Ausbreitung des Lichts¶
Als Licht werden elektromagnetische Wellen bezeichnet, die im
Empfindlichkeitsbereich des menschlichen Auges liegen. Das für den Menschen
sichtbare Licht besitzt eine Wellenlänge von (violett)
bis
(rot).
Lichtquellen¶
Objekte, die selbständig Licht erzeugen und aussenden, heißen selbstleuchtende Objekte oder Lichtquellen.[1] Die meisten Objekte (in der Optik meist „Gegenstände“ genannt) erzeugen selbst kein Licht, sind aber trotzdem sichtbar. Sie werfen einen Teil des auf sie fallenden Lichts zurück. Man nennt sie reflektierende oder beleuchtete Gegenstände.
Gelangt Licht von einem leuchtenden oder beleuchteten Gegenstand in unser Auge, so wird dieser sichtbar. Licht, das nicht in unser Auge fällt, ist unsichtbar (das Weltall erscheint uns deshalb schwarz).
Beispiele:
Selbstleuchtende Objekte:
Sonne, Sterne, Feuer, Glüh- und Leuchtstofflampen, Kerzen, Glühwürmchen, LEDs usw.
Beleuchtete Objekte:
Erde und Mond, Planeten, Gegenstände (Satelliten, Reflektoren, Staubkörnchen usw.)
Das Licht breitet sich von der Lichtquelle – solange es auf kein Hindernis trifft – geradlinig und in alle Richtungen aus:
- Sonnenlicht erhellt alle Himmelskörper, egal in welcher Richtung von der Sonne sie sich befinden.
- Eine Kerze in der Mitte des Zimmers beleuchtet alle Wände sowie die Decke und den Fußboden.
Die Lichtgeschwindigkeit¶
In Vakuum (und näherungsweise auch in Luft) kann sich Licht mit etwa
Kilometer je Sekunde ausbreiten („Lichtgeschwindigkeit“). In
anderen lichtdurchlässigen Stoffen ist die Lichtgeschwindigkeit geringer, in
Wasser kann sich Licht beispielsweise „nur“ mit etwa
Kilometer
je Sekunde ausbreiten.[2]
Medium | Lichtgeschwindigkeit in ![]() |
Vakuum | ![]() |
Luft | ![]() |
Wasser | ![]() |
Quarz | ![]() |
Glas | ![]() |
Diamant | ![]() |
Könnten wir uns mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, so könnten wir die Erde
(Umfang am Äquator: ca. ) in einer Sekunde
mal umkreisen. Im Universum hat das Licht allerdings so große Entfernungen
zurückzulegen, dass man Weglängen teilweise auch in Lichtsekunden, Lichtminuten,
Lichtstunden, Lichttagen oder sogar Lichtjahren angibt. Um von der Sonne auf die
Erde zu gelangen, braucht ein Lichtstrahl rund
Lichtminuten.
Licht- und Beleuchtungsstärke¶
Um die Helligkeit verschiedener Lichtquellen vergleichen zu können, wurde die Lichtstärke als physikalische Größe eingeführt. Erscheint eine Lichtquelle aus gleicher Entfernung heller als eine andere, so besitzt sie eine größere Lichtstärke.
Definition und Einheit:
Die Lichtstärke ist eine Basisgröße des internationalen
Einheitensystems. Ihre Einheit ist das Candela
.
Beispiele:
- Eine Kerzenflamme hat eine Lichtstärke von etwa
.
- Glühlampen haben eine Lichtstärke (je nach Bauart) von
bis
.
- Autoscheinwerfer haben eine Lichtstärke von rund
.
Während die Lichtstärke eine Eigenschaft der Lichtquelle
ist, gibt die Beleuchtungsstärke
an, welcher Anteil des
Lichts auf eine bestimmte Fläche trifft.
Da sich das Licht gleichmäßig in alle Richtungen ausbreitet, verteilen sich die Lichtstrahlen auf immer größere Flächen. Die Beleuchtungsstärke nimmt in gleichem Maß ab, wie die Oberfläche der mit Licht durchfluteten (Kugel-)Fläche zunimmt.
Formel und Einheit:
Die Beleuchtungsstärke
ist umso größer, je größer die Lichtstärke
der Lichtquelle ist. Gleichzeitig nimmt die Beleuchtungsstärke quadratisch mit dem Abstand
von der Lichtquelle ab. Insgesamt gilt:
Die Beleuchtungsstärke wird in Lux
angegeben.
