Licht und Schatten

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.

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.

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

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.

Lernschritt 6

Kernschatten und Halbschatten verstehen

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.