Ein einfacher Versuch zeigt: Man kann in einem vollständig dunklen Raum auch mit offenen Augen nichts sehen. Aus Erfahrung wissen wir, man braucht dazu Lichtquelle in Form einer Kerze oder eine Lampe. Aber eine Lampe allein reicht auch nicht aus, wenn man die Augen mit den Augenlidern verschlossen hat. Man braucht als zum Sehen mindestens eine Lichtquelle (Kerze) und einen Lichtempfänger (Auge). Befinden sich im gleichen Raum mehrere Personen mit offenen Augen und geschlossenen Augen, so sehen nur die Personen mit den geöffneten Augen dur Kerze, wenn sie nicht durch eine Person verdeckt wird, die direkt in der Richtung vor ihnen steht.

Das, was man sehen kann, bezeichnet man als Licht.

Aus den Versuchen, aber auch schon aus unserer täglichen Erfahrung kann man schließen:

1. Die Augen sind ausschließlich Empfänger für Licht, aber Augen sind keine Sender von Licht.
   
2. Nur wenn mindestens eine Lichtquelle vorhanden ist, sieht man außer den Lichtquellen auch alle anderen Gegenständen im Raum, die selbst keine Lichtquellen sind.

   Um sich mit anderen Menschen mitzuteilen, benutzt der Mensch die Sprache. Damit man sich auch versteht, muss man für die gleichen Dinge auch die gleichen Wörter benutzen. In der Wissenschaft haben diese Wörter ganz spezielle, festgelegte Bedeutungen. Sie werden Fachbegriffe genannt. Die Festlegung der Wörter nennt man Definitionen. Die Gesamtheit der Fachausdrücke nennt man Fachsprache.

In diesem Abschnitt werden eine Reihe von Fachbegriffen benötigt.

Ein Körper ist etwas, was Masse hat und einen festen Raum einnimmt. Körper sind abzählbar. Schneeflocken. Reiskörner, Wassertropfen sind Körper. Die Substanzen als Ganzes werden als Schnee, Reis und Wasser bezeichnet. Dafür steht der Begriff Stoff, es ist die zusammenfassende Bezeichnung für alles, was einen Platz (Raum) einnimmt und eine Masse hat. Außerdem besitzen alle Stoffe Wärmeenergie.

Stoffe, die Licht erzeugen, nennt man Lichtquellen. Stoffe die Licht aufnehmen, nennt man Lichtsenken. Wie Licht entsteht, wie Licht transportiert wird und was mit dem Licht geschieht, das von der Lichtsenke aufgenommen wird, muss später geklärt werden. Dazu sind viel weitergehende Erkenntnisse über die Natur nötig.

2. Selbstleuchtende Stoffe

Stoffe, die Licht aussenden, werden selbstleuchtende Stoffe genannt. Man kann selbstleuchtende Stoffe ohne weitere Hilfsmittel in einem absolut dunklen Raum sehen.

Zu den selbstleuchtenden Stoffen gehören:

• Sonne und Sterne,

• Flammen (brennende Gase),

• Glühende feste Stoffe (Kohle, Wunderkerzen, Glühlampen, Leuchtdioden, Laser )

• Glühende Flüssigkeiten (Lava wikipedia, geschmolzenes Eisen (3:20 min) youtube)

• Leuchtende Gase (Polarlicht youtube, Glimmlampen, Gasentladungslampen),

• Biologisch erzeugtes Licht (Glühwürmchen youtube, Leuchtende Pilze, Tiefseefische: Anglerfisch),

• Extrem stark strahlende radioaktive Stoffe.

3. Beleuchtete Stoffe

Andere Körper kann man nur sehen, wenn sie von einem selbstleuchtenden Körper beleuchtet werden. Zu den beleuchteten Körpern gehören:

•  Erde, Mond und die Planeten

•  Bücher, Tisch und Stühle

•  Glas, Wasser, Luft und vieles andere mehr.

