Lektion 2.1

Licht und Schatten, Finsternisse und Mondphasen

15 min Lesezeit

Du stehst an einem sonnigen Tag auf dem Schulhof. Hinter dir liegt dein Schatten auf dem Boden. Am Mittag ist er kurz, am späten Nachmittag ist er lang. Warum?

Am Abend siehst du den Mond. Mal ist er eine schmale Sichel, mal ein runder Kreis. Manchmal wird er dunkel und rötlich. Und selten schiebt sich am Tag eine dunkle Scheibe vor die Sonne.

Du lernst, wie sich Licht ausbreitet. Damit erklärst du Schatten, Mondphasen und Finsternisse.

Definition

Lichtquelle und beleuchteter Körper

Eine Lichtquelle sendet selbst Licht aus. Beispiele: die Sonne, eine Kerzenflamme, eine eingeschaltete Taschenlampe. Ein beleuchteter Körper leuchtet nicht selbst. Er wirft nur Licht zurück, das auf ihn fällt. Beispiele: ein Buch, eine Wand, der Mond.

Du siehst etwas nur, wenn Licht in dein Auge fällt. Beim Buch läuft das Licht von der Lampe zum Buch und vom Buch in dein Auge. Man nennt das die Sender-Empfänger-Vorstellung. Der Sender ist die Lichtquelle oder der beleuchtete Körper, der Empfänger ist dein Auge. Dein Auge sendet nichts aus. Im Dunkeln siehst du nichts, weil kein Licht in dein Auge gelangt.

Definition

Geradlinige Ausbreitung, Lichtstrahl und Lichtbündel

Licht breitet sich in Luft geradlinig aus, also in geraden Linien. Du siehst das an Scheinwerferlicht im Nebel: Es bildet gerade Streifen. Oder du hältst drei Pappen mit je einem Loch hintereinander. Du siehst nur dann durch alle Löcher auf eine Kerze, wenn die Löcher auf einer geraden Linie liegen.

Darum zeichnet man Licht als Lichtstrahl: eine gerade Linie mit Pfeil, der die Richtung zeigt. Das ist ein Modell, also eine vereinfachte Vorstellung. So dünn ist Licht in Wirklichkeit nicht, aber der Strahl hilft beim Zeichnen. Viele Strahlen nebeneinander heißen Lichtbündel. Eine sehr kleine Lichtquelle nennt man punktförmig. Von ihr gehen die Strahlen wie ein Fächer in alle Richtungen aus.

Definition

Schatten

Licht läuft geradeaus und kann nicht um die Ecke. Trifft es auf einen Gegenstand, kommt hinter ihm kein Licht an. Dieser dunkle Raum heißt Schatten. Fängst du ihn auf einer Wand oder dem Boden auf, siehst du einen dunklen Fleck. Diese Fläche heißt Schirm.

Bei einer punktförmigen Lampe sind die Strahlen ein Fächer. Je weiter der Schirm hinter dem Gegenstand steht, desto breiter ist der Fächer und desto größer der Schatten. Rückt die Lampe näher an den Gegenstand, wird der Schatten ebenfalls größer.

Beispiel

Wie groß ist der Schatten?

Eine kleine Lampe steht 20 cm vor einer Pappfigur. Die Figur ist 10 cm hoch. Hinter der Figur steht im Abstand von 20 cm eine Wand. Wie hoch ist der Schatten auf der Wand?

Die Figur ist 20 cm von der Lampe entfernt. Die Wand ist 20 cm + 20 cm = 40 cm von der Lampe entfernt. 40 cm ist das Doppelte von 20 cm. Der Fächer ist an der Wand doppelt so breit wie an der Figur. Der Schatten ist also 2 mal 10 cm = 20 cm hoch.

Rückst du die Wand auf 40 cm hinter die Figur, ist sie 20 cm + 40 cm = 60 cm von der Lampe entfernt. Das ist das Dreifache von 20 cm. Der Schatten ist dann 3 mal 10 cm = 30 cm hoch.

Regel: Der Schatten ist so viel mal größer als der Gegenstand, wie der Schirm weiter von der Lampe entfernt ist als der Gegenstand.

