Erklärt wird: Lichtquellen, die Ausbreitung von Licht, Licht und Schatten, vom Sehen, die Reflexion des Lichts, Schatten und Kernschatten ...

1 Warum ist die Sonne gelb?
Sonneuntergang

Warum ist die Sonne gelb und wieso ist der Himmel blau und weshalb ist der Nebel weiß?

Wie entsteht Tag und Nacht, Sommer und Winter und wie entsteht eine Mondfinsternis.

Diese und viele weitere Fragen werden in der Optik behandelt. Wenn du eine Antwort darauf haben möchtest, dann findest du sie hier.

2 Verschiedene Lichtquellen
wordcloud: verschiedene Lichtquellen

Stellt euch als Gruppe im Schulhof in einen Kreis und notiert mit Kreide verschiedene Lichtquellen auf den Boden. Versucht Unterschiede zwischen den Lichtquellen heraus zu arbeiten.

Körper, die Licht erzeugen oder aussenden, sind Lichtquellen. Während die Sonne eine natürliche Lichtquelle ist, sind Kerzen und Leuchtmittel künstliche Lichtquellen. Man unterscheidet: Künstliche Lichtquellen sind vom Menschen gemacht.

Ein weiteres Kriterium zum Unterscheiden: Es gibt indirekte Lichtquellen, sie werden selbst beleuchtet und geben das Licht weiter.

Und es gibt verschiedene Farben: rot, orange, gelb, grün, blau, violett

3 Die Ausbreitung des Lichts
Lasershow

Licht breitet sich geradlinig aus. Die Lichtstrahlen der Lasershow die im Nebel sichtbar werden zeigen dies.

Licht können wir aber nur sehen wenn es direkt unser Auge trifft oder aber von einem Gegenstand zu unserem Auge reflektiert wird. Während sehr glatte Oberflächen, wie ein Spiegel, das Licht nur in eine Richtung reflektieren, sind die meisten Oberflächen, wie bspw. Papier, rau und reflektieren das Licht in alle Richtungen.

Auch der Nebel, der aus vielen kleinen Tröpfchen besteht, reflektiert das Licht in alle Richtungen.

4 Farbe, Farbmischung, Reflexion und Absorption
additive Farbmischung

Sonnenlicht setzt sich aus verschiedenen Farben zusammen. Bei der additiven Farbmischung durch Licht ergibt sich die Farbe weiß. Kein Licht bedeutet hingegen die Farbe schwarz. Bei der subtraktiven Farbmischung von Malfarben ergeben hingengen alle Farben die Farbe schwarz.

Rote Stoffe reflektieren rotes Licht und absorbieren (aufnehmen) die anderen Farben. Ein Blatt z.B. reflektiert grünes Licht in alle Richtungen. Der grüne Blattfarbstoff Clorophyll absorbiert die anderen Farben und nutzt die Energie zum Wachstum. Schwarze Stoffe wie Teer absorbieren alle Farben und wandeln die Energie in Wärme um, weshalb es unangenehm ist auf Teer barfuß zu laufen.

Auf dem Weg des Sonnenlichts zu uns, wird das blaue Licht an den Luftmolekühlen reflektiert. Der Himmel erscheint blau und dem Sonnenlicht fehlt diese Farbe, weshalb die Sonne gelb erscheint.

5 Reflexion, Absorption und Transmission
grüne Blätter

Schauen wir uns ein grünes Blatt genauer an, so beobachten wir, dass ein Teil des Lichts an der Oberfläche reflektiert wird. Ein weiterer Teil des Lichts wird vom Clorophyll aufgenommen, sprich absorbiert und in eine andere Energieform umgewandelt. Der letzte Teil geht durch das Blatt hindurch. Für den Reflexionsgrad $\rho$, den Absorptionsgrad $\alpha$ und den Transmissionsgrad $\tau$ gilt:

$$\rho + \alpha + \tau = 100~\%$$
Spie­gel $\rho \hspace{-1mm}=\hspace{-1mm} 0,9$ $\alpha \hspace{-1mm}=\hspace{-1mm} 0,1$ $\tau \hspace{-1mm}=\hspace{-1mm} 0$
Glas $\rho \hspace{-1mm}=\hspace{-1mm} 0,1$ $\alpha \hspace{-1mm}=\hspace{-1mm} 0,02$ $\tau \hspace{-1mm}=\hspace{-1mm} 0,88$
6 Reflexionsgesetz
Skizze Reflexionsgesetz

Schauen wir uns die Reflexion etwas genauer an, können wir folgendes beobachten: Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel.

$$\delta_1 = \delta_2$$

Das Lot steht senkrecht auf der Oberfläche. Wir benötigen es um die Winkel zu bestimmen, denn diese messen wir vom Strahl bis zum Lot.

