Licht und Finsternis: Experimente mit Licht, Schatten, Lupen und Spiegeln

Kursthemen

• Allgemeines

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    In diesem Kurs "Licht und Finsternis: Experimente mit Licht, Schatten, Lupen und Spiegeln" werden wir verschiedene Experimente zum Thema Licht und Schatten, mit Lupen und Spiegeln ausprobieren. Wir werden zum einen die Experimente aus der Box aufbauen und durchführen, aber auch andere Experimente kennenlernen.

    Kursdauer: 19.04.-07.06.2024
    Die einzelnen Kurstermine sind: 19.04., 26.04., 03.05., 17.05., 31.05. und 07.06.2024
    

    Die Videokonferenz dazu findet immer freitags von 17-18 Uhr statt. In den Ferien und am Brückentag machen wir eine Pause, so dass wir 6 experimentelle Freitage erleben werden.
    

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    Besprechungs-ID: 396 684 499 95

    Kennung: GVRgHr

    
    

    
    

    Vorstellung
    

    Mein Name ist Katrin Gerling und ich bin eure Trainerin in diesem Kurs der Webakademie. Ich habe in Magdeburg Ingenieurinformatik studiert und habe anschließend als Softwareentwicklerin gearbeitet. Seit meiner Studienzeit gebe ich Kurse zum Thema Robotik und Programmieren und betreue Teams in der Vorbereitung auf Robotik-Wettbewerbe.
    
    

    Fragen & Antworten
    Wenn Du während des Kurses Fragen haben solltest, kannst du mir gern eine Nachricht schicken über die Sprechblase (Mitteilungen). Ich werde dir so schnell wie möglich antworten. Oder nutze die Zeit in der Videokonferenz zum Fragen. 
    

• Schatten
  • Schatten allgemein

    Schatten fallen sehr verschieden aus, wegen:
    

    • Art des Lichtes
    • Je nach Gegenstand/Objekt, der/das einen Schatten wirft
    • Abstand, Lage und Beschaffenheit der Fläche, auf der der Schatten zu sehen ist

    Voraussetzung für interessante Schattenbilder:

    • Konzentriertes Licht: Sonne, Diaprojektor, Beamer, Halogenspot, Taschenlampe oder Kerze
    • Weniger geeignet: Röhrenlampen, große und matte Glühbirnen, Tageslicht ohne direkte Sonne oder indirekte Beleuchtung

    
    

    Der Bereich auf dem der Schatten auftrifft wird Schirm genannt.

    
    

  • Schatten im Sonnenlicht

    Beobachte den Schatten deiner Hand im Sonnenlicht:

    • Er bleibt immer gleich groß
    • Entfernung zum Schirm egal
    • Mit zunehmendem Abstand zwischen Hand und Schirm -> Schatten unscharf
    • Schirm steht schräg zur Sonne -> Schatten größer
    • Objekt schräg zur Sonne -> Schatten kleiner

    

    
    

  • Schatten im Kerzenlicht

    S

    • Gebraucht wird: dunkles Zimmer, Spielmännchen, Schachteldeckel/-boden, weißes Papier, Teelicht und Erwachsener mit Streichhölzern oder Feuerzeug
    • Stelle Schachteldeckel, Spielmännchen und Kerze in einer Reihe auf.
    • Bewege die einzelnen Objekte nacheinander
    • Was kannst du alles feststellen?

    
    

  • Schatten von mehreren Lichtquellen

    • Bei mehreren Lichtquellen teilt der Schatten sich in Halbschatten und Kernschatten auf.
    • Im Halbschatten gibt es immer noch Licht.
    • Im Kernschatten ist kein Licht vorhanden.

    
    

    
    

  • Schatten einer Kerze

    
    

    • Gebraucht wird: dunkles Zimmer, Spielmännchen, Schachteldeckel/-boden, weißes Papier, Taschenlampe, Teelicht und Erwachsener mit Streichhölzern oder Feuerzeug
    • Mit Taschenlampe auf die Kerze leuchten.
    • Der Schatten zeigt die Kerze und den Docht, Flamme ist auch sichtbar.
    • Man sieht Schatten der heißen Luft. Das kommt vom Ruß.
    • Bei genauem Hinschauen ist auch die heiße Luft über der Flamme sichtbar.
    • Heiße Luft hat andere optische Eigenschaften als kalte Luft.

    
    

  • Schatten von Objekten

    • Du brauchst eine Lichtquelle (z.B. Taschenlampe) und Gegenstände aus der Box
    • Was können wir bei den verschiedenen Schatten feststellen?