Schatten und Abstand ausprobieren

Stelle den Regler "Abstand Lampe – Gegenstand" auf kleinere Werte: Die Lampe rückt näher an den Gegenstand, und der Schatten wird größer. Stelle dann den Regler "Abstand Gegenstand – Schirm" auf größere Werte: Der Schirm rückt weiter weg, und der Schatten wird noch größer. Unter der Zeichnung steht, wie hoch der Schatten ist.

Definition

Kernschatten und Halbschatten

Eine große Lichtquelle, zum Beispiel eine breite Zimmerlampe, wirft einen anderen Schatten als eine punktförmige. Stell dir zwei Lampen nebeneinander vor, die einen Ball beleuchten. Jede wirft ihren eigenen Schatten.

  • Im Kernschatten kommt von keiner Lampe Licht an. Hier ist es ganz dunkel.
  • Im Halbschatten kommt Licht von einer Lampe an, von der anderen nicht. Hier ist es nur halb dunkel.

Eine große Lichtquelle wirkt wie sehr viele Lampen nebeneinander. Ihr Schatten hat deshalb einen Kern und einen Rand aus Halbschatten, der nach außen allmählich heller wird. Darum ist der Schatten deiner Hand unter einer Zimmerlampe am Rand unscharf.

Definition

Mondphasen

Der Mond ist ein beleuchteter Körper. Die Sonne beleuchtet immer die Hälfte des Mondes, die ihr zugewandt ist. Die andere Hälfte ist dunkel, genau wie bei einem Ball im Sonnenlicht. Der Mond läuft in etwa einem Monat einmal um die Erde. Dabei sehen wir von der Erde aus mal die helle Hälfte, mal die dunkle und mal einen Teil von beiden. Die Gestalt, in der wir den Mond sehen, heißt Mondphase.

Stellung des MondesDas sehen wirName
zwischen Sonne und Erdedie dunkle Hälfte, der Mond ist kaum zu sehenNeumond
ein Viertel des Umlaufs später, seitlich von der Erderechte Hälfte der Scheibe hellzunehmender Halbmond
hinter der Erde, von der Sonne aus gesehenganze Scheibe hellVollmond
ein weiteres Viertel später, seitlich von der Erdelinke Hälfte der Scheibe hellabnehmender Halbmond

Von Neumond bis Vollmond wird der helle Teil größer. Das ist der zunehmende Mond. Von Vollmond bis Neumond wird er kleiner. Das ist der abnehmende Mond. In Deutschland ist beim zunehmenden Mond die rechte Seite hell, beim abnehmenden die linke. Zwischen Neumond und Halbmond siehst du eine Sichel, zwischen Halbmond und Vollmond einen Mond, der mehr als halb hell ist. Von einem Neumond bis zum nächsten vergehen etwa 29,5 Tage.

Definition

Sonnenfinsternis und Mondfinsternis

Auch Erde und Mond werfen Schatten ins Weltall. Gerät ein Körper in den Schatten des anderen, gibt es eine Finsternis.

  • Bei einer Sonnenfinsternis steht der Mond genau zwischen Sonne und Erde. Es ist Neumond. Sein Schatten fällt auf die Erde. Wer im kleinen Kernschatten steht, sieht die Sonne ganz verdeckt. Wer im großen Halbschatten steht, sieht sie nur teilweise verdeckt.
  • Bei einer Mondfinsternis steht die Erde genau zwischen Sonne und Mond. Es ist Vollmond. Der Mond wandert durch den Schatten der Erde. Er wird dunkel und meist rötlich, weil ein wenig Licht durch die Lufthülle der Erde zu ihm gelangt.

Nicht jeder Neumond bringt eine Sonnenfinsternis und nicht jeder Vollmond eine Mondfinsternis. Die Bahn des Mondes ist ein wenig gegen die Bahn der Erde um die Sonne geneigt. Meist wandert der Mond deshalb knapp über oder unter dem Schatten vorbei.

Definition

Lochkamera

Eine Lochkamera ist ein dunkler Kasten mit einem sehr kleinen Loch vorn. Die Rückwand ist ein Schirm aus dünnem Papier. Stellst du eine Kerze vor das Loch, erscheint auf dem Schirm ein Bild der Kerze. Es steht auf dem Kopf. Der Grund ist die geradlinige Ausbreitung: Von der Flammenspitze geht ein Strahl durch das Loch nach unten und trifft den Schirm unten. Vom Kerzenfuß geht ein Strahl durch das Loch nach oben.

