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Licht und Schatten

Wie gelangt Licht ins Auge, warum entsteht ein Schatten und wann wird er größer? Lerne das Strahlenmodell kennen, konstruiere Schatten und unterscheide Kern- und Halbschatten.

Unsicher beim Einstieg?3 Aufgaben im freiwilligen Kurzcheck

Finde heraus, was du schon kannst

Drei kurze Aufgaben helfen dir, deinen Startpunkt zu finden. Wenn du unsicher bist, wähle „Weiß ich noch nicht“.

Löse die Aufgaben ohne Nachschlagen. Bei Zahlen sind Dezimalkomma und Dezimalpunkt möglich. Verwende keine Tausenderpunkte.

Gib die verlangte kurze Antwort ein.

Nur die Zahl in cm eingeben.

Nur die Zahl in cm eingeben.

Lösungen mit Erklärungen
  1. nein – Unter den beschriebenen Bedingungen lautet die Antwort nein. Sichtbar wird ein Körper, wenn Licht von ihm ins Auge gelangt.
  2. 6 – S = 2 · 60/20 = 6 cm.
  3. 25 – a = 2 · 100/8 = 25 cm.

Direkt mit der Erklärung beginnen →

Lernschritt 1

Warum sehen wir einen Gegenstand?

Eine Lichtquelle sendet eigenes Licht aus. Beispiele sind die Sonne, eine eingeschaltete Lampe oder eine Kerzenflamme. Ein beleuchteter Körper wie ein Buch, eine Wand oder der Mond ist dagegen sichtbar, weil Licht an ihm reflektiert beziehungsweise gestreut wird.

Damit du das Buch siehst, muss Licht von einer Quelle auf das Buch treffen und von dort in dein Auge gelangen. Dein Auge sendet beim gewöhnlichen Sehen keine Suchstrahlen aus. In einer Zeichnung zeigen die Pfeile deshalb in Ausbreitungsrichtung des Lichts zum Auge.

In einem vollständig dunklen Raum ist auch ein weißes Blatt nicht sichtbar. Weiß beschreibt, wie das Blatt auf einfallendes Licht reagiert; das Blatt leuchtet deshalb nicht selbst. Leuchtende Anzeigen oder nachleuchtende Materialien sind andere Fälle.

Lernschritt 2

Das Strahlenmodell richtig benutzen

In einem gleichartigen, durchsichtigen Medium beschreiben wir die Lichtausbreitung mit geraden Strahlen. Eine Linie steht für einen ausgewählten Lichtweg, ein Pfeil für seine Richtung. Eine punktförmige Quelle sendet in viele Richtungen; ein gezeichneter Strahl ist nur einer davon.

Ein Lichtbündel umfasst viele solcher Lichtwege. Die gezeichneten Randstrahlen begrenzen das Bündel. Sie sind besonders hilfreich, wenn ein Hindernis einen Teil des Lichts abschirmt.

Das Strahlenmodell ist eine Näherung. Für Hindernisse und Öffnungen, die groß gegenüber der Lichtwellenlänge sind, erklärt es viele Alltagssituationen gut. Feine Beugungsmuster an sehr kleinen Öffnungen gehören zur Wellenoptik und werden damit nicht beschrieben.

Eine Lichtlinie ist von der Seite nur sichtbar, wenn Licht beispielsweise an Staub, Nebel oder einer Oberfläche in dein Auge gestreut wird. Ein Lichtstrahl muss im sauberen Raum nicht als leuchtende Linie sichtbar sein.

Lernschritt 3

Einen Schatten mit zwei Randstrahlen konstruieren

Wir betrachten eine kleine Lichtquelle, einen undurchsichtigen Gegenstand und einen Schirm dahinter. Für die Zeichnung behandeln wir die Quelle als Punkt.

So zeichnest du den Schatten

  1. Aufbau festlegen

    Markiere Punktquelle, Gegenstand und Schirm. Der Schirm liegt hinter dem Gegenstand.

  2. Oberen Randstrahl ziehen

    Verbinde die Quelle mit der oberen Gegenstandskante und verlängere die Gerade bis zum Schirm.

  3. Unteren Randstrahl ergänzen

    Wiederhole das an der unteren Kante. Setze Pfeile von der Quelle weg.

  4. Schatten markieren und prüfen

    Zwischen den Treffpunkten liegt der Schatten. Prüfe: Ein Strahl von der Quelle zu einem Punkt darin würde am Gegenstand blockiert.

