtbündel


Strahlenoptik
Die Strahlenoptik (auch geometrische Optik) macht sich die Näherung zunutze, dass die Ausbreitung des Lichts durch gerade „Strahlen“ veranschaulicht werden kann. Die Strahlenoptik ist besonders gut geeignet, Phänomene wie Licht und Schatten zu beschreiben. Daher kann mit ihr die Funktion vieler optischer Geräte (Lochkamera, Lupe, Teleskop, Mikroskop) erklärt werden. Die Luftspiegelungen durch eine heiße Luftschicht über sonnenbeschienenem Asphalt und andere Naturphänomene können auch durch Anwendung dieses Prinzips erklärt werden. Strahlenoptik bedient sich des Strahlenmodells des Lichtes und behandelt damit auf einfache, rein geometrische Weise den Weg des Lichtes auf Linien.
 
Prinzipien von Strahlen
Lichtstrahlen breiten sich immer geradlinig aus und ändern ihre Richtung nur dann, wenn sie auf einen Körper treffen. Lichtstrahlen können einander durchdringen, ohne sich gegenseitig dabei zu beeinflussen. Allgemein gilt, dass der Lichtweg umkehrbar ist. Das bedeutet, dass jeder Strahlengang auch dann allen optischen Gesetzen genügen würde, wenn man die Ausbreitungsrichtung des Lichts umkehren würde. 
 
Modellvorstellung
Das Modell eines auf einer Linie begrenzten Lichtstrahls entspricht allerdings nicht der physikalischen Realität, einen solchen Lichtstrahl kann man experimentell nicht realisieren. Dennoch lassen sich mit Hilfe des Strahlenmodells viele optische Fragestellungen mit ausreichender Genauigkeit beschreiben. Hilfreich ist für viele Überlegungen die Vorstellung von Strahlenbündeln (auch als Lichtbündel bezeichnet). Dabei werden unendlich viele der unendlich dünnen Lichtstrahlen in Lichtbündeln zusammengefasst. 
 
Wir unterscheiden:
  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.



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.

Bildergalerie Optik 1


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


Die Bezeichnung „Schatten“ wird umgangssprachlich mit unterschiedlichen Bedeutungen verbunden. Man bezeichnet die mittels einer Lichtquelle erzeugte Projektion eines Gegenstands auf weiteren Gegenständen oder einer Wand allgemein als „Schatten“. Weiterhin wird auch der gesamte unbeleuchtete (dreidimensionale) Raum hinter einem beleuchteten Körper („im Schatten“) als „Schatten“ bezeichnet – dieser Raum erstreckt sich in den Grenzen der abgeschatteten Seite des Gegenstands bis zur zweidimensionalen Schattenprojektion die beispielsweise an einer Wand sichtbar ist. Der Rand des unbeleuchteten Schattens heißt Schattengrenze oder Hell-Dunkel-Grenze, in Astronomie und Meteorologie auch Tag-Nacht-Grenze.
 
Schattenbild
Die zweidimensionale Schattenprojektion nennt man Schattenbild oder auch Schattenriss, sie zeigt den Umriss, also die Silhouette des Objektes. Schattenriss wird auch eine Zeichnung genannt, die durch Nachzeichnen der Schattenprojektion entsteht. Wie scharf das Schattenbild sichtbar ist, ist abhängig von der verwendeten Lichtquelle. Zur Konstruktion des Schattenbildes werden Lichtstrahlen von der Lichtquelle ausgehend an den Rändern des Körpers entlang zur Projektionsfläche gezeichnet.
 
Schlagschatten
Der Schlagschatten wird auf einem hellen Hintergrund hervorgerufen, wenn das Objekt davor von einer nahezu punktförmigen Lichtquelle (Sonne, Scheinwerfer, Fotoblitz) beleuchtet wird. Dieser Schatten ist bemerkenswert scharf und wird daher vom Betrachter besonders intensiv wahrgenommen. Er bildet das Objekt zumindest teilweise ab und lässt erkennen, aus welcher Richtung das Licht kommt.
 
Geometrie des Schattens
Einen echten Schlagschatten gibt es nur unter idealisierten Bedingungen, also einer punktförmigen Lichtquelle. Dann ist der Schattenraum das Volumen zwischen dem Körper und seinem Schattenbild. Diese Lichtstrahlen laufen dabei von der punktförmigen Lichtquelle ausgehend konisch auseinander (Lichtkegel), sodass der Schattenwurf größer ist als der schattenwerfende Körper. Der Schatten ist dann umso größer, je weiter dieser von der Projektionsfläche weg ist. Er ist umso kleiner, je weiter er von der Lichtquelle weg, also näher an der Projektionsfläche ist. Nur bei einer unendlich weit entfernten Lichtquelle sind die Linien parallel (für Fragestellungen auf der Erde kann die Sonne in guter Näherung als „unendlich weit entfernt“ angenommen werden).

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


  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.


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.

Physik / Optik: [6:00]

Kern- und Halbschatten

Vorgeführt wird im Video die Konstruktion des Schattens in der Seitenansicht mit einem Gegenstand und einer Lichtquelle (bzw. später dann mit zwei Lichtquellen). Entsprechende Abbildungen des Realversuchs werden gezeigt und die Konstruktion in der Seitenansicht an zwei Beispielen vorgeführt. Durch die beiden Lichtquellen entsteht der Halbschatten und der Kernschatten.

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Schattenstäbe und Sonnenuhren wurden lange Zeit als Taktgeber und Ersatz für heutige Uhren verwendet. Erst die Fahrpläne der Eisenbahn machten eine einheitliche Zeit an verschiedenen Orten notwendig. Dafür wurden die Zeitzonen eingeführt. Weitere Informationen zur mitteleuropäischen Zeit findest du hier:

Die sogenannte "Sommerzeit" auf der Karte

Kein Sommer ohne Sommerzeit? - Die Einteilung der Zeitzonen
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Bildergalerie Optik 2

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.



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. 

Bildquelle: Gemeinfrei / public domain via WIKIMEDIA COMMONS (Autor: Tomruen)

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



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?

Astronomie / Physik / Optik: [5:00]

Die Jahreszeiten

Gezeigt und erklärt wird das Zustandekommen der Jahreszeiten auf der Erde.

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.


Optik:

Das Reflexionsgesetz [2:34]

Optik - Reflexionsgesetz - Gezeigt und vorgeführt werden die grundlegenden Zusammenhänge bei der Reflexion von Licht.

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Wiederholung: Winkel messen [8:02]
Das Geodreieck & Winkel messen

Zunächst werden einige Grundbegriffe des Geodreiecks eingeführt. Anschließend wird an einem Beispiel die Winkelmessung demonstriert. Dabei wird auf die beiden Winkelskalen am Geodreieck eingegangen und es werden zwei Varianten zur Winkelmessung dargestellt. Hierbei finden beide Skalen Anwendung zur Messung des Winkels.

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Wiederholung: Winkel zeichnen [3:45]

Anschaulich beschrieben wird die Vorgehensweise beim Zeichnen eines Winkels. Hierbei wird ein spitzer und ein stumpfer Winkel als Beispiel gezeichnet.



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Quellenangaben zu den Inhalten auf dieser Seite


Infotext ([01/02] Licht)

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Infotext ([03] Optische Täuschungen)

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Infotext ([04] Lichtausbreitung: Lichtbündel)

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Infotext ([06] Licht und Schatten)

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Infotext ([07] Kern- Halb- und Übergangsschatten)

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Infotext ([09] Mondphasen)

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Infotext ([10] Reflexionsgesetz)

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