Wie beim Schatten gilt: Das Bild ist so viel mal kleiner als die Kerze, wie die Kerze weiter vom Loch entfernt ist als der Schirm. Die Größe des Lochs bestimmt die Qualität. Ein sehr kleines Loch gibt ein scharfes, aber dunkles Bild. Ein größeres Loch macht das Bild heller, aber unscharf, weil von jedem Punkt der Kerze ein dickeres Bündel durchkommt und einen Fleck statt eines Punktes malt.

Beispiel

Wie groß ist das Bild?

Eine Kerze ist 12 cm hoch und steht 30 cm vor dem Loch einer Lochkamera. Der Schirm ist 10 cm vom Loch entfernt. Wie hoch ist das Bild?

Die Kerze ist 30 cm vom Loch entfernt, der Schirm nur 10 cm. 30 cm sind das Dreifache von 10 cm. Das Bild ist deshalb ein Drittel so hoch wie die Kerze. 12 cm geteilt durch 3 sind 4 cm. Das Bild ist 4 cm hoch und steht auf dem Kopf.

Häufige Fehler

Das Auge schickt Sehstrahlen aus

„Ich sehe den Baum, weil mein Auge einen Strahl zu ihm schickt.“

Richtig ist

Das Auge ist ein Empfänger. Das Licht läuft von der Lichtquelle zum Baum und vom Baum in dein Auge. Würde das Auge Strahlen aussenden, könntest du auch im Dunkeln sehen.

Häufige Fehler

Die Mondphasen kommen vom Erdschatten

„Bei Halbmond liegt ein Teil des Mondes im Schatten der Erde.“

Richtig ist

Der Erdschatten trifft den Mond nur bei einer Mondfinsternis, und die ist selten. Die Mondphasen entstehen anders: Die Sonne beleuchtet immer eine Hälfte des Mondes. Wir sehen je nach Stellung des Mondes mehr oder weniger von dieser hellen Hälfte.

Zusammenfassung

  • Eine Lichtquelle leuchtet selbst, ein beleuchteter Körper wirft nur Licht zurück. Du siehst etwas, wenn Licht in dein Auge fällt.

  • Licht breitet sich geradlinig aus. Man zeichnet es als Lichtstrahl, viele Strahlen sind ein Lichtbündel.

  • Ein Schatten ist der Raum hinter einem Gegenstand ohne Licht. Er wird größer, wenn die Lampe näher am Gegenstand oder der Schirm weiter weg steht.

  • Im Kernschatten kommt von keiner Lampe Licht an, im Halbschatten nur von einem Teil der Lichtquelle.

  • Die Mondphasen entstehen, weil wir je nach Stellung des Mondes verschieden viel von seiner hellen Hälfte sehen. Sie wiederholen sich nach etwa 29,5 Tagen.

  • Bei Neumond kann es eine Sonnenfinsternis geben, bei Vollmond eine Mondfinsternis.

  • Eine Lochkamera zeigt ein Bild, das auf dem Kopf steht.

Übungen

Aufgabe 1Numerisch

Eine kleine Lampe steht 15 cm vor einem Gegenstand, der 4 cm hoch ist. Die Wand steht 45 cm hinter dem Gegenstand. Wie hoch ist der Schatten auf der Wand, in Zentimetern?

Aufgabe 2Multiple Choice

Bei welcher Mondphase kann es eine Mondfinsternis geben?

Aufgabe 3Numerisch

Eine Kerze ist 15 cm hoch und steht 60 cm vor dem Loch einer Lochkamera. Der Schirm ist 20 cm vom Loch entfernt. Wie hoch ist das Bild auf dem Schirm, in Zentimetern?

Aufgabe 4Multiple Choice

Bei uns ist die linke Hälfte des Mondes hell, die rechte Hälfte dunkel. Was stimmt?

Aufgabe 5Freitext

Erkläre mit Lichtstrahlen, warum das Bild in einer Lochkamera auf dem Kopf steht.