Als Schatten bezeichnet man den entweder gar nicht oder nur teilweise beleuchteten Raum hinter Körpern, die für Licht undurchlässig sind oder es zumindest stark schwächen. Das Aussehen des Schattens wird durch mehrere Faktoren beeinflusst. Dies sind die Form der Lichtquelle, die Gestalt des lichtundurchlässigen Körpers und die Entfernung zwischen Lichtquelle und Körper. Der Verlauf des Schattens kann durch geometrische Konstruktion ermittelt werden.
Stand:
2010
Dieser Text befindet sich in redaktioneller Bearbeitung.
Wo viel Licht ist, ist starker Schatten.
Dieses Zitat von Goethe hast Du vielleicht schon einmal gehört. Häufig metaphorisch genutzt, hat es auch seine physikalische Richtigkeit. Stelle Dir einmal vor, Du schaltest in einem Zimmer eine Lampe an der Decke ein. Das Licht erhellt den Raum – aber auch wirklich den gesamten? Nein, es wird immer Bereiche in diesem Raum geben, die verdunkelt bleiben. Sie liegen im Schatten.
Schatten haben eine besondere Wirkung auf uns. Sie wirken unheimlich und mysteriös. Im folgenden Artikel bringen wir etwas Licht in die Welt der Schatten und Du kannst lernen, wie Schatten entstehen, ob Schatten gleich Schatten ist und warum eine Lampe den Unterschied machen kann.
Schattenarten – Entstehung
Stelle Dir zunächst einen recht einfachen Aufbau vor. Eine punktförmige Lichtquelle, wie eine Taschenlampe, wird angeschaltet und auf einen Tisch gelegt. Damit hast Du bereits die erste wichtige Voraussetzung zur Entstehung von Schatten geschaffen – Du hast eine Lichtquelle.
Punktförmige Lichtquelle
Um die Entstehung von Schatten in der Physik erklären, beginnen wir zunächst mit punktförmigen Lichtquellen. Als Lichtquellen im Allgemeinen bezeichnest Du Körper, die selbst Licht erzeugen können, wie Taschenlampen, Teelichter etc.
Die exakt punktförmigen Lichtquellen sind eine Modellvorstellung. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine geringe räumliche Ausdehnung ihres erzeugten Lichtes besitzen und das Licht optimal bündeln, sodass es gut gelenkt werden kann.
Die Taschenlampe in diesem Experiment sei eine solche punktförmige Lichtquelle. Die Taschenlampe soll dabei einen Gegenstand anstrahlen, den Du im Lichtkegel der Lampe platzierst.
Schatten – Physik
Besagter Gegenstand, der von Deiner Taschenlampe angestrahlt wird, sorgt dafür, dass ein Schatten entstehen kann. Dabei ist wichtig, dass dieser Gegenstand lichtundurchlässig ist. Stelle Dir beispielsweise vor, es handelt sich dabei um eine Kerze. Hinter dieser entsteht nun ein Bereich, an den kein Licht Deiner Taschenlampe dringt. Diesen unbeleuchteten Bereich nennst Du Schatten.
Unter einem Schatten wird der dunkle Bereich hinter einem lichtundurchlässigen Gegenstand verstanden, der von einer Lichtquelle angestrahlt wird und in diesen kein Licht dringt.
Ein Schatten entsteht also immer, wenn ein Gegenstand von einer Lichtquelle angestrahlt wird.
Kommen wir noch einmal zu unserem Experiment. Stellst Du nun noch hinter Deiner Kerze einen Schirm auf, so siehst Du den Schatten der Kerze auch auf Deinem Schirm. Der Schatten auf dem Schirm wird auch Schattenbild genannt.
Die Schatten-Projektionen eines angestrahlten Gegenstandes auf einem Schirm werden auch als Schattenbilder bezeichnet.
In der unten stehenden Abbildung ist das Experiment einmal veranschaulicht und die Entstehung des Schattens konstruiert. Links befindet sich die punktförmige Lichtquelle, deren Lichtstrahlen sich ausbreiten. In Gelb sind diese als Konstruktionsstrahlen dargestellt. Sie breiten sich, am Gegenstand vorbei, strahlenförmig aus. Den Bereich hinter dem Gegenstand erreichen sie jedoch nicht. Dieser bleibt weiterhin im Dunkeln und ist der Schatten des Objekts.
Anhand dieser konstruierten Darstellung lässt sich noch eine weitere Eigenschaft des Schattens feststellen. Schatten sind begrenzt. In der Abbildung stellen die gelben Konstruktionsstrahlen diese Grenze zwischen Licht und Schatten dar. Sie werden auch Randschatten genannt.
Randschatten sind Lichtstrahlen, die den Schatten eines Gegenstandes begrenzen. Sie gehen gerade noch knapp am Objekt vorbei und sind damit die Grenze zwischen Licht und Schatten.
Handelt es sich bei der Lichtquelle um genau eine punktförmige Lichtquelle, so entsteht ein einheitlicher Schatten mit scharfen Kanten. Schattenbilder können aber auch durch den Einsatz von mehr als einer punktförmigen Lichtquelle entstehen. Was dies für den Schatten bedeutet, erfährst Du im Folgenden.
Schattenbilder mit zwei Lichtquellen
Als Nächstes steigern wir uns und stellen uns unser Experiment mit zwei punktförmigen Lichtquellen vor. Auch hierbei entsteht ein Schatten. Dieser ist nun jedoch nicht mehr so eindeutig, wie nur mit einer Lichtquelle.