    
    

    

    

    Der Untergrund auf den ein Schatten fällt, kann die Wahrnehmung verändern. Auf der Treppe ist der Schatten verzerrt. Der Schatten eines Rings in einem Buch wird zu einem Herz.
    Probiere es gleich einmal selbst aus!
    

  • Schatten verändern

    

    • Schatten verändern die Umgebung
    • Beobachte, wie sich die Schatten in einem dunklen Zimmer verändern, wenn du mit einer Kerze durch das Zimmer gehst.
    • In früheren Jahrhunderten ohne elektrisches Licht glaubten Menschen gerne an Gespenster.

    
    

    
    
    Wie verändern Schatten Gesichter?
    

  • Schattentheater

    • Es braucht eine Geschichte.
    • Für Schattenfiguren mit Händen braucht es viel Übung.
    • Schattentheater mit Papierfiguren.

    

    
    

  • Licht und Schatten von einem Loch

    Experiment:
    Nimm ein Stück Papier und schneide ein kleines rundes Loch hinein, es sollte etwa 5mm Durchmesser haben. Halte das Papier mit seinem Loch im Sonnenschein vor eine Wand. Kurz vor der Wand gehalten, hast du natürlich eine gleichgroße, scharfe Lichtscheibe im Schatten des Papieres. Wenn du mit deinem Papier weiter weg vom Schirm gehst, wird die Lichtscheibe immer größer, unschärfer und matter, bis du nichts mehr davon siehst. Nichts Unerwartetes!
    

    Jetzt schneide in dein Papier ein kleines Viereck. Hältst du das Papier im Sonnenlicht dicht vor die Wand, erkennst du ein helles Viereck als Lichtfleck im Schatten des Papieres. Bei größerer Entfernung des Papieres von der Wand wird der viereckige Lichtfleck schwächer und unschärfer, aber auch runder und ist schließlich von der Lichtscheibe des runden Loches nicht mehr zu unterscheiden.

    Woher kommt nun die Form des Lichtfleckes? Sind die runden Flecke ein Abbild der Sonne? Um das festzustellen, such dir eine längliche Lichtquelle, zum Beispiel eine Leuchtstoffröhre. Dann wiederholst du deine Versuche.

    Bei einer Entfernung von etwa 20 cm wird der Lichtfleck immer breiter, du siehst also die Röhrenlampe verkleinert im Lichtfleck wieder - egal welche Form das Loch im Papier hat.

  • Schatten von Papierfiguren

    Experiment: 

    Du brauchst eine Glasscheibe, Papier (das gelbe aus der Experimentierbox), etwas Feuchtigkeit und Sonnenlicht.

    
    

    Schneide dir verschiedene eckige Formen zurecht und befestige sie mit etwas Feuchtigkeit an der Glasscheibe.

    Beobachte die Schatten.

    
    

    
    

    Die Schatten dieser Papierstückchen werden im Sonnenlicht rasch unscharf und kreisrund. Die Formen im Schatten kann man bei größerer Entfernung kaum noch unterscheiden.

    Im Licht einer Röhrenlampe werden alle Schatten länglich.

    Also nimmt der Schatten die Form der Lichtquelle an.

    Wenn du diesen Versuch bei einer partiellen Sonnenfinsternis, bekommst du also ein Abbild der jeweiligen Lichtquelle auf ein Papier. So kannst du eine solche Sonnenfinsternis beobachten, wenn sich der Mond langsam vor die Sonne schiebt, ohne selbst in die Sonne schauen zu müssen (was man ja auch nicht machen soll, wegen Erblindungsgefahr!).

• Licht
  • Lichtreflexe

    
    Mit Lichtreflexen sind die Helligkeiten gemeint, die du in, an und in der Umgebung der Gegenstände und in deren Schatten siehst.

    Sieh dir die durchsichtigen Objekte aus deinem Kasten noch einmal genau an und achte dieses Mal auf die Lichtreflexe.

    Lichtreflexe der Glasmurmel

    

    Lichtreflexe auf/in der Linse

    

    Lichtreflexe der Dose

    

    
    

    Lichtreflexe der Glasscheibe

    

    
    

    Lichtreflexe im Schatten der Linse

    
    

    Lichtreflexe der Schusterkugel

    
    

    
    

  • Leuchtpunkte

    Experiment: 

    1. Lege die Linse auf ein weißes Blatt Papier.
    2. Schalte eine Lampe über der Linse an.
    3. Hebe die Linse ca. 8 cm vom Papier an.
    4. Nun kannst du die Form der Lampe auf dem Papier erkennen.

