Ich habe 2 Wichtige Pysik fragen, könnt ihr mir bitte helfen?

5 Antworten

Hallo WildaFreeGirl,

die Frage ist in guter Näherung mit der geometrischen Optik (Strahlenoptik) erklärbar. Das Bild, das Du in einer anderen Frage erklären sollst, bezieht sich darauf.

Die Situation

Ein undurchsichtiger Gegenstand steht vor einer Wand…

Zusätzlich gehe ich davon aus, dass die Linie Lichtquelle—Gegenstand senkrecht zur Wand steht.

Ein paar Bezeichnungen

Die Größe des Gegenstandes nenne ich d, das ist natürlich eine Konstante. Den Abstand zwischen Lichtquelle und Wand nenne ich r', den Abstand zwischen Lichtquelle und Gegenstand r≤r'.

In einer schematischen Darstellung wird die Wand zur Geraden und der Gegenstand zur Strecke.

„Punktförmige“ Lichtquelle

Nehmen wir zunächst an, dass die Lichtquelle „punktförmig“, d.h. im Verhältnis zu ihrer Entfernung von kleiner Ausdehnung ist. In diesem Falle ist der Schatten scharf begrenzt, und seine Größe ist nach dem Strahlensatz

(1) d' = d·r'/r ≥ d

Der Schatten wird also bei Entfernung des Gegenstandes von der Wand größer und beim Annähern kleiner. Bei Entfernung der Lichtquelle von der Wand wird der Schatten ebenfalls kleiner, und bei r→∞ ist d'≈d, weil die Lichtstrahlen praktisch parallel einfallen.

Ausgedehnte Lichtquelle

…und wirft auf dieser einen Schatten, der etwas unscharfe Ränder hat.

Das kann nur dann sein, wenn die Lichtquelle eine Ausdehnung R hat, die sich gegenüber r nicht mehr vernachlässigen lässt. Eine solche Lichtquelle lässt sich als aus vielen „punktförmigen“ Lichtquellen zusammengesetzt vorstellen.

Falls r'–r<<r oder R<d ist, gibt es auf jeden Fall einen Bereich, von dem aus betrachtet der Gegenstand alle diese punktförmigen Lichtquellen verdeckt, den Kernschatten. Der unscharfe Rand entsteht durch den sogenannten Halbschatten, in dem die Lichtquelle nur teilweise abgedeckt bzw. ihr Licht nur teilweise blockiert - nicht genau zur Hälfte, sondern der Anteil geht von 0 bis 100%.

https://de.m.wikipedia.org/wiki/Schatten#Schatten_bei_ausgedehnten_oder_mehreren_Lichtquellen zeigt ein Beispiel für zwei „punktförmige“ Lichtquellen. Bei mehr Lampen gibt es auch mehr Helligkeitsstufen, und bei einer ausgedehnten Lichtquelle praktisch ein „Kontinuum“.

Wenn R<d ist, wachsen bei Entfernung des Gegenstandes beide Bereiche, wobei der Halbschatten schneller wächst. Wenn R>d ist, die Lichtquelle also größer als der Gegenstand, wird beim Entfernen der Kernschatten immer kleiner und verschwindet schließlich (von der Wand aus gesehen: Die Lichtquelle lässt sich irgendwann nur noch zu einem Teil abecken), während sich der Halbschatten weiter vergrößert und immer „fuzzier“ wird.

Woher ich das weiß:
Studium / Ausbildung

Es kommt dabei auch auf Lichtquelle an, und zwar auf ihre Größe und ihren Abstand. Steht darüber nichts in der Aufgabe?

Von der Größe der Lichtquelle hängt es ab, wie scharf der Rand des Schattens ist.

Von der Entfernung der Lichtquelle hängt es ab, wie stark sich die Größe des Schattens ändert, wenn man den Gegenstand bewegt.

Egal wie nah der Gegenstand an der Wand ist – mit einer "punktförmigen" Lichtquelle bekommt man einen perfekt scharfen Schatten. Hat die Lichtquelle einen Durchmesser, dann ist der Rand des Schattens unscharf.

Mit einer "unendlich" weit entfernten Lichtquelle bekommt man einen Schatten mit konstanter Größe. Ist die Lichtquelle in der Nähe, dann wird der Schatten um so größer, je näher der Gegenstand zur Lichtquelle rückt.

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Der Rat der Kolleg(inn)en, es auszuprobieren, ist übrigens richtig! Tagsüber bei trübem Wetter geht das nicht ganz so einfach, aber Du solltest es mal tun, sobald Du kannst.

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Probiers mal aus und schreib auf was du siehst.

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