Schattenbildung
Beim Heimspiel im Dortmunder Stadion siehst du auf dem Rasen oft mehrere Schatten eines Spielers, manche dunkel, manche hell. Warum ist das so? Und warum hat deine Schulbank im Sonnenlicht nur einen einzigen, scharfen Schatten? Mit dem Lichtstrahl als Modell kannst du das erklären und sogar zeichnen.
Wie ein Schatten entsteht
Licht breitet sich in einem gleichartigen Stoff (zum Beispiel Luft) geradlinig aus. Das Modell dafür ist der Lichtstrahl: eine gedachte gerade Linie, die zeigt, in welche Richtung das Licht läuft.
Ein undurchsichtiger Gegenstand lässt kein Licht hindurch. Trifft ihn ein Lichtstrahl, wird er aufgehalten. Der Raum hinter dem Gegenstand, in den kein Licht gelangt, heißt Schattenraum. Fällt der Schattenraum auf eine Wand oder den Boden (den Schirm), siehst du dort den Schatten.
Je näher der Gegenstand an der Lampe steht, desto größer wird der Schatten. Je weiter er von der Lampe weg ist, desto kleiner wird er.
Eine Taschenlampe beleuchtet einen Ball. Hinter dem Ball ist auf der Wand ein Schatten zu sehen. a) Erkläre, wie der Schatten entsteht. b) Was passiert mit der…
Eine Taschenlampe beleuchtet einen Ball. Hinter dem Ball ist auf der Wand ein Schatten zu sehen.
- a) Erkläre, wie der Schatten entsteht.
- b) Was passiert mit der Schattengröße, wenn der Ball näher an die Lampe gebracht wird?
Kernschatten und Halbschatten
Eine winzige, punktförmige Lichtquelle gibt es kaum. Neonröhren, Glühlampen und die Sonne sind ausgedehnte Lichtquellen (eine kleine Taschenlampe behandelst du oft als annähernd punktförmig): Von jedem ihrer Punkte geht Licht aus.
Bei mehreren Lampen oder einer ausgedehnten Lampe entstehen zwei Bereiche:
-
Kernschatten: Hier gelangt von keinem Teil der Lichtquelle Licht hin. Er ist ganz dunkel.
-
Halbschatten: Hier gelangt Licht von einem Teil der Lichtquelle hin, von einem anderen Teil nicht. Er ist nur etwas dunkler.
Eine punktförmige Lampe erzeugt nur einen Kernschatten mit scharfem Rand, aber keinen Halbschatten. Der Halbschatten braucht eine ausgedehnte Lichtquelle oder mehrere Lampen.
Entfernst du den Schirm vom Gegenstand, wird der Halbschatten breiter und unschärfer. Bei einem Gegenstand, der kleiner als die Lichtquelle ist, hat der Kernschatten nur eine begrenzte Länge. Weiter hinten gibt es nur noch Halbschatten.
Du leuchtest mit zwei kleinen Lampen gleichzeitig auf einen Bleistift, der vor einer weißen Wand steht. a) Wie viele Schatten siehst du? b) Wie nennt man den Bereich, in…
Du leuchtest mit zwei kleinen Lampen gleichzeitig auf einen Bleistift, der vor einer weißen Wand steht.
- a) Wie viele Schatten siehst du?
- b) Wie nennt man den Bereich, in den von keiner Lampe Licht gelangt, und wie nennt man den Bereich, in den nur von einer Lampe Licht gelangt?
Ordne die Begriffe zu: Kernschatten, Halbschatten, Lichtquelle, Schattenraum, Schirm. a) Welche zwei dieser Begriffe bezeichnen die beiden Teilbereiche des Schattenraums…
Ordne die Begriffe zu: Kernschatten, Halbschatten, Lichtquelle, Schattenraum, Schirm.
- a) Welche zwei dieser Begriffe bezeichnen die beiden Teilbereiche des Schattenraums hinter einem Gegenstand?
- b) Wann entsteht ein Halbschatten: bei einer punktförmigen oder bei einer ausgedehnten Lichtquelle?
Eine Leuchtstoffröhre ($20\ \text{cm}$ lang, senkrecht) beleuchtet eine undurchsichtige Kugel mit $5\ \text{cm}$ Durchmesser. Auf einem Schirm dahinter siehst du in der…
Eine Leuchtstoffröhre ($20\ \text{cm}$ lang, senkrecht) beleuchtet eine undurchsichtige Kugel mit $5\ \text{cm}$ Durchmesser. Auf einem Schirm dahinter siehst du in der Mitte einen dunklen Bereich, der von einem helleren Bereich umgeben ist.
- a) Benenne beide Bereiche.
- b) Erkläre, wie sie entstehen, indem du beschreibst, von welchen Teilen der Lichtquelle Licht dorthin gelangt.
- c) Was passiert mit dem Kernschatten, wenn der Schirm weiter von der Kugel entfernt wird?
Schatten konstruieren
Mit Lichtstrahlen kannst du den Schatten zeichnen. Du zeichnest Strahlen von der Lampe an den Rändern des Gegenstandes vorbei bis zum Schirm. Dazwischen liegt der Schatten.
Weil sich das Licht geradlinig ausbreitet, sind Gegenstand und Schatten ähnliche Figuren: Hat der Schirm den doppelten Abstand von der Lampe, ist der Schatten doppelt so groß.