    
    

  • Dia mit Schlitz

    Experiment:

    Lege ein Papier in das Dia und mache einen Schlitz in das Papier rein.

    Hältst du das Dia vor dein Auge und schaust damit auf ein Fenster mit Sprossenkanten, sind die Sprossen parallel zum Schlitz unscharf. Die anderen Kanten sind scharf.
    

    Führe nun das Dia mit dem Schlitz an eine Lichtquelle. Der Schlitz erscheint viel breiter. 

    
    

    Ähnliches Phänomen bei einem Messer über einer Kerze. Es sieht aus als wäre an dieser Stelle eine Kerbe drin. 

    Bitte nicht nach machen, oder nur unter Aufsicht eines Erwachsenen!

    

    
    

• Linsen
  • Linsen und Sonnenlicht

    Schaue nie durch die Linse, eine Lupe, Kamera oder ein Fernrohr in die Sonne!!!

    Experiment mit einer Zeitung: 

    Für dieses Experiment brauchst du einen sonnigen Tag und du musst es draußen ausführen. Bitte nicht ohne Aufsicht eines Erwachsenen.

    Du brauchst: Zeitung, Linse, Wasser, Sonnenlicht, feuchte Wiese oder Steine, Wasser

    1. Lege eine Zeitung auf eine feuchte Wiese oder Steine in die Sonne.
    2. Suche dir ein dunkles Bild auf der Zeitung.
    3. Lege die Linse darauf.
    4. Nun hebst du die Linse ca. 8cm an.
    5. Es sollte ein heller Fleck erscheinen. Dort wird das Sonnenlicht zu einem sehr hellen und heißem Fleck gebündelt. Die Zeitung könnte zu qualmen beginnen. In diesem Fall lösche es mit Wasser ab

    
    

  • Ein Blick in die kleine Glaskugel

    Experiment:
    

    • Nimm die Murmel und lege sie auf den Text in deinem Heft.
    • Der Text wird vergrößert.
    • Die Ränder sind verzerrt.
    • Zeichne ein Kreuz und ein Quadrat und schaue noch einmal mit der Murmel drauf.
    • Die geraden Seiten werden krumm.
    • Schau deine Umgebung durch die Kugel an.
      
      

    
    

  • Bilder an der Linse

    Experiment:

    • Nimm die Linse und schaue die Schrift damit an.
    • Mit etwas Abstand zum Heft wird die Schrift vergrößert.

    Experiment:

    • Nimm die Glasscheibe und mache einen Tropfen Wasser darauf.
    • Versuche das Gleiche wie bei der Linse.
    • Der Wassertropfen kann ebenfalls Bilder vergrößern.

    Solche Vergrößerungslinsen nennt man auch Lupen!

    
    

  • Alles steht Kopf

    Schaue durch die Linse oder die kleine Glaskugel mit einer Armlänge Abstand.

    Was siehst du? Verkehrte Welt, oder?!
    

  • Schusterkugel

    
    (Quelle: Von Hans Rüger, 1868 - 1907 - Die Gartenlaube, Sammelband 1903, S. 697, Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8348107)

    Die Schusterkugel (auch Schusterlampe) ist ein mit Wasser gefüllter farbloser Glas-Kolben in Kugelform, der von Handwerkern insbesondere vor der Einführung elektrischer Lichtquellen benutzt wurde, um diffuses Licht der Sonne, einer Gas- oder Öllampe wie mit einer Sammellinse zu fokussieren und so den Arbeitsplatz besser auszuleuchten. Auf diese Weise konnten auch die lichtschwachen Stunden des Tages während der Dämmerung zur Arbeit genutzt werden. Neben dem Fokussieren war das Filtern der Wärmestrahlung der Lichtquelle ein erwünschter Effekt der Schusterkugel. So konnte man mit temperaturempfindlichen Materialien nah an einer starken Lichtquelle arbeiten.

    Experiment:

    • gläserne Kugel mit Wasser füllen.
    • Sie dient nun auch der Vergrößerung von Schrift.
    • Bei ausgestrecktem Arm steht die Welt auch Kopf.
    • Sie konzentriert Lampenlicht auf einen sehr hellen Lichtpunkt direkt hinter der Glaskugel.

    Mit einer wassergefüllten Glaskugel haben Schuster früher das schwache Licht einer Petroleumlampe auf die zu bearbeitende Sohle konzentriert.

    Daher der Name Schusterkugel.