Im Raum zwischen Gegenstand und Schirm liegt der Schattenraum. Auf dem Schirm erscheint der Schatten auf einer Fläche. Schatten ist keine eigene Substanz, die aus dem Gegenstand austritt: Dort fehlt direktes Licht der betrachteten Quelle.

Andere Lampen oder an Wänden gestreutes Licht können diesen Bereich aufhellen. Deshalb ist ein Schatten im Klassenzimmer oft nicht vollständig schwarz.

Lernschritt 4

Ausprobieren: Den Gegenstand zur Lampe schieben

QGSSchirmab

Weiter von Q: kleinerer Schatten

Q ist die Punktquelle. Die Randstrahlen streifen die Kanten des Gegenstands G; am Schirm begrenzen sie den Schatten S.

a misst von Q bis zum Gegenstand, b von Q bis zum Schirm. Die Quelle, der Schirm und die Gegenstandshöhe bleiben fest. Nur a ändert sich.

Gegenstand und Schirm stehen parallel. Für diese Geometrie gilt S/G = b/a.

QGSSchirmab

Näher an Q: größerer Schatten

Q ist die Punktquelle. Die Randstrahlen streifen die Kanten des Gegenstands G; am Schirm begrenzen sie den Schatten S.

a misst von Q bis zum Gegenstand, b von Q bis zum Schirm. Die Quelle, der Schirm und die Gegenstandshöhe bleiben fest. Nur a ändert sich.

Gegenstand und Schirm stehen parallel. Für diese Geometrie gilt S/G = b/a.

Quelle und Schirm bleiben fest, auch die Gegenstandshöhe bleibt gleich. Wird der Gegenstand zur punktförmigen Quelle geschoben, liegen die Randstrahlen weiter auseinander, wenn sie den Schirm erreichen. Der Schatten wird größer.

Schiebst du den Gegenstand stattdessen näher zum Schirm, wird sein Schatten kleiner und nähert sich seiner tatsächlichen Größe. Diese Aussage gilt für die gezeigte Anordnung mit auseinanderlaufenden Strahlen.

Bei näherungsweise parallelem Licht ist die Lage anders: Ein zur Projektionsfläche paralleler Gegenstand erzeugt ohne Perspektivverzerrung einen etwa gleich großen Schatten. Die Beleuchtungsgeometrie gehört daher immer zur Erklärung.

Lernschritt 5

Die Schattenhöhe berechnen

Bei einer Punktquelle ergeben die Randstrahlen ähnliche Dreiecke. G ist die Gegenstandshöhe, S die Schattenhöhe. Gegenstand und Schirm stehen parallel. Entscheidend sind die Abstände von der Quelle: a zum Gegenstand, b zum Schirm.

S/G = b/aS = G · b/a

Beispiel · Schritt für Schritt

Wie groß wird der Schatten?

Berechne die Schattenhöhe auf dem Schirm.

G = 6 cm · a = 30 cm · b = 90 cm

Rechenweg: Wie groß wird der Schatten?
Rechnung Erklärung zum Schritt
b/a = 90 cm / 30 cm = 3
1Vergrößerungsfaktor bestimmen

Beide Abstände beginnen an der Quelle. Die Einheiten im Quotienten kürzen sich.

S = G · b/a
= 6 cm · 3 = 18 cm
2Schattenhöhe berechnen

Die Gegenstandshöhe wird mit demselben Faktor vergrößert wie der Abstand.

a = 15 cm → b/a = 6
S = 6 cm · 6 = 36 cm
3Verschieben vorhersagen

Quelle und Schirm bleiben fest. Halber Quellabstand des Gegenstands bedeutet hier doppelte Schattenhöhe.

Ergebnis: Zuerst ist der Schatten 18 cm hoch, nach dem Annähern 36 cm. Der Schirm muss dafür groß genug sein.
Wenn der Abstand Gegenstand–Schirm gegeben ist

Beispiel · Schritt für Schritt

Die richtige Strecke einsetzen

Der Gegenstand steht 30 cm von der Quelle und 60 cm vor dem Schirm.

G = 6 cm · a = 30 cm · Gegenstand–Schirm = 60 cm

Rechenweg: Die richtige Strecke einsetzen
Rechnung Erklärung zum Schritt
b = 30 cm + 60 cm = 90 cm
1Gesamtabstand bilden

b ist die Strecke Quelle–Schirm; die 60 cm allein sind nicht b.

S = 6 cm · 90/30 = 18 cm
2Schattenformel anwenden

Erst die Strecken zuordnen, dann einsetzen.

