Was ist eigentlich Licht?
Licht ist für uns unglaublich wichtig, denn ohne Licht wären die meisten von uns völlig verloren. In einem stockdunklen Raum verlieren wir nach kurzer Zeit die Orientierung und müssen uns mit den Händen und anhand von Geräuschen orientieren. Bereits in frühen Kulturen wurde das Licht als etwas Wichtiges und Heiliges angesehen, und auch heute gilt: Ohne die Sonne gäbe es kein Leben auf der Erde.
Licht als Energieform
Licht ist eine Form von Energie. Wenn man Sonnenlicht mit einer Lupe auf einen einzigen Punkt konzentriert, enthält es so viel Energie, dass man damit Papier verbrennen kann. Aus diesem Grund darf man niemals durch eine Lupe in die Sonne schauen, da dies zu schweren Verbrennungen im Auge und im schlimmsten Fall zur Blindheit führen würde.
Lichtwellen und das sichtbare Spektrum
Licht gehört zur Familie der elektromagnetischen Wellen. Dabei gilt: Kurze Wellen sind energiereich, während lange Wellen weniger Energie enthalten. Wir Menschen nehmen nur einen ganz kleinen Bereich aller existierenden Wellen als farbiges Licht wahr. Dieser sichtbare Bereich liegt zwischen 380 nm (blau) und 740 nm (rot).
Tatsächlich existiert jedoch viel mehr Licht, als wir mit unseren Augen sehen können. Ein gutes Beispiel dafür ist die Fernbedienung eines Fernsehers, die Infrarotlicht nutzt. «Infra» bedeutet «unter» – es ist eine Art Licht, das sich unterhalb des für uns noch sichtbaren roten Lichts befindet. Mit einem einfachen Versuch lässt sich dieses unsichtbare Licht sichtbar machen: Wenn man mit der Fernbedienung in die Kamera eines Mobiltelefons leuchtet und eine Taste drückt, erkennt die Handykamera das Signal und zeigt einen roten Punkt auf dem Bildschirm an.
Infotext: Was ist weisses Licht?
Dir ist vielleicht aufgefallen, dass wir beim sichtbaren Spektrum nur farbiges Licht gesehen haben. Was ist denn also weisses Licht? Physikalisch gesehen gibt es kein weisses Licht. Es ist eine Mischung aus allen Lichtfarben.
Sonnenlicht oder das Licht einer Taschenlampe erscheint uns nur deshalb weiss, weil alle Farben des Regenbogens gleichzeitig auf unser Auge treffen. Wenn man diese Farben wieder voneinander trennen möchte, nutzt man ein Spezialglas: ein Prisma.
Wie zerlegt ein Prisma das Licht?
- Unterschiedliche Lichtwellen: Jede Farbe im Licht besitzt eine andere Wellenlänge.
- Unterschiedlich starke Brechung: Wenn das weisse Licht schräg in das Glas des Prismas eintritt, werden die einzelnen Farben unterschiedlich stark abgelenkt (gebrochen).
- Von Blau bis Rot: Blaues Licht wird am stärksten gebrochen, während rotes Licht am wenigsten stark gebrochen wird.
- Dadurch fächert sich das weisse Licht beim Durchgang durch das Prisma auf und wird als wunderschönes Regenbogenspektrum sichtbar.
Infotext: Was ist ein Medium?
Wenn wir über Licht und Optik sprechen, taucht oft ein wichtiges Wort auf: das Medium (Mehrzahl: Medien). In der Physik ist ein Medium einfach der Stoff, durch den sich das Licht hindurchbewegt. Licht kann sich durch ganz verschiedene durchsichtige Medien ausbreiten:
- Luft (in unserem Klassenzimmer)
- Wasser (im Wasserbecken oder See)
- Glas (bei einer Fensterscheibe oder einem Prisma)
Was passiert beim Wechsel des Mediums?
Licht reist in unterschiedlichen Medien unterschiedlich schnell. Solange ein Lichtstrahl nur durch die Luft wandert, bewegt er sich schnurgerade.
Sobald das Licht aber von einem Medium in ein anderes übergeht (zum Beispiel vom Wasser in die Luft oder von Luft in Wasser), passiert etwas Spannendes: Der Lichtstrahl macht an der Grenze zwischen den beiden Medien einen deutlichen Knick. Physiker nennen dieses Abknicken Lichtbrechung.
Der Beweis: Der Versuch mit der Münze im Wasserbecken
Dass Lichtstrahlen gebrochen werden, wenn sie ein Medium verlassen, lässt sich mit einem einfachen Experiment beweisen:
Der Versuch: Auf den Boden eines Wasserbeckens wird eine Münze gelegt. Schaut man seitlich schräg ins Becken und versucht, die Münze mit einem geraden Holzstäbchen zielsicher zu treffen, sticht man überraschenderweise daneben!
Die Erklärung:
Das Licht, das von der Münze reflektiert wird, wandert zuerst durch das Wasser (Medium 1).
- Wenn das Licht das Wasser verlässt und in die Luft (Medium 2) übertritt, wird der Lichtstrahl gebrochen (abgelenkt).
- Unser Auge gewöhnt sich daran, dass Licht immer schnurgerade wandert. Deshalb sieht die Münze für uns so aus, als läge sie an einer anderen Stelle, als es in Wirklichkeit der Fall ist.
Dieser Versuch ist der perfekte Beweis dafür, dass Licht beim Übergang von einem Medium in ein anderes seine Richtung ändert!
Infotext: Warum steht durch eine Linse alles auf dem Kopf?
Hast du schon einmal durch eine Lupe geschaut und sie langsam von deinen Augen weggehalten? Wenn du ganz nah an einen Gegenstand herangehst, wirkt er riesig und richtig herum. Hältst du die Lupe jedoch weiter von dir weg, steht plötzlich die ganze Welt auf dem Kopf!