4. Unterscheidung von Stoffen nach optischen Eigenschaften

Aus Erfahrung weiß man, dass Gegenstände unterschiedlich aussehen. Deshalb haben diese beleuchteten Körper auch unterschiedliche Namen, je nachdem, wie sie sich beim Beleuchten durch eine Lichtquelle verhalten.

Das kann man mit Experimenten (Versuchen) herausfinden.

Für das Experiment benötigt man eine Lichtquelle als Lichtsender und Augen als Lichtempfänger. Wenn man nun das Verhalten von Stoffen gegenüber Licht untersuchen will, muss man den Stoff vor das Auge halten und in Richtung Lichtquelle blicken.

Experimente beschreibt man nicht nur mit Wörtern. Meistens sind Skizzen hilfreich, um die Anordnung der Geräte bildlich darzustellen. Dazu vereinfacht man die Darstellung der Gegenstände. Eine Lichtquelle wird als "Stern" dargestellt, der Lichtstrahl als "Gerade mit einem Pfeil", der von der Lichtquelle zum Lichtempfänger weist und der Lichtempfänger als "Winkel mit eine Pupille" und ein beleuchteter Körper als leeres Rechteck.

Bild: Experimentskizze zur Strahlenoptik mit einem durchsichtigen Körper (Gegenstand)

Kann man eine Lichtquelle unverfälscht durch einen Stoff betrachten, der sich zwischen der Lichtquelle und dem Auge befindet, so wird er durchsichtig (lichtdurchlässig) genannt. (Beispiel Luft, Klarglas, Wasser im Glas)

Kann man jedoch die Lichtquelle nicht sehen, so nennt man ihn undurchsichtig (lichtundurchlässig). (Beispiel Holz, Metall, Stein)

Kann man die Lichtquelle hinter dem Gegenstand nur unklar und verschwommen sehen, so nennt man ihn transparent (durchscheinend). (Beipiel Milchglas, Transparentpapier, Kerzenwachs)

Eine besonderen Fall gibt es bei den undurchsichtigen Körpern vor. Hinter dem Körper sieht man die Lichtquelle nicht. Wenn man aber von der Seite der Lichtquelle in geeigneter Richtung auf den Körper blickt, so sieht man die Lichtquelle so, als ob sie hinter dem Körper zu stehen scheint. Solche Körper nennt man spiegelnd (reflektierend).

Bild: Unterschiedliches Verhalten von beleuchteten Gegenständen

Der Weg der Lichtstrahlen kann als verschiedene Verläufe annehmen. Von einer punktförmigen Lichtquelle streben sie aus einander, sie verlaufen divergent. Wenn sie jedoch auf einen Punkt zulaufen, nennt man sie konvergent. Laufen Lichtstrahlen exakt nebeneinander her, so nennt man sie parallel. Kommen sie von verschiedenen Lichtquelle und kreuzen sich vollkommen regellos, so sind sie diffus angeordnet.

Bild: Arten des Verlaufs von Lichtstrahlen

Hat man eine Idee, welche Zusammenhänge in der Natur bestehen, muss man diese Zusammenhänge durch Experimente beweisen. Dazu trifft man geeignete Anordnungen der zu untersuchenden Gegenstände und verändert diese auf verschiedene Weisen. Das geschieht in häufig in einem Labor. Ein Labor ist eine Art Werkstatt, in der Zustände der Natur nachgestellt werden, um sie untersuchen zu können.

Will man untersuchen, wie Licht von einer Lichtquelle zu unseren Augen gelangt, so muss man Fragen in Form von Experimenten an die Natur stellen. Man muss die Fragen und damit auch die die Experimente einfach gestalten, damit man die Antwort der Natur eindeutig verstehen kann. Die Frage des Forsches besteht in einer Handlung, einer Aktion (lat . actio Handlung). Die Antwort der Natur wird Reaktion genannt und ist eine Folge der Handlung des Forschers.

Experimente sind fast immer nach einem einfachen Schema aufgebaut. Es gibt einen abgegrenzten Raum und darin einen Sender, einen geeigneten Empfänger und einen Raum zwischen Sender und Empfänger, der bestimmte Eigenschaften hat. Alles an dem Experiment darf und muss letztendlich verändert werden, um herauszufinden, welche Gesetzmäßigkeiten zwischen Sender, Empfänger und dem Zwischenraum bestehen.