Wusstest Du, dass das Reflexionsgesetz auch auf Wasser gilt? Durch die Wellen ändert sich das Lot und somit der Reflexionswinkel ständig und es wird mal mehr und weniger Licht reflektiert. Das Wasser glitzert.



Aufgabe 1 Farben, Farbmischung, Reflexion und Absorption

Blauer Himmel und weißer Schnee

Beantworte folgende Fragen:

  • Warum ist der Himmel blau und der Schnee weiß?
  • Wieso ist ein Blatt grün?
  • Warum sieht man ein Spiegelbild innerhalb des Spiegels?
  • Wie weit ist das Bild und Spiegelbild jeweils von der Spiegeloberfläche entfernt?
  • Wieso ist die Sonne von der Erde aus gelb und vom Weltall gesehen weiß?
  • Warum erscheint Nebel weiß und der Teer schwarz?
  • Warum ist der Himmel blau und der Schnee weiß?
    Die Molekühle der Luft reflektieren vor allem blaues Licht, Schnee hingegen refelktiert alle Farben.
  • Wieso ist ein Blatt grün?
    Blätter reflektieren grünes Licht.
  • Warum sieht man ein Spiegelbild innerhalb des Spiegels?
    Unser Auge weiß nicht, dass es um die Ecke sieht.
  • Wie weit ist das Bild und Spiegelbild jeweils von der Spiegeloberfläche entfernt?
    Genau gleich weit.
  • Wieso ist die Sonne von der Erde aus gelb und vom Weltall gesehen weiß?
    Das blaue Licht der Sonne wird in der Atmossphäre gestreut. Somit wird die Farbe blau von weiß entfernt und übrig bleibt gelb. Im Weltall ist das Sonnenlicht noch komplett.
  • Warum erscheint Nebel weiß und der Teer schwarz?
    Während Nebel alle Farben reflektiert, absorbiert (aufnehmen) Teer alle Farben. Werden alle Farben der Sonne reflektiert erscheint es für uns weiß, wird nichts reflektiert erscheint für uns schwarz.


Aufgabe 2 Absorption, Reflexion, Transmission

Finde heraus oder schätze ab, wie hoch der Absorptions-, Reflexions- und Transmissionsgrad für folgende Stoffe ist:

  • Aquarium,
  • Teer,
  • Acrylgas (auch Plexiglas genannt),
  • Wolken.
  • Suche dir einen eigenen Gegenstand heraus.
Fluss

Gegenstand $\rho$ $\alpha$ $\tau$
Aquarium $20~\%$ $5~\%$ $75~\%$
Teer $5~\%$ $95~\%$ $0~\%$
Plexiglas $5~\%$ $10~\%$ $85~\%$
Wolken $10~\%$ $50~\%$ $40~\%$
Blatt Papier $10~\%$ $50~\%$ $40~\%$
schwarzes Loch $0~\%$ $100~\%$ $0~\%$


Experiment 1 Unser Sonnensystem - Idee: M. Kramer

Kerze

Wir verwandeln unser Klassenzimmer in ein interaktives Planetarium.
Stelle dazu eine Kerze oder die Smartphone-LED auf einen Tisch in die Mitte des Raumes. Stellt euch als exakten Kreis um den Tisch. Die Kerze oder LED hat die Rolle der Sonne. Jeder von Euch schlüpft in die Rolle der Erde. Nun kann es losgehen:

  1. Die Erde dreht sich um die eigene Achse: Wann geht die Sonne auf und unter? Wie rum dreht die Erde sich? Wo ist Osten und Westen?
  2. Ein Jahr: Der ganze Kreis rotiert. Wir lassen zusätzich ein paar Tage im Zeitraffer verstreichen. Wir müssen uns jeden Tag etwas mehr als 360 Grad drehen. Tatsächlich dauert eine Erdrotation nur 23 h 56 min.

Durch Wind und Wetter ist in vielen Jahren ein Loch von rund 30 Metern Durchmesser entstanden, das sagenumwobene Martinsloch. Jeweils am 13./14. März und am 30. September/01. Oktober scheint die Sonne durch das Loch auf den Kirchturm von Elm. Doch bei genaueren Untersuchungen stellt sich heraus, die Zeit verschiebt sich jedes Jahr um etwa ein Viertel Tag.