Je nach Tätigkeit werden unterschiedliche Beleuchtungsstärken als angenehm empfunden.
Beispiele:
- Eine Kerzenflamme hat in
Abstand eine Beleuchtungsstärke von etwa
aufweisen.
- Verkehrswege sollten eine Beleuchtungsstärke von mindestens
aufweisen.
- Die empfohlene Beleuchtungsstärke beträgt für Wohnräume
bis
; in Büros sind auch Beleuchtungsstärken von
nicht unüblich.
- Die empfohlene Beleuchtungsstärke zum Lesen und Schreiben liegt bei
bis
.
Sonnenlicht kann im Sommer eine Beleuchtungsstärke von bis
hervorrufen, an einem trüben Wintertag nur etwa
bis
. Das Licht eines Vollmondes
bei klarer Nacht hat lediglich eine Beleuchtungsstärke von rund
.
Die Lichtdurchlässigkeit¶
Licht durchlässige Gegenstände gibt es auf zweierlei Arten:
- Durchsichtige Objekte (beispielsweise Fensterglas) lassen Licht so hindurch, dass Gegenstände hinter ihnen zu erkennen sind.
- Durchscheinende Objekte (beispielsweise Mattglas) lassen Licht so hindurch, dass Gegenstände hinter ihnen nicht zu erkennen sind.
Die Lichtdurchlässigkeit eines Objekts hängt vom Material und von der Schichtdicke ab. Wasser beispielsweise ist in dünnen Schichten Licht durchlässig, in dicken nicht; in großen Meerestiefen herrscht völlige Dunkelheit.
Licht undurchlässige Gegenstände (beispielsweise Metall, Karton usw.) lassen kein Licht hindurch, sie sind undurchsichtig – vorausgesetzt, dass sie eine ausreichende Materialstärke aufweisen. Beispielsweise sind sehr dünne Papierschichten durchscheinend, obwohl Papier an sich undurchsichtig ist.
Blenden und Schatten¶
Durch Licht undurchlässige Gegenstände kann die Ausbreitung des Lichts begrenzt werden.
Die Blende
Eine Blende ist eine kleine, meist runde Öffnung in einem ansonsten undurchsichtigen Gegenstand. Durch eine Blende gelangt nur ein Teil des Lichts, ein „Lichtbündel“, hindurch. Dieses Lichtbündel kann zeichnerisch durch die Bündelachse und Randstrahlen dargestellt werden.
Der Schlagschatten
Wird ein undurchsichtiger Gegenstand von einer kleinen (punktförmigen) Lichtquelle beleuchtet, so entsteht auf der von der Lichtquelle abgewandten Seite ein Schatten.
Kern- und Halbschatten
Wird ein undurchsichtiger Gegenstand von zwei punktförmigen Lichtquellen beleuchtet, so bilden sich zwei Schattenzonen aus: Ein Kernschatten und ein Halbschatten. Eine ausgedehnte Lichtquelle erzeugt hinter einem Licht undurchlässigen Gegenstand ebenfalls einen Kern- und einen Halbschatten.[3]
Bei einer „diffusen“ Beleuchtung kommt das Licht aus vielen Richtungen. Die einzelnen Schattenbereiche heben sich dabei gegenseitig auf; es ist kein Schatten erkennbar.
Da manche Menschen (insbesondere kleine Kinder) schreckhaft auf Schatten reagieren, wird in Wohn- und Aufenthaltsräumen häufig eine indirekte Beleuchtung eingesetzt. Diese wird mittels diffuser Reflexion erreicht, indem eine helle, matte Oberfläche von einer (verdeckten) Lampe angestrahlt wird.
Anmerkungen:
[1] | Licht entsteht grundsätzlich durch die Anregung von Atomen mittels Energie. Die zugeführte Energie kann thermisch oder elektrisch sein; im ersten Fall spricht man „warmen“, im zweiten von „kalten Lichtquellen“. |
[2] | Die in der obigen Tabelle Lichtgeschwindigkeiten angegebenen Werte sind Durchschnittswerte für sichtbares Licht. Tatsächlich hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in einem Medium von seiner Frequenz ab (siehe Lichtdispersion). |
[3] | Ein Beobachter, der sich im Halbschatten befindet, sieht stets nur einen Teil der Lichtquelle; der Rest ist durch den Schatten werfenden Gegenstand verdeckt. |
Hinweis
Zu diesem Abschnitt gibt es Experimente und Übungsaufgaben.