alpha Lernen - Physik

Reflexion und Brechung Licht und die optische Wahrnehmung

Von: Christian Döllinger, Jonathan Schulenburg

Stand: 25.08.2017

Schau dir zunächst das Video auf die folgenden Fragen hin an:

  • Was versteht man unter einer Lichtquelle?
  • Welche Bedingungen müssen erfüllt sein, damit wir einen Körper, der selbst kein Licht emittiert, sehen können?
  • Nach welchen Gesetzmäßigkeiten breitet sich Licht aus?
  • Welche Effekte können auftreten, wenn Licht auf einen Körper trifft?
  • Wie schnell breitet sich Licht aus?

Unter dem Video findest du die Antworten auf die Fragen und vertiefende Informationen.

Lerncheck: Licht und die optische Wahrnehmung

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Was versteht man unter einer Lichtquelle?

Antwort

Lichtquellen sind Körper, die "selbst erzeugtes" Licht aussenden.

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Welche Bedingungen müssen erfüllt sein, damit wir einen Körper, der selbst kein Licht emittiert, sehen können?

Antwort

Dazu müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:

  • Auf den Körper muss Licht einer Lichtquelle fallen.
  • Der Körper muss das Licht so zurückwerfen, dass ein Teil des reflektierten Lichts in unsere Augen tritt.

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Nach welchen Gesetzmäßigkeiten breitet sich Licht aus?

Antwort

  • Licht breitet sich nach allen Richtungen in gleicher Weise aus.
  • Licht breitet sich geradlinig aus.

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Welche Effekte können auftreten, wenn Licht auf einen Körper trifft?

Antwort

  • Trifft Licht auf einen undurchsichtigen Körper, so wird ein Teil des Lichtes reflektiert und der restliche Lichtanteil absorbiert. Der absorbierte Lichtanteil führt zu einer Erwärmung des Körpers.
  • Beim Auftreffen auf einen durchsichtigen Körper tritt i.a. ein Teil des Lichtes in diesen Körper ein, ein Teil wird reflektiert und der Rest absorbiert.

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Wie schnell breitet sich Licht aus?

Antwort

Von der Sonne bis zur Erde benötigt das Licht ca 8 min und 20 s, das sind 500 s. Da die Entfernung Erde - Sonne 150 Millionen km beträgt, ergibt sich für die Lichtgeschwindigkeit c:

c = 150 · 106 km : 500 s = 300.000 km/s.

D. h. das Licht legt in einer Sekunde 300.000 km zurück.

Lichtquellen

Hinsichtlich ihrer Fähigkeit, Licht emittieren zu können, unterscheidet man Körper, die selbst Licht aussenden (selbstleuchtende Körper bzw. Lichtquellen) und solche, von denen kein "eigenes" Licht ausgeht (nichtselbstleuchtende Körper).

Licht ist eine Form von (Strahlungs-)Energie, die wir mit unseren Augen wahrnehmen können – im Gegensatz zu anderen Formen der Strahlungsenergie, etwa der ultravioletten und infraroten, für die uns kein Wahrnehmungsorgan zur Verfügung steht. Die Emission von Licht ist stets mit einer Energieumwandlung verbunden, d. h. Lichtquellen sind Energiewandler. Die Ausgangsenergie ist in vielen Fällen thermische Energie, etwa bei den Sternen und somit auch bei der Sonne oder bei Glühlampen. Bei ausreichend hoher Temperatur wird ein Teil der thermischen Energie in sichtbare Strahlung, also Licht, umgewandelt. Bei relativ niedriger Strahlungstemperatur erscheint uns das Licht der Lichtquelle rötlich, bei hoher Strahlungstemperatur dagegen bläulich – verglichen mit dem Sonnenlicht.

Licht kann seinen Ursprung aber auch in anderen Energieformen haben. Man spricht dann von "Lumineszenz". Glühwürmchen beispielsweise wandeln chemische Energie in Licht um ("Chemo- bzw. Biolumineszenz"). Auch elektrische Energie kann in Licht umgewandelt werden: Neben Glühlampen, die durch den Strom so stark erhitzt werden, dass sie Licht emittieren und die daher wie brennende Kerzen zu den Temperaturstrahlern zu zählen sind, gibt es Stoffe, bei denen die durch den elektrischen Strom ausgelöste Lichtemission nicht durch eine hohe Temperatur, sondern durch Vorgänge, die die Atome unmittelbar betreffen, hervorgerufen wird. Dazu zählen z. B. LED-Lampen und Leuchtstoffröhren. Das Licht, das von einer Lichtquelle abgestrahlt wird, hat seinen Ursprung in Vorgängen, die sich in den Atomen der Quelle abspielen (genauer: in Prozessen, die die Elektronen auf der Valenzschale der Atome betreffen).