Ergebnis: Der Schatten ist 18 cm hoch.

Lernschritt 6

Kernschatten und Halbschatten verstehen

QGSchirmHKH

K: Kernschatten · H: Halbschatten

Die Quelle Q besitzt eine Ausdehnung. Vier Randstrahlen verbinden ihre Ränder mit den Gegenstandskanten.

Im dunkleren Kernschatten ist die ganze Quelle verdeckt. In den helleren Randzonen ist nur ein Teil der Quelle verdeckt. Halbschatten bedeutet nicht automatisch halbe Helligkeit.

Zweidimensionaler Schnitt ohne Streulicht. Die Grautöne kennzeichnen Zonen, keine exakt berechnete Helligkeit.

Eine reale Lampe besitzt eine leuchtende Fläche. Verschiedene Stellen dieser Fläche senden Licht aus etwas unterschiedlichen Richtungen. Der Gegenstand kann deshalb von einem Beobachtungspunkt aus gesehen die ganze Quelle oder nur einen Teil davon verdecken.

  • Kernschatten: Kein Teil der betrachteten Lichtquelle ist von dort direkt sichtbar.
  • Halbschatten: Ein Teil der Lichtquelle ist verdeckt, ein anderer Teil liefert weiterhin Licht.
  • Voll beleuchteter Bereich: Die gesamte Quelle ist unverdeckt sichtbar.

Halbschatten bedeutet nicht automatisch genau halbe Helligkeit. Die Beleuchtungsstärke hängt unter anderem davon ab, wie viel der Quelle sichtbar bleibt. Bei einer ausgedehnten Quelle ändert sie sich oft allmählich über den Randbereich.

Eine größere Lichtquelle erzeugt bei sonst gleicher Anordnung meist breitere Übergänge. Auch der Abstand zwischen Gegenstand und Schirm beeinflusst die Schärfe. Direkt am Schirm wird der Schattenrand schärfer. Bei bestimmten Geometrien endet der Kernschatten bereits vor dem Schirm.

Lernschritt 7

Alltagssituationen mit Lichtwegen erklären

Mehrere Schatten: Zwei getrennte Lampen können zwei versetzte Schatten erzeugen. Wo eine Lampe verdeckt ist, kann die andere noch hinleuchten. Wo beide verdeckt sind, fehlt das direkte Licht beider Lampen.

Wolken und weiche Schatten: Bei bedecktem Himmel kommt Licht aus vielen Richtungen. Ein Gegenstand schirmt nicht alle diese Richtungen gleichzeitig ab. Die Kontraste der Schatten können deshalb klein sein.

Finsternisse: Bei einer Sonnenfinsternis fällt der Mondschatten auf einen Bereich der Erde. Bei einer Mondfinsternis durchquert der Mond den Erdschatten. Normale Mondphasen entstehen dagegen durch unseren wechselnden Blick auf die beleuchtete Mondhälfte, nicht durch den Erdschatten.

Diese Beispiele verwenden dieselbe Grundfrage: Welche Lichtwege sind vom betrachteten Ort aus frei und welche sind blockiert? Für die genaue Geometrie von Finsternissen lohnt später ein eigener Artikel.

Lernschritt 8

Ein kurzer Versuch mit klarer Fragestellung

Mit einer kleinen LED-Lampe, einem ausgeschnittenen Kartonstück und einer weißen Wand kannst du das Strahlenmodell prüfen. Markiere die Positionen von Quelle und Schirm. Verändere nur den Abstand des Gegenstands zur Quelle und miss jeweils seine Schattenhöhe.

Notiere vor dem Verschieben eine Vorhersage. Vergleiche anschließend die gemessenen Höhen mit den berechneten Verhältnissen. Unscharfe Ränder sind ein Hinweis darauf, dass die reale Quelle kein exakter Punkt ist.

Selbst ausprobieren

Üben & prüfen

Mit Tipps lernen oder ohne Hilfe testen – du entscheidest.

Wähle deine Stufe. Du löst jeweils sechs Aufgaben mit direkter Rückmeldung, Tipps und Rechenwegen.

Wie sicher bist du jetzt?

Bearbeite drei weitere Aufgaben ohne Nachschlagen. Nutze die Rückmeldung, um gezielt weiterzulernen.

Löse die Aufgaben ohne Nachschlagen. Bei Zahlen sind Dezimalkomma und Dezimalpunkt möglich. Verwende keine Tausenderpunkte.

Gib die verlangte kurze Antwort ein.