Auch die Sonne lässt sich so beschreiben. Sie ist so weit weg, dass ihre Strahlen bei uns praktisch parallel sind. Dann gilt: Zwei Gegenstände, die gleichzeitig Schatten werfen, verhalten sich wie ihre Schatten. Die Länge des Schattens ist also proportional zur Höhe.
Morgens und abends steht die Sonne tief, ihre Strahlen fallen flach ein, die Schatten sind lang. Mittags steht sie hoch, die Schatten sind kurz.
Eine punktförmige Lampe steht $50\ \text{cm}$ vor einer quadratischen Pappe mit der Seitenlänge $10\ \text{cm}$. Die Wand ist $150\ \text{cm}$ von der Lampe entfernt. a)…
Eine punktförmige Lampe steht $50\ \text{cm}$ vor einer quadratischen Pappe mit der Seitenlänge $10\ \text{cm}$. Die Wand ist $150\ \text{cm}$ von der Lampe entfernt.
- a) Beschreibe die Konstruktion des Schattens mit Lichtstrahlen.
- b) Berechne die Seitenlänge des Schattens auf der Wand.
- c) Gibt es bei dieser Lampe einen Halbschatten? Begründe.
Ein Mast ist $4{,}0\ \text{m}$ hoch und wirft auf ebenem Boden einen Schatten von $6{,}0\ \text{m}$ Länge. Gleichzeitig wirft ein Mensch einen Schatten von…
Ein Mast ist $4{,}0\ \text{m}$ hoch und wirft auf ebenem Boden einen Schatten von $6{,}0\ \text{m}$ Länge. Gleichzeitig wirft ein Mensch einen Schatten von $2{,}1\ \text{m}$.
- a) Berechne die Körpergröße des Menschen.
- b) Warum werden Schatten morgens und abends länger als mittags?
- c) Warum sind die Sonnenstrahlen hier als parallel zu betrachten?
Schatten im Alltag und im Weltall
Im Stadion gibt es vier Flutlichtmasten. Jeder Mast wirft einen eigenen Schatten eines Spielers, also entstehen mehrere Schatten. Wo sich mehrere Schatten überlagern, fehlt das Licht mehrerer Lampen, dort ist es besonders dunkel. Mit mehreren Strahlern sind die einzelnen Schatten schwächer, weil jeder Schatten von den anderen Strahlern noch teilweise aufgehellt wird. So sind der Ball und die Spieler gut zu sehen. Ein einzelner Strahler würde dunkle, scharfe Schatten machen.
Auch im Weltall gibt es Schatten. Bei einer Mondfinsternis stehen die Sonne, die Erde und der Mond in dieser Reihenfolge fast auf einer Linie. Der Mond läuft durch den Schatten der Erde. Weil die Sonne eine ausgedehnte Lichtquelle ist, hat die Erde einen Kernschatten und einen Halbschatten. Im Halbschatten ist der Mond nur etwas dunkler, im Kernschatten wird er deutlich dunkler.
Bei einer Mondfinsternis läuft der Mond durch den Schatten der Erde. a) Zeichne gedanklich Sonne, Erde und Mond und beschreibe, in welcher Reihenfolge sie stehen. b)…
Bei einer Mondfinsternis läuft der Mond durch den Schatten der Erde.
- a) Zeichne gedanklich Sonne, Erde und Mond und beschreibe, in welcher Reihenfolge sie stehen.
- b) Erkläre, warum es einen Kernschatten und einen Halbschatten der Erde gibt.
- c) Der Mond tritt zuerst in den Halbschatten ein. Wie verändert sich seine Helligkeit, wenn er in den Kernschatten eintritt?
Eine kugelförmige Lampe (Durchmesser $30\ \text{cm}$) leuchtet auf eine Scheibe mit $10\ \text{cm}$ Durchmesser, die $1{,}0\ \text{m}$ von der Lampenmitte entfernt ist.…
Eine kugelförmige Lampe (Durchmesser $30\ \text{cm}$) leuchtet auf eine Scheibe mit $10\ \text{cm}$ Durchmesser, die $1{,}0\ \text{m}$ von der Lampenmitte entfernt ist. Die Wand steht $1{,}0\ \text{m}$ hinter der Scheibe.
- a) Erkläre mit einer Strahlenkonstruktion (Beschreibung), warum ein Kernschatten nicht entsteht oder nur sehr klein ist.
- b) Beurteile, wie sich ein Halbschatten verhält, wenn die Wand noch weiter entfernt wird.
- c) Wie müsste man die Lampe verändern, damit der Schatten möglichst scharf wird?
Bei einem Fußballspiel im Dortmunder Stadion leuchten vier Flutlichtmasten das Spielfeld aus. Spieler haben deshalb mehrere Schatten, die unterschiedlich dunkel sind. a)…
Bei einem Fußballspiel im Dortmunder Stadion leuchten vier Flutlichtmasten das Spielfeld aus. Spieler haben deshalb mehrere Schatten, die unterschiedlich dunkel sind.
- a) Erkläre, warum mehrere Schatten entstehen.
- b) Begründe, warum Bereiche, in denen sich mehrere Schatten überlagern, besonders dunkel sind.
- c) Warum entstehen mit nur einem Strahler sehr dunkle, scharfe Schatten, und warum ist das für das Spiel ungünstig?
Zurück zum Anfang: Im Stadion entstehen mehrere Schatten, weil jeder Flutlichtmast eine eigene Lichtquelle ist. Dein Schatten in der Sonne ist scharf, weil die Sonne weit entfernt ist.