Sichtbarkeit von Körpern

Wir können die Sonne – bei klarem Himmel – nur tagsüber sehen. Nachts bleibt sie für uns unsichtbar, da sie unter dem Horizont steht und damit ihr Licht uns nicht erreicht. Dafür wird in klaren Nächten der Mond sichtbar (außer während der Neumondphase).

Der Mond selbst ist keine Lichtquelle, erzeugt also kein Licht; er wird aber von der Sonne beleuchtet. Wir können ihn sehen, weil er einen Teil des auf ihn fallenden Sonnenlichtes in unsere Richtung reflektiert. In diesem in unser Auge fallenden "Mondlicht" sind Informationen über Form, Farbe, Größe und Oberfläche des Mondes gespeichert. Informationen über die Sonne, von der das Licht ursprünglich ausging, sind dagegen nicht mehr enthalten.

Lichtstrahlen

Der Begriff "Lichtstrahl" steht stellvertretend für ein schmales Lichtbündel. Man kann sich darunter die Symmetrieachse des Bündels vorstellen.

Ausbreitung des Lichts

Licht breitet sich von der Lichtquelle ausgehend geradlinig nach allen Richtungen in gleicher Weise aus. Eine Folge der geradlinigen Lichtausbreitung ist die Schattenbildung: Trifft Licht, das von einer punktförmigen Lichtquelle ausgeht, auf einen undurchsichtigen Körper, so entsteht hinter dem Körper ein scharf begrenzter Schatten, in den kein Licht der Lichtquelle eindringt.










Handelt es sich dagegen um eine ausgedehnte Lichtquelle wie z. B. die Sonne, so treten zwei Arten von Schattenbereichen hinter dem Hindernis auf: der Kernschattenbereich und die Halbschattenbereiche.

1: Kernschattenbereich: In diesen Bereich gelangt kein von der ausgedehnten Lichtquelle ausgehendes Licht.

2 und 3: Halbschattenbereiche: In diese Bereiche gelangt Licht, das jeweils nur von einem Teil der Oberfläche der Lichtquelle abgestrahlt wird. Das von den übrigen Bereichen der Lichtquelle ausgehende Licht wird dagegen abgeschirmt. So wird z. B. der Halbschattenbereich 2 von dem von B ausgehenden Lichtbündel beleuchtet, während das von A ausgehende durch das Hindernis abgehalten wird.

Anmerkung:

Trifft Licht auf extrem kleine Gegenstände, deren Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichtes liegen, so gilt die Gesetzmäßigkeit der geradlinigen Ausbreitung nicht mehr: Das Licht dringt dann in den geometrischen Schattenraum ein – ähnlich, wie man Geräusche einer Schallquelle, die sich vor einer Wand befindet, hinter der Wand in deren geometrischem "Schattenbereich" hören kann. Das Licht wird gewissermaßen in den Schattenbereich hinein "gebeugt".

Lichtstrahlen im eigentlichen Sinn (als unendlich schmales Lichtbündel) lassen sich wegen der Wellennatur des Lichtes nicht erzeugen. Auch der dünnste Laserstrahl hat eine bestimmte Ausdehnung und stellt daher in Wirklichkeit ein sehr schmales Lichtbündel dar.

Mondphasen und Finsternisse

Die Umlaufbahn des Mondes um die Erde ist nicht exakt kreisförmig, sondern weist eine leicht elliptische Form auf: Der größte Abstand des Mondes von der Erde beträgt 405.500 km, der kleinste 363.300 km, was einem mittleren Abstand von 384.400 km entspricht. Zusätzlich zu seiner Bewegung um die Erde (genauer: den Schwerpunkt des aus Erde und Mond bestehenden Systems) dreht sich der Mond wie auch die Erde um seine Achse, allerdings sehr viel langsamer: Die Dauer für eine Umdrehung des Mondes um seine Achse stimmt mit seiner Umlaufdauer um die Erde (ca. 28 Tage) überein. Dieses Zusammenfallen der beiden Umlaufzeiten beim Mond hat zur Folge, dass der Mond uns immer dieselbe Seite zuwendet, die Rückseite des Mondes blieb für die Erdbewohner daher lange Zeit im Dunkeln. Erst seit es Satelliten gibt, ist uns auch die Rückseite des Mondes für Beobachtungen zugänglich.

Mondphasen:
Bei Neumond ist der Mond für uns unsichtbar, da sich der Mond in dieser Phase im Bereich zwischen Erde und Sonne befindet und daher die uns abgewandte Mondhälfte von der Sonne angestrahlt wird.
Bei Vollmond wird die uns zugewandte Seite bestrahlt, d. h. der Mond befindet sich bei Vollmond von der Sonne aus gesehen hinter der Erde.