"Forschen" ist somit eine Art des "Spielens" mit dem Mitspieler "Natur", wobei die Spielregeln der Natur, die Naturgesetze, unbekannt sind. Es gilt beim Forschungsspiel die Spielregeln zu finden.

Forschen unterscheidet sich daher vom Spielen, da beim Spielen die Spielregeln bekannt sind und an der Spielanordnung und den festgelegten Spielregel nichts verändert werden darf. Beim Forschen darf und muss man sogar den Sender , den Empfänger oder den Raum zwischen Sender und Empfänger verändern, um die Regeln herauszufinden, nach denen die Natur "spielt".

Den abgegrenzten Raum bezeichnet man in den Naturwissenschaften mit dem Begriff System, den Rest der Natur nennt man Umgebung. Zwischen System und Umgebung liegt die Systemgrenze. Die Systemgrenze kann verschiedene Eigenschaften besitzen, je nachdem, was durchgelassen wird.

Ein System lässt sich nicht vollständig vom Rest der Natur abtrennen. Es ist daher sehr wichtig im Auge zu behalten, wie die sich Umgebung und System gegenseitig beeinflussen.

4. Optik - optisches Experiment

Für optische Experimente benötigt man verschiedene Lichtquellen (Glühlampen oder Laser) und verschiedene Lichtempfänger (Augen oder Kameras). Außerdem benötigt man einen Raum aus dem man alle anderen Lichtquellen entfernen kann, um nur eine Lichtquelle untersuchen zu können. Außerdem benötigt man verschiedene nicht leuchtende Gegenstände, die den Weg des Lichtes beeinflussen können.

Als Erstes versucht man ein Experiment aus möglichst wenigen, einfachen Teilen zusammenzustellen. Dazu verdunkelt man eine Raum vollständig. Obwohl geeignete Lichtempfänger, die Augen, da sind, sieht man nichts. Daran erkennt man, das man drei Dinge benötigt, um die Ausbreitungsgesetze für Licht herauszufinden. Erst wenn man eine Lichtquelle, (Glühlampe, Leuchtdiode, brennendes Streichholz) in den Raum bringt, kann man etwas sehen. Dann sehen aber alle Augen im Raum gleichzeitig das Licht, vorausgesetzt, nichts befindet sich zwischen der Lichtquelle und den Augen.

Nun kann man statt der Augen einen Fotoapparat oder eine Videokamera nehmen und versuchen herauszufinden, ob diese Geräte sich wie das Auge verhalten. Dann kann man verschiedene Gegenstände in den Raum bringen und die Auswirkung auf den Weg des Lichtes beobachten.

Als Letztes muss man auch andere oder zusätzliche Lichtquellen in den Raum bringen, so wie man vorher viele Augen im Raum hatte.

Verfasser: Dr. K.-G. Häusler;

service/physik/optik/ausbreitung/licht_1.htm 08.10.03

Literatur:

Lernkarteikarten:

K13-14_P_licht_lichtausbreitung.doc

K15_P_beleuchtete_koerper.doc

Word-Dokumente:

L13_licht_beleuchtung.doc

L14_lichtausbreitung.doc

L15_beleuchtete_koerper.doc

  Methode: Arbeit mit dem naturwissenschaftlichen Lehrbuch; Beispiel aus F. Dorn; F. Bader: Physik Sekundarstufe I; Schroedel Schulbuchverlag, Hannover 1993; ISBN 3-507-86252-2

Methode: Aufbau und Gliederung eines Naturwissenschaftlichen Lehrbuchs; Beispiel aus F. Dorn; F. Bader: Physik Sekundarstufe I; Schroedel Schulbuchverlag, Hannover1993; ISBN 3-507-86252-2

Leifiphysik: Optik http://www.leifiphysik.de/optik/, darin : Sehvorgang; Stoffverhalten; Schatten; Strahlensatz;