Hier kannst Du die Situation auch wieder als Konstruktion sehen:
Von beiden Lichtquellen werden die Konstruktionsstrahlen am Gegenstand vorbeigezogen. Dabei kommt es zur Überschneidung der Randschatten, was Auswirkungen auf die Tiefe des Schattens hat. Es entstehen drei Bereiche im Gesamtschatten, die in Halb- und Kernschatten unterschieden werden können. Doch worin liegt der Unterschied dieser Bereiche und wie werden sie definiert?
Halbschatten
Zwei Bereiche Deines Schattens sind davon gekennzeichnet, dass sie von einer Lichtquelle im Schatten des Gegenstandes liegen und von der zweiten Lichtquelle mit Licht erreicht werden. Diese beiden Bereiche werden als Halbschatten bezeichnet.
Halbschatten werden Schattenbereiche genannt, die bei mehreren Lichtquellen auftreten. Dabei wird dieser Schattenbereich noch von einem Teil der Lichtquellen beleuchtet, vom anderen Teil der Lichtquellen liegt er im Schatten.
Nun kennst Du schon zwei der drei Bereiche. Was zeichnet den letzten und dunkelsten Bereich aus?
Kernschatten
Kernschatten sind die dunkelsten Bereiche der Schatten. Bei jeder Konstruktion mit mehreren Lichtquellen gibt es immer nur genau einen Kernschatten, an den von keiner der beteiligten Lichtquellen Licht gelangt.
Kernschatten werden Schattenbereiche genannt, die bei mehreren Lichtquellen auftreten. Dabei wird der Schattenbereich von keiner Lichtquelle mehr beleuchtet.
Wichtig anzumerken ist noch, dass je mehr Lichtquellen es gibt, umso mehr Teilschatten sind ebenfalls vorhanden. Der Kernschatten ist dabei jedoch immer die tiefste Ausprägung des Schattens.
Diese Teilschatten erhöhen sich gleichmäßig zur Anzahl der Lichtquellen.
Bei zwei Lichtquellen gibt es drei Teilschatten.
Bei drei Lichtquellen gibt es fünf Teilschatten.
Bei vier Lichtquellen gibt es sieben Teilschatten.
Erkennst Du ein Muster?
Wenn Du die Anzahl der Lichtquellen verdoppelst und eins abziehst, dann erhältst Du die Anzahl der Teilschatten.
Übergangsschatten – ausgedehnte Lichtquelle
Du hast oben bereits festgestellt, dass mit steigender Anzahl von punktförmigen Lichtquellen auch die Schatten komplexer werden und mehr Teilschatten entstehen. Mit steigender Anzahl wird es ab einem bestimmten Punkt immer schwerer, die verschiedenen Teilschatten voneinander zu unterscheiden.
Eine ausgedehnte Lichtquelle, wie eine Neonröhre, kannst Du Dir als unendlich viele einzelne, kleine Lichtquellen vorstellen, die unendlich viele Teilschatten erzeugen. Zwischen dem Kernschatten und dem Randschatten entsteht ein fließender Übergang, welcher als Übergangsschatten bezeichnet wird.
Übergangsschatten treten bei ausgedehnten Lichtquellen auf. Sie beschreiben den fließenden Übergang von Kernschatten zu Licht, bei dem einzelne Teilschatten nicht mehr unterscheidbar sind.
Die Sonne ist ein weiteres Beispiel für eine dieser unendlichen Lichtquellen. Auf der sonnenabgewandten Seite der Erde entstehen ein Kern- und Übergangsschatten.
Wie Du in der obigen Abbildung sehen kannst, bilden sich nicht nur hinter der Erde die Schattenbereiche, sondern es liegt auch immer die Hälfte der Erde im Schatten. Wie also das Licht Dein Zimmer nicht gänzlich erleuchten kann, kann auch die Sonne die Erde nicht komplett erleuchten.
Licht gibt es nicht ohne Schatten und Schatten auch nicht ohne Licht. Ein Umstand, der auch im metaphorischen Sinne Bestand hat.
Schattenarten - Das Wichtigste
- Als Schatten wird der Bereich hinter einem Objekt bezeichnet, welches lichtundurchlässig ist und von einer Lichtquelle angestrahlt wird. In diesen Bereich dringt kein Licht.
- Schattenprojektionen von Objekten auf einen Schirm werden auch als Schattenbilder bezeichnet.
- Der Schatten ist vom sogenannten Randschatten begrenzt.
- Randschatten sind Lichtstrahlen, die gerade noch am Objekt vorbeikommen und damit Licht und Schattenbereich voneinander trennen.
- Ab zwei
punktförmigen Lichtquellen wird zwischen verschiedenen Teilschatten unterschieden.
- Kernschatten sind der dunkelste Schatten, in den von keiner Lichtquelle Licht dringen kann.
- Halbschatten sind hellere Schattenteile. In sie dringt von einem Teil der Lichtquellen noch Licht, während von anderen Lichtquellen dieser Teil im Schatten liegt.
- Die Anzahl der Teilschatten wächst mit der Anzahl der punktförmigen Lichtquellen.
- Bei ausgedehnten Lichtquellen bzw. unendlich viele punktförmigen Lichtquellen spricht man vom Übergangsschatten, da einzelne Teilschatten in ihren Abstufungen nicht mehr eindeutig bestimmbar sind.