    
    

• Spiegel
  • Gespiegeltes Linsenbild

    Experiment mit der versilberten Kugel und der Linse:

    Lege die Kugel hinter die Linse und schaue durch die Linse. Du siehst dich selbst vergrößert, wie du durch die Linse schaust.

    Je größer der Abstand zwischen Kugel und Lupe, desto größer ist die Spiegelung.

    
    

    Experiment mit einem Spiegel und der Linse:

    Hältst du hinter die Linse einen normalen Spiegel, siehst du dich zwar wieder, aber auf dem Kopf. 

    Je größer der Abstand zwischen Spiegel und Lupe, desto größer ist die Spiegelung.

    Hältst du aber die Linse ganz nah vor ein Auge und kurz dahinter den Spiegel, siehst du dich wieder richtig herum. (eventuell etwas verschwommen)

    
    

  • Spiegelbilder

    
    

    Welche Seiten des Würfels sehe ich im Spiegel? Vervollständige das Spiegelbild!

  • Spieglein, Spieglein, bin ich alleine?

    • Nimm 2 Spiegel und stelle sie in ca. 90° Winkel (rechtem Winkel) zueinander auf.
    • Lege einen Stift oder einen länglichen Gegenstand zwischen die Spiegel
    • Was für ein Bild entsteht durch die Spiegel?
    • Was passiert, wenn man die Spiegelposition ändert?

    
    

    
    

  • Kaleidoskop

    Im Kaleidoskop steckt innen eine drei- oder viereckige Röhre aus Spiegeln. In dieser werden die farbigen Teilchen am Röhrenende reflektiert und bilden ein symmetrisches Muster, das sich verändert, sobald sich die Teilchen bewegen.
    
     
    
    Experiment:
    

    Baue dir mit den 3 Spiegeln aus der Experimentierbox ein Kaleidoskop.

    Positioniere die 3 Spiegel so, dass sie ein Dreieck ergeben mit der Spiegelseite zueinander.

    Lege die Spiegelkugel und andere Objekte hinein. Bewege die Objekte und sie wie sich die Spiegelbilder verändern.

    
    

    
    

    Bastelanleitung für ein Kaleidoskop: https://www.geo.de/geolino/basteln/4410-rtkl-bastelanleitung-so-bastelt-ihr-ein-kaleidosko
    (Hier wird noch zusätzliches Material benötigt.)
    

• Symmetrie
  • Symmetrie

    Symmetrie ist eine geometrische Eigenschaft. Schau dir dazu gleich mal das Dreieck an:

    Spiegelst du die Seiten an der blauen Linie, erhältst du wieder das gleiche Dreieck. Du kannst nämlich einfach die eine Seite an der blauen Linie auf die andere Seite falten. Dann liegen die Seiten genau übereinander. Die Figur ist also symmetrisch!

    Merke dir: Wenn du etwas so spiegeln, drehen oder verschieben kannst, dass es wieder genau auf sich selbst abgebildet wird, sprichst du von Symmetrie.

    
    

    
    

    Erstmal unterscheidest du, ob etwas in sich oder zueinander symmetrisch ist. Das Dreieck zuvor ist in sich symmetrisch, da du es an der Spiegelachse übereinander klappen kannst. Aber was passiert, wenn du noch ein Dreieck daneben legst?

    
    

    Diese Dreiecke sind zueinander symmetrisch, weil man sie an der blauen Linie spiegeln kann.

    Was ist achsensymmetrisch? Die Achsensymmetrie hast du jetzt schon kennengelernt. Wenn du etwas an einer bestimmten Spiegelachse wieder in sich oder zueinander abbilden kannst, handelt es sich um Achsensymmetrie. Ein Quadrat hat zum Beispiel ganze 4 Symmetrieachsen!

    Du kannst es an der Senkrechten, Horizontalen oder an den Diagonalen spiegeln.
    

    
    

    Es gibt noch weitere Symmetrien, die aber hier nur mit Namen erwähnt werden, da wir sie nicht anwenden. Punktsymmetrie, Drehsymmetrie, Asymmetrie.

    Weitere Informationen findet man z.B. unter: https://studyflix.de/mathematik/symmetrie-3908

    
    Experiment:
    

    Schreibe das Alphabet in großen Druckbuchstaben auf oder nutze einen Spiegel am Bildschirm..

    Findest du die Symmetrieachse bzw. Spiegelachse in den Buchstaben?

    
    

    
    

    
    
    
    
    

  • Spiegelschrift

    Spiegelschrift entsteht ein einer Symmetrieachse.

    Auf Feuerwehrautos oder Krankenwagen sieht die Beschriftung auf den Autos oft in Spiegelschrift.