Doch wie kommt diese optische Täuschung zustande?
1. Die Sammellinse bündelt das Licht
Eine Lupe ist eine sogenannte Sammellinse. Sie ist in der Mitte dicker als am Rand (nach aussen gewölbt). Wenn Lichtstrahlen von einem Gegenstand (zum Beispiel einer Kerze oder einem Baum) durch die Linse fallen, werden sie zur Mitte hin gebrochen und abgelenkt.2. Der Brennpunkt (Fokus)
Hinter der Linse treffen sich alle gebrochenen Lichtstrahlen an einem einzigen Punkt. Diesen Punkt nennt man Brennpunkt oder Fokus.3. Die Lichtstrahlen überkreuzen sich
Nach dem Brennpunkt reisen die Lichtstrahlen einfach geradeaus weiter – und dabei passiert das entscheidende Geheimnis: Die Lichtstrahlen, die von oben kommen, werden nach unten gebrochen und wandern nach dem Brennpunkt nach unten. Die Lichtstrahlen, die von unten kommen, werden nach oben gebrochen und wandern nach dem Brennpunkt nach oben. Weil sich die Lichtstrahlen im Brennpunkt überkreuzen, wird das Bild auf der anderen Seite komplett vertauscht: Oben wird zu unten – und das Bild steht auf dem Kopf!4. Der Abstand macht den Unterschied
- Nah an der Linse: Befindet sich dein Auge nah an der Linse (vor dem Kreuzungspunkt), siehst du das Bild aufrecht und vergrössert.
- Weiter weg von der Linse: Schaust du aus grösserer Entfernung durch die Linse (hinter dem Kreuzungspunkt), treffen die bereits überkreuzten Lichtstrahlen auf dein Auge – alles steht auf dem Kopf!
Spannend zu wissen: Dein Auge macht genau dasselbe! Auch in deinem eigenen Auge befindet sich eine kleine Sammellinse. Das bedeutet: Das Bild aller Gegenstände, die du anschaust, kommt auf der Rückseite deines Auges (der Netzhaut) zuerst auf dem Kopf an! Dass du trotzdem nicht auf dem Kopf durch die Welt läufst, verdankst du deinem Gehirn: Es dreht das Bild im Kopf blitzschnell wieder richtig herum.
Passender Versuch: das umgekehrte Kerzenbild
Material: 1 Sammellinse (Lupe), 1 Kerze (oder Taschenlampe mit Abdeckung), 1 weisses Blatt Papier als Bildschirm, 1 abdunkelbares Zimmer.Durchführung: Stelle die brennende Kerze auf den Tisch. Halte die Lupe dazwischen und halte das weisse Papier dahinter. Verschiebe den Abstand des Papiers zur Lupe, bis die Kerzenflamme scharf zu sehen ist.
Beobachtung: Auf dem Papier erscheint das getreue Bild der Kerze – aber die Flamme zeigt nach unten!
Infotext: Das menschliche Auge – wo alle Rätsel der Optik zusammenkommen
In den vergangenen Lektionen hast du viele spannende Phänomene des Lichts kennengelernt: Lichtstrahlen, sichtbare und unsichtbare Wellen, Lichtbrechung, Prismen und Linsen. Das Erstaunliche ist: In deinem eigenen Auge arbeiten all diese physikalischen Regeln perfekt zusammen! Das Auge ist wie eine winzige, hochmoderne Kamera aufgebaut, die pausenlos Bilder an dein Gehirn liefert.
1. Das sichtbare Spektrum als Reiz
Deine Augen sind genau darauf spezialisiert, den kleinen Bereich des sichtbaren Lichts (von etwa 380 nm bis 740 nm) aufzufangen. Während Infrarotlicht für deine Augen unsichtbar bleibt, verarbeiten spezielle Sehzellen auf der Rückseite deines Auges die unterschiedlichen Wellenlängen der Farben von Blau über Grün bis Rot.
2. Lichtbrechung durch verschiedene Medien
Bevor das Licht in dein Auge gelangt, wandert es durch die Luft. Tritt der Lichtstrahl in das Auge ein, trifft er nacheinander auf verschiedene durchsichtige Medien: die Hornhaut, das Kammerwasser und den Glaskörper. An jeder dieser Grenzen wird das Licht gebrochen und abgelenkt – genau wie bei der Münze im Wasserbecken.
3. Die Augenlinse als biegsame Sammellinse
Im Zentrum des Auges sitzt die Augenlinse. Sie funktioniert genau wie eine Lupe (Sammellinse): Sie bündelt die einfallenden Lichtstrahlen so, dass sie sich im Brennpunkt treffen. Das Besondere an deiner Augenlinse ist, dass kleine Muskeln sie flacher oder dicker ziehen können. So kann dein Auge sowohl nahe als auch weit entfernte Gegenstände scharf stellen!
4. Das Bild steht auf dem Kopf!
Weil die Augenlinse eine Sammellinse ist, überkreuzen sich die Lichtstrahlen im Brennpunkt. Das Ergebnis kennst du bereits aus unserem Versuch mit der Lupe: Das Bild, das auf der Netzhaut (dem „Bildschirm“ deines Auges) ankommt, steht komplett auf dem Kopf und ist seitenverkehrt!
5. Das Gehirn macht das Bild komplett
Die Netzhaut wandelt das Lichtsignal in elektrische Nervenimpulse um und schickt diese über den Sehnerv blitzschnell ins Gehirn. Erst dein Gehirn verarbeitet die Signale, dreht das Bild wieder richtig herum und sorgt dafür, dass du deine Umwelt aufrecht und in allen Farben siehst.