Martinsloch

  1. Das Schaltjahr: Tatsächlich benötigt die Erde für eine Rotation um die Sonne 365,24... Eigenumdrehungen. Pro Tag bleibt etwa ein Viertel Tag unberücksichtigt: Der Greogarianische Kalender
  2. Jahreszeiten: Wir kippen unsere Körperachse und somit bekommt unsere Nasenspitze Mittags um 12 Uhr mal mehr und weniger Licht ab.
  3. Sonnen und Mondfinsternis: Nimmm einen Radiergummie oder dein Mäppchen in die Hand. Wann entsteht eine Sonnen- und wann eine Mondfinsternis?
  4. Die Mondphasen: Beklebe einen dunklen Ball einseitig mit hellem Krepppapier. Stellt euch als Klasse in die Mitte und eine Person lässt den Ball um euch rotieren. Gibt es eine Sonnenfinsternis nur bei Neumond?

Hier die Schülerlösungen der Klasse 7 an der CDSC im Anschluß an das Experiment mit der Fragestellung: "Welche Auswirkung haben folgende Eigenschaften der Körper in unserem Sonnensystem?"

  1. Die Erde dreht sich um die eigene Achse:
    Es gibt Tag und Nacht,
    1 Drehung dauert 23h 56min,
    es gibt Ruhe- und Arbeitszeiten,
    jedes Land bekommt Sonne - wenn auch mit Zeitverschiebung
  2. Die Erde dreht sich um die Sonne:
    Es gibt Jahre mit Sylvester und Neujahr,
    es gibt verschiedene Sternenhimmel,
    1 Jahr dauert 365,24.. Tage. Deshalb gibt es ca. alle 4 Jahre ein Schaltjahr.
  3. Die Erde dreht sich um die eigene Achse und gleichzeitig um die Sonne:
    Die Erde muß jeden Tag etwas weiter drehen: 1 Tag = 24 Stunden
  4. Die Erdachse ist gekippt und die Erde rotiert um die Sonne:
    Es gibt Jahreszeiten mit warm und kalt
    Es gibt Ruhezeiten für die Pflanzen und Winterschlaf für Tiere
  5. Sonnenfinsternis: Der Mond steht zwischen Erde und Sonne. Da der Mond sehr klein ist sie sehr kurz und häufig nur partiell.
  6. Mondfinsternis: Die Erde steht zwischen Mond und Sonne. Da die Erde größer ist dauert sie mehrere Stunden.
  7. Mondphasen: Der Mond wird aus Sicht der Erde nur teilweise angestrahlt, bei Neumond gar nicht und bei Vollmond komplett.

Quellenangabe:
Lust auf mehr interaktive Experimente? Eine ausführliche Beschreibung und viele weitere Experimente findest du hier:
M. Kramer, "Physik als Abenteuer", Band 1, Aulis Verlag 2011



Experiment 2 Das Reflexionsgesetz - Idee: M. Kramer

Wir dunkeln unser Klassenzimmer ab und tauchen in die Welt der Taschenlampen ein. Für dieses Experiment habt ihr 15 Minuten Zeit. Gruppengröße: 3 - 4.
Ihr benötigt: Spiegel, Taschenlampe oder Smartphonetaschenlampe, etwas Knete, 2 Trinkhalme. Löst nun folgende Aufgaben:

  1. Schaltet die Taschenlampe ein und versucht das Licht mit Hilfe des Spiegels an einen weißen Ort im Klassenzimmer zu reflektieren. In welchem Winkel muß der Spiegel gehalten werden, damit es funktioniert?
  2. Nun wollen wir die Lichtstrahlen mit zwei Trinkhalmen nachbilden. Befestigt mit etwas Knetmasse die Trinkhalme so auf den Spiegel, wie das Licht einfällt und refelktiert wird.
  3. Formuliere auf Basis eurer Beobachtung das Reflexionsgesetz. Fertige eine Zeichnung an.

Spiegel und Trinkhalme

Hier einige Schülerlösungen der Klasse 7 an der CDSC:

  1. Reflexion einer Taschenlampe

  2. Modell Reflexionsgesetz

  3. Reflexiosgesetz

  4. Quellenangabe:
    Lust auf mehr interaktive Experimente? Eine ausführliche Beschreibung und viele weitere Experimente findest du hier:
    M. Kramer, "Physik als Abenteuer", Band 1, Aulis Verlag 2011



Aufgabe 3 Reflexionsgesetz

Konstruiere jeweils den anderen Lichtstrahl.

Strahlverlauf
Strahlverlauf

Strahlverlauf
Strahlverlauf


Experiment 3 Das Spiegelbild - Idee: M. Kramer

Spiegelbild in einem See

Wie groß muss ein Spiegel mindestens sein, damit man sich darin komplett sieht und wie weit darf man dabei vom Spiegel entfernt sein?