    
    

    Hast du eine Idee, warum das so ist?
    
     
    
    Im folgenden Bild sehen wir Spiegelschrift. Nimm einen Spiegel und versuche das Wort im Spiegel zu lesen.
    
    Ist das Wort richtig oder falsch geschrieben?
    
    Versuche mal etwas in Spiegelschrift zu schreiben, stelle dir dafür einen Spiegel neben oder vor dein Blatt.
    

  • Glasscheibe als Kopierhilfe

    Eine Glasscheibe kann als Spiegel genutzt werden. Dabei sollten die Lichtverhältnisse so sein, dass die Glasscheibe auch spiegelt.

    Da man hindurchblicken kann, kann man die Spiegelung auf einem Blatt Papier nachzeichnen und somit gespiegelt kopieren.

    
    

    
    

• Tricks und Illusionen

  Hervorgehoben
  • Optische Täuschungen

    Faszinierend finden wir sie wohl alle, die sogenannten optischen Täuschungen. Unser Gehirn legt uns einfach rein und wir können nichts dagegen tun. Es gaukelt uns vor, dass etwa Linien schief sind, Farben variieren, sich Größen unterscheiden, oder es provoziert den Eindruck von Bewegung, Leuchten, oder von zwei Bildern in einem. Dabei handelt es sich keinesfalls um eine Fehlfunktion unserer Augen, denn für das Sehen ist neben unseren Augen auch unser Gehirn verantwortlich.

    
    

    Eine optische Illusion ist eine Wahrnehmungstäuschung – also bestimmte Sinneseindrücke, die vom Gehirn falsch interpretiert werden. Sie beruhen auf der Tatsache, dass die Wahrnehmung auf unvollständige Informationen zurückgreifen muss. Unser Gehirn ist bei der Betrachtung von optischen Täuschungen ein wenig überfordert. Es kann die gezeigte Darstellung nicht einordnen und versucht daher, unter Zuhilfenahme weiterer Sinne oder durch Entfernen der auslösenden Faktoren das bestmögliche Bild zu erschaffen. Dabei konstruiert das Gehirn auf Basis von Erfahrungen.

    
    

  • 2 Bilder in einem?

    
    

    Was siehst du?

    Spoiler: Es kann eine Kelch/Vase sein oder 2 Gesichter, die sich ansehen.

  • Illusion

    
    

    

    • Linien scheinen nicht parallel
    • Schwarze und weiße Kästen scheinen nicht gleich groß
    • Täuschung entsteht durch Anordnung der Kästchen -> Man nimmt die Kontraste auf diesem Bild stärker wahr als die Linien, deshalb scheinen sie sich zu biegen.

    Der Kreis in der Mitte lässt vermuten, dass es unterschiedliche Ebenen sind und das der Kreis sich bewegt. Und das nur weil das schwarz-weiß Muster um 90° gedreht ist.

    
    

    
    

  • Bewegungsillusion

    

    • Einige Muster scheinen sich zu bewegen, obwohl sie in Wirklichkeit stillstehen
    • Dieser Effekt kommt durch weiße und schwarze Umrandung der Figuren zustande. Sie bilden Kontraste innerhalb des Bildes.
    • Das Bild selbst verrät aber nicht, welche der abgebildeten Formen weiter vorne oder hinten liegen sollen.
    • Deshalb versucht das Gehirn, die Kontraste zu interpretieren und den Formen einen räumlichen Platz zuzuordnen.
    • Dadurch kommt die scheinbare Bewegung zustande, vor allem, wenn der Blick hin und her schweift.

    
    

    
    

  • Unendlichkeit - Infinity

     
    

    Diese Art von Bildern rufen eine Unendlichkeit hervor, die man nur in der digitalen Welt umsetzen kann.

    Sieh dir die Bilder genau an und prüfe, was in die Tiefe geht, und was hervor kommt!

  • Ames Raum

    Ein Ames Raum ist ein schiefer Raum, dessen Wände und Texturen verzerrt sind, um verschiedene optische Täuschungen hervorzurufen.

    Schaue dir dazu ein Video an, dass du im folgenden Link findest:

    
    

    https://www.ardmediathek.de/video/weisst-du-das/optische-taeuschungen/swr/Y3JpZDovL3N3ci5kZS9hZXgvbzY2NTEwMg
    

    
    

    Baue dir mit der folgenden Bastelanleitung doch einen eigenen Ames Raum.

    
    

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    Bastelanleitung: Ames Raum Datei

    715.3 KB PDF-Dokument