Aber wieso ist der Mond während der Vollmondphase überhaupt zu sehen, würde er nicht zumindest zum Teil in dem von der Erde geworfenen Schattenbereich liegen? Das wäre der Fall, wenn Erde, Sonne und Mond auf einer Linie liegen würden. Umgekehrt müsste während einer Neumondphase ein Teil der Erdoberfläche im Mondschatten liegen, d. h. dann müsste bei jedem Neumond von einem Teil der Erdoberfläche aus eine Sonnenfinsternis zu beobachten sein!

Dies ist offensichtlich nicht der Fall, denn Sonnenfinsternisse treten im Schnitt nur alle anderthalb Jahre irgendwo auf der Erde auf und nicht bei jedem Umlauf des Mondes. An einem bestimmten Ort auf der Erde kann man höchstens einmal in seinem Leben eine totale Sonnenfinsternis beobachten. 1999 war die bisher letzte totale Sonnenfinsternis, die in Teilen Süddeutschlands zu sehen war; erst 2081 wird es in diesem Gebiet erneut zu einer totalen Sonnenfinsternis kommen.

Sonnen- und Mondfinsternisse

Zunächst muss zwischen einer totalen und einer partiellen Finsternis unterschieden werden:

Schema einer Sonnenfinsternis (nicht maßstäblich)

Eine totale Sonnenfinsternis kann nur dort beobachtet werden, wo der Kernschatten des Mondes auf die Erdoberfläche trifft. Dieser Bereich ist ein Streifen von etwa 300 km Breite, der sich in Richtung Osten auf der Erde verschiebt. Im Schnitt wird die Sonne im Zentralbereich dieses Streifens etwa 2 Minuten lang vom Mond vollständig verdeckt, an den Rändern entsprechend kürzer.

Die Bereiche auf der Erdoberfläche, in denen eine partielle Sonnenfinsternis beobachtet werden kann (dabei verdeckt der Mond im Höhepunkt der Verfinsterung einen mehr oder weniger großen Bruchteil der Sonnenscheibe) liegen im Halbschatten des Mondes. Ihre Ausdehnung kann etwa 4.000 km auf der Erdoberfläche betragen. Daher kann man an einem bestimmten Ort zwischen zwei totalen Sonnenfinsternissen mehrere partielle Finsternisse beobachten.

Warum aber ist nun eine totale Sonnenfinsternis ein so seltenes Ereignis? Des Rätsels Lösung liegt darin, dass die Bahnebene des Mondes nicht mit der Bahnebene der Erde bei ihrer Bewegung um die Sonne (Ekliptik) zusammenfällt, sondern gegen diese um einen Winkel von etwa 5° geneigt ist. Der Mond liegt also während der Hälfte seiner Umlaufzeit um die Erde oberhalb, die andere Hälfte unterhalb der Bahnebene der Erde. Bei einem Umlauf um die Erde, der etwa 28 Tage dauert, kreuzt die Mondbahn zweimal im Abstand von 14 Tagen die Umlaufbahn der Erde. Nur in diesem Fall wäre eine Sonnenfinsternis auf der Erde möglich, weil die übrige Zeit der Mond unterhalb oder oberhalb der Ekliptik der Erde liegt und somit der (Kern-) Schattenbereich, den die Sonnenstrahlung hinter dem Mond hervorruft, entweder oberhalb oder unterhalb der Erde liegt, der Kernschatten also die Erde verfehlt. Die Schnittgerade zwischen der Ekliptik und der Mondbahn wird als Knotenlinie bezeichnet.

Anmerkung:

Da Sonne, Mond und Erde aber keine punktförmigen Gebilde, sondern Körper mit einer gewissen Ausdehnung sind, besteht hinsichtlich der Knotenlinie eine gewisse Toleranz, d. h. Finsternisse können sich auch dann ereignen, wenn die Stellung des Mondes geringfügig von den Knotenstellen abweicht – andernfalls wären Finsternisse noch seltenere Ereignisse als ohnehin.

Damit haben wir zwei Kriterien für die Entstehung einer totalen Sonnenfinsternis aufgespürt:

  1. "Neumondbedingung": Sonnenfinsternisse sind nur bei Neumond möglich.
  2. "Knotenbedingung": Die Neumondphase muss mit dem Zeitpunkt zusammenfallen, an dem der Mond die Knotenlinie durchbricht, also Sonne, Mond und Erde auf einer geraden Linie liegen.

Für eine totale Sonnenfinsternis muss aber noch eine dritte Bedingung erfüllt sein: Der Mond muss uns gleich groß oder größer als die Sonne erscheinen (sonst könnte er die Sonnenscheibe nicht vollständig verdecken). Es ist erstaunlich, dass uns der im Vergleich zur Sonne winzige Mond am Himmel (nahezu) genauso groß erscheint wie die Sonne, obwohl sein Durchmesser ca. 400 mal kleiner ist. Da aber die Sonne zugleich auch etwa 400 mal weiter von der Erde entfernt ist als der Mond, gleicht die größere Entfernung den größeren Durchmesser gerade aus, so dass uns beide Himmelskörper nahezu gleich groß erscheinen.