Nur die Zahl in cm eingeben.

Nur die Zahl in cm eingeben.

Lösungen mit Erklärungen
  1. ja – Unter den beschriebenen Bedingungen lautet die Antwort ja. Sichtbar wird ein Körper, wenn Licht von ihm ins Auge gelangt.
  2. 30 – S = 10 · 60/20 = 30 cm.
  3. 25 – a = 10 · 100/40 = 25 cm.

Die Aufgaben sind unterschiedlich. Die Ergebnisse geben dir eine kurze Orientierung zu deinem Lernstand.

Eigene Werte einsetzenMit dem Physikhelfer

Physikhelfer

Eigene Werte einsetzen

Berechne die Schattenhöhe bei einer punktförmigen Lichtquelle mit ähnlichen Dreiecken. Beide Abstände beginnen an der Lichtquelle; Halbschatten sind nicht enthalten. Wähle deine gesuchte Größe und lass dir den Rechenweg Schritt für Schritt zeigen.

Passende Aufgabe öffnen →

Kostenlos und ohne Anmeldung. Ein Rücklink führt dich wieder zu dieser Erklärung.

Lieber auf Papier? 6 Aufgaben mit aufklappbaren Lösungen

Dein Wissen anwenden

Auf Papier üben

Löse die Aufgaben zuerst auf Papier. Öffne danach die Lösung. Bei einem Fehler führt dich der Link zur passenden Erklärung zurück.

1 · Ist der Mond eine selbstleuchtende Lichtquelle?

Lösung und Rechenweg ansehen

Im hier betrachteten sichtbaren Licht ist er ein beleuchteter Körper: Er reflektiert Sonnenlicht.

Erklärung wiederholen →

2 · Warum ist ein weißes Blatt im völlig dunklen Raum unsichtbar?

Lösung und Rechenweg ansehen

Ohne Beleuchtung gelangt kein vom Blatt reflektiertes sichtbares Licht in dein Auge. Weiß bedeutet nicht selbstleuchtend.

Erklärung wiederholen →

3 · G = 4 cm, a = 20 cm und b = 100 cm. Wie hoch ist der Schatten?

Lösung und Rechenweg ansehen

S = G · b/a = 4 cm · 5 = 20 cm. Beide Abstände beginnen an der Lichtquelle.

Erklärung wiederholen →

4 · Quelle und Schirm bleiben fest. Der Gegenstand kommt näher zur Punktquelle. Was passiert?

Lösung und Rechenweg ansehen

Der Schatten wird größer, weil a kleiner wird und b gleich bleibt.

Erklärung wiederholen →

5 · Bedeutet Halbschatten immer genau 50 % Helligkeit?

Lösung und Rechenweg ansehen

Nein. Nur ein Teil der Quelle ist verdeckt. Der noch sichtbare Anteil und weitere Beleuchtung bestimmen die Helligkeit.

Erklärung wiederholen →

6 · Entsteht eine normale Mondsichel durch den Erdschatten?

Lösung und Rechenweg ansehen

Nein. Wir sehen nur einen Teil der von der Sonne beleuchteten Mondhälfte. Erdschatten auf dem Mond gehört zur Mondfinsternis.

Erklärung wiederholen →

Der Selbstcheck hilft dir zu erkennen, welchen Schritt du noch üben solltest. Rechne nach einer Korrektur eine ähnliche Aufgabe ohne Hilfe.

Häufige Fragen

Warum ist ein Schatten nicht immer schwarz?

Andere Quellen und gestreutes Licht können den Bereich beleuchten. Der Gegenstand blockiert nur bestimmte Lichtwege.

Wann ist ein Schatten besonders scharf?

Eine kleine Lichtquelle und ein geringer Abstand des Gegenstands zum Schirm begünstigen scharfe Ränder.

Gilt die Vergrößerungsformel für jede Lampe?

Sie gilt für die beschriebene Punktquellengeometrie mit parallelem Gegenstand und Schirm. Eine ausgedehnte Quelle erfordert die Betrachtung mehrerer Randstrahlen.

Dein nächster Lernschritt

Wie möchtest du weiterlernen?

Passende Materialien zum Thema „Licht und Schatten“. Wähle aus, was dir beim Üben und Wiederholen hilft.

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Diese Materialien ergänzen die Erklärung und unterstützen dich beim Üben und Nachschlagen.

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Optionale Ergänzungen zum Üben und Nachschlagen. Klassenstufe und Umfang findest du beim jeweiligen Produkt.

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