Um das Rätsel zu lösen, erledige folgenden Auftrag:

  1. Stelle dich vor einen Spiegel und öffne nur ein Auge. Während du deinen Kopf still hälst zeichnest du mit einem Whiteboardmarker oder Schminke den Umriss deines Kopfes an den Spiegel.
  2. Entferne dich nun langsam von dem Spiegel. Passt der Kopf noch in den Umriss?
  3. Wusstest du das schon? Solltest du versehentlich mit einem permanenten Marker gezeichnet haben, kannst du diesen mithilfe eines nicht permanenten Markes wieder entfernen. Male darüber und dann kannst du es mit einem Tuch wegwischen.

Hier eine Lösungsmöglichkeit:
Der Spiegel muß aufgrund des Reflexionsgesetztes genau halb so groß wie der Mensch sein.

Konstruktion des Spiegelbildes

Quellenangabe:
Lust auf mehr interaktive Experimente? Eine ausführliche Beschreibung und viele weitere Experimente findest du hier:
M. Kramer, "Physik als Abenteuer", Band 1, Aulis Verlag 2011



Entspann dich erst mal ...

Wie wäre es mit einer Lasershow?

Aufgabe 4 Das Schaufenster - Idee: M. Kramer

Ein Zeuge behauptet, dass er den Verdächtigen gesehen hat. Die Polizei fragt sich, ob dass überhaupt sein kann.

  1. Kannst du ihr helfen?

Die Polizei ist begeistert von deinen Fähigkeiten und möchte das genauer wissen.

  1. Konstruiere eine Zeichnung aus der hervorgeht, wo exakt der Zeuge die Person gesehen hat.
  2. Was würde passieren, wenn der Innenraum hinter dem Schaufenster sehr hell beleuchtet wäre?
Skizze


Strahlverlauf


Experiment 4 Indirekte Lichtquelle, Schatten und Kernschatten

Schattenbildung am Spiegel

Bei diesem Thema werden direkte, indirekte und virtuelle Lichtquellen behandelt und das Thema Schatten.

Um das Rätsel zu lösen, benötigt ihr folgende Materialien: einen Spiegel, etwas Knete um ihn zu fixieren, eine Kerze und eine Streichholzschachtel oder vergleichbaren Gegenstand.

Zeitdauer: 45 Minuten

  1. Baue die Anordnung auf.
  2. Welchen Schatten wirft die Kerze, wenn das Umgebungslicht ausgeschaltet wird?
  3. Konstruiere in einer Zeichnung das Schattenbild indem du den Strahlenverlauf zeichnest.

Hier ein Foto:

Schattenbildung am Spiegel

Quellenangabe:
Lust auf mehr interaktive Experimente? Eine ausführliche Beschreibung und viele weitere Experimente findest du hier:
M. Kramer, "Physik als Abenteuer", Band 1, Aulis Verlag 2011



Wortliste und Satzbausteine



die in­direkte Licht­quelle, -n Wird ein Gegenstand von einer Lichtquelle beleuchtet, reflektiert er wie der Mond einen Teil des Lichts.
das weiße Licht Weißes Licht besteht aus den Farben rot, orange, gelb, grün, blau und violett.
die Licht­streuung, -keine Mehrzahl Licht wird an Luft oder Nebel in alle Richtungen reflektiert.
die Ab­sorption, -en Wird Licht absorbiert, wird es in Wärme umgewandelt.
die Re­flexion, -en Wird Licht reflektiert, wird es zurück geworfen.
Die Trans­mission, -en Wird Licht transmittiert, scheint es durch einen Gegenstand hindurch.
das Lot, -e eine Linie die senkrecht auf der Oberfläche steht
der Einfalls­winkel, ~ Winkel in welchem ein Strahl auf die Oberfläche trifft. Er wird zum Lot hin gemessen.
das Schalt­jahr, -e Da die Erde jedes Jahr etwa 6 Stunden zusätzlich benötigt für eine Roatation um die Sonne benötigt haben wir alle 4 Jahre ein zusätzlichen Tag im Jahr, der 29. Februar.
die Mond­phasen, keine Mehr­zahl Vollmond, Neumond und Halbmond
die Mond­finster­nis, -en Der Mond verschwindet im Kernschatten der Erde.
der Schat­ten, ~ Der Schatten ist der Bereich der von einer Lichtquelle nicht getroffen wird und deshalb unsichtbar ist. Ein Kernschatten tritt bei mehreren Lichtquellen auf: Es ist der Bereich der von keiner der Lichtquellen getroffen wird.


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