Nun ist aber sowohl die Umlaufbahn der Erde um die Sonne wie die des Mondes um die Erde nicht exakt kreisförmig, was zur Folge hat, dass die von uns wahrgenommene Größe der beiden Himmelskörper etwas schwankt: Je größer ihr Abstand von der Erde ist, desto kleiner erscheinen sie uns. Bei der Sonne ist die Abweichung gering und wird überdies durch den großen Abstand von im Mittel 150 Millionen km relativiert. Beim viel näheren Mond dagegen schwankt der Abstand immerhin um 11 % - und dieser Unterschied macht sich durchaus in unserer Größenempfindung bemerkbar: Ist der Mond von uns besonders weit entfernt, so erscheint er uns kleiner als die Sonnenscheibe. Wenn es dann während einer Neumondphase zu einer Verfinsterung kommt (die Kontenbedingung also erfüllt ist), kann der Mond die Sonnenscheibe nicht vollständig verdunkeln. Es kommt zu einer ringförmigen Sonnenfinsternis, bei der zum Zeitpunkt der größten Bedeckung immer noch ein schmaler Ring der Sonnenscheibe sichtbar bleibt.

Die nachstehende Skizze soll nochmals verdeutlichen, warum nicht jede Neumondphase auf der Erde mit einer Sonnenfinsternis verbunden ist. Wenn sich der Mond während einer Neumondphase auf dem oberhalb der Ekliptik liegenden Abschnitt der Mondbahn befindet, verfehlt der Schatten des Mondes die Erde, weil das Schattengebiet oberhalb der Erde liegt, auf dem Abschnitt unterhalb der Ekliptik dagegen unterhalb. Nur wenn der Mond während der Neumondphase die Knotenlinie schneidet, die den oberen und unteren Teil der Mondbahn von der Ekliptik trennt und damit Sonne, Mond und Erde auf einer Linie liegen, fällt der Schattenbereich des Mondes auf die Erde und es kommt auf der Erde in einem bestimmten Gebiet zu einer Sonnenfinsternis.

Wissenschaftliche Bedeutung

In der Wissenschaftsgeschichte spielt die Sonnenfinsternis von 1919, die in Teilen Afrikas und Südamerikas beobachtet werden konnte, eine große Rolle: Die dabei gesammelten Beobachtungsdaten machten Albert Einstein über Nacht weltberühmt, konnte doch mit diesen Daten eine zentrale Voraussage seiner Allgemeinen Relativitätstheorie, nach der massereiche Körper Licht ablenken, bestätigt werden: Dazu muss man die Ablenkung des Lichtes von Sternen, deren Licht nahe an der Sonne vorbeigeht, durch die Sonne untersuchen. Sterne, die diese Bedingung erfüllen, liegen aber am Himmel  – von der Erde aus betrachtet – sehr nahe an der Sonne und sind daher nicht sichtbar, da die Helligkeit der Sonne sie gewöhnlich überstrahlt. Nur bei einer totalen Sonnenfinsternis ist es möglich, diese sonnennahen Sterne für die Dauer der Verdunkelung der Sonne zu beobachten. Man kann dann die Ablenkung des von ihnen ausgehenden Lichtes durch die Sonne bestimmen und mit der vergleichen, die sich ergibt, wenn sich die Sonne an einer anderen Stelle am Himmel befindet.

Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts

Licht breitet sich im Vakuum mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km/s aus und zwar unabhängig von der Ausbreitungsrichtung. Das bedeutet, dass das Licht in einer Sekunde 300.000 km zurücklegt – dies entspricht nahezu der Entfernung von der Erde bis zum Mond.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum spielt in der Physik eine besondere Rolle, da sie eine Grenzgeschwindigkeit darstellt: Kein Gegenstand – sei er auch noch so leicht wie etwa ein Elektron – kann durch noch so großen Energieaufwand auf Geschwindigkeiten beschleunigt werden, die größer als die Lichtgeschwindigkeit ist. Diese kann nicht einmal exakt erreicht werden. Auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Informationen, die z. B. durch Licht (Glasfaserkabel) oder elektrische Wellen (z. B. Funk, UKW oder Fernsehwellen) übertragen werden, kann nicht größer sein als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (die genannten Trägerwellen breiten sich mit genau dieser Geschwindigkeit aus). In Luft ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht geringfügig kleiner als im leeren Raum, in Wasser beträgt sie dagegen nur etwa 2/3 des Wertes im Vakuum.