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Licht und Schatten

GrundschulePhysikLicht breitet sich von einer kleinen Lichtquelle geradlinig aus; die Sonne ist weit entfernt, daher verlaufen ihre Strahlen parallel.

Über dieses Experiment

Ein Schatten entsteht dort, wo ein Gegenstand das Licht blockiert. Da sich Licht in geraden Linien ausbreitet, kannst du genau vorhersagen, wo ein Schatten entsteht und wie groß er ist. Bewege eine Taschenlampe und eine ausgeschnittene Figur in einem Raum und beobachte, wie der Schatten an Boden und Wand größer und kleiner wird. Gehe dann nach draußen: Stecke einen 1 m langen Stock auf dem Spielplatz in den Boden und beobachte, wie sich sein Schatten dreht und seine Länge verändert, während die Sonne im Sommer und im Winter über den Himmel wandert.

Lernziele

  • Erklären, dass ein Schatten der dunkle Bereich ist, in dem ein Gegenstand das Licht blockiert
  • Geradlinige Lichtstrahlen nutzen, um Größe und Position eines Schattens vorherzusagen
  • Beschreiben, wie ein Schatten größer wird, wenn sich der Gegenstand der Lichtquelle nähert
  • Materialien anhand der von ihnen erzeugten Schatten in undurchsichtige, durchscheinende und durchsichtige einteilen
  • Beschreiben, wie sich Länge und Richtung eines Schattens der Sonne im Laufe des Tages und des Jahres verändern

Anleitung

  1. 1Beginne mit der Taschenlampe auf niedriger Höhe und der Figur ganz nah daran. Betrachte den Schatten an der Wand. Ziehe die Figur langsam in Richtung Wand und beschreibe, was mit dem Schatten passiert.
  2. 2Stelle die Figur wieder auf 1,2 m. Hebe die Taschenlampe an und beobachte, wie sich der Schatten an der Wand nach unten und auf den Boden bewegt. Ab wann reicht der Schatten nicht mehr bis zur Wand?
  3. 3Schalte die Lichtstrahlen ein. Folge dem Strahl, der gerade die Oberseite des Kopfes berührt: Die Kante des Schattens liegt dort, wo dieser Strahl auftrifft.
  4. 4Ändere das Material zuerst zu durchscheinend und dann zu durchsichtig. Vergleiche, wie dunkel der Schatten jeweils ist.
  5. 5Wechsle zu „Sonne und Stab“. Drücke auf „Tag abspielen“ und beobachte den Schatten des Stabs. Zu welcher Uhrzeit ist er am kürzesten? In welche Richtung zeigt er mittags?
  6. 6Vergleiche Juni und Dezember um 9:00 Uhr und um 12:00 Uhr. In welchem Monat sind die Schatten zur Mittagszeit länger?

Das Modell

Die Strahlen breiten sich von einem Punkt aus. Daher wird jeder Teil des Schattens an der Wand mit demselben Verhältnis der Entfernungen skaliert.
Je tiefer die Sonne steht, desto länger ist der Schatten (für ältere Schülerinnen und Schüler).

Annahmen

  • Die Taschenlampe ist eine punktförmige Lichtquelle, daher haben Schatten scharfe Kanten. Eine echte Taschenlampe hat eine große Lichtquelle und erzeugt einen weichen, unscharfen Rand, den man Halbschatten nennt.
  • Die Figur ist eine flache, ausgeschnittene Form, die zur Wand zeigt. Die Wand ist 3 m von der Taschenlampe entfernt.
  • Die Sonnenansicht gilt für einen Ort auf 40° nördlicher Breite (zum Beispiel Madrid, Peking oder New York) und verwendet die lokale Sonnenzeit. Daher steht die Sonne mittags am höchsten. Südlich des Äquators steht die Sonne mittags im Norden.
  • Bei durchscheinenden und durchsichtigen Materialien wird eine feste Lichtmenge angezeigt, die hindurchtritt. Bei echten Materialien ist das unterschiedlich.

Im Unterricht ausprobieren

  1. Q1Für eine Schattentheateraufführung möchtest du einen riesigen Schatten deiner Hand an die Wand werfen. Wo sollte deine Hand sein?
  2. Q2Warum zeigt der Schatten eines Baumes am Nachmittag in die entgegengesetzte Richtung wie am Morgen?
  3. Q3Ein Freund meint, der Schatten sei größer, weil die Taschenlampe heller leuchtet. Stimmt das? Wie könntest du es überprüfen?
  4. Q4Warum ist ein Schatten mittags im Juni kürzer als ein Schatten mittags im Dezember?
  5. Q5Welches Material eignet sich am besten für die Vorhänge in einem Schlafzimmer: ein lichtundurchlässiges, ein lichtdurchlässiges oder ein durchsichtiges Material? Warum?

Häufig gestellte Fragen

Warum hat ein Schatten die gleiche Form wie der Gegenstand?

Licht breitet sich geradlinig aus. Deshalb läuft das Licht, das an den Kanten des Gegenstands vorbeigegangen wäre, geradlinig weiter bis zur Wand. Der Rand des Schattens zeichnet die Umrisse des Gegenstands nach und ist je nach Abstand gestreckt oder verkleinert.

Warum wird der Schatten größer, wenn der Gegenstand näher an der Taschenlampe ist?

In der Nähe der Taschenlampe blockiert der Gegenstand einen breiteren Fächer von Lichtstrahlen. Diese Strahlen breiten sich auf ihrem Weg zur Wand weiter aus, sodass der dunkle Fleck, den sie hinterlassen, größer ist.

Ist mein Schatten um 12 Uhr am kürzesten?

Am kürzesten ist er, wenn die Sonne am höchsten steht. Diesen Zeitpunkt nennt man Sonnenmittag. Wegen der Zeitzonen und der Sommerzeit kann es auf der Uhr etwa zwischen 11:30 und 13:30 Uhr sein.

Warum ist ein Schatten nicht völlig schwarz?

Licht wird von den Wänden, dem Boden und dem Himmel reflektiert, und ein Teil davon erreicht den Schatten aus anderen Richtungen. Deshalb kannst du auch innerhalb eines Schattens noch Dinge sehen.