Physics 4 you Oberstufenaufgabe
Rätselhafte Schatten
Diesmal geht es um ein sommerliches optisches Phänomen, dass man zum Beispiel beim Schwimmen in einem Pool oder einem See mit besonders klarem Wasser beobachten kann.
Von einem auf dem Wasser schwimmenden Gegenstand erwartet man bei sonnigem Wetter, dass er auf dem Grund des Pools einen Schatten wirft. Wie genau sieht dieser aber aus?
Dass die Antwort darauf vielleicht anders ausfallen könnte als erwartet, erfährst du in diesem einfachen Experiment!
Rätselhafte Schatten
Wie sieht der Schatten eines auf dem Wasser schwimmenden Balls aus?
- Der Ball wirft gar keinen Schatten.
- Der Ball wirft einen einzelnen Schatten.
- Der Ball wirft einen doppelten Schatten.
- Der Ball wirft 2 starke und einen schwachen Schatten.
Lösung:
Wenn alles geklappt hat, sollte sich folgendes Bild auf dem Gefäßboden bieten:
In einem großen Halbschatten mit unscharfem Rand (A) liegt ein dunklerer Doppelschatten mit scharfem Rand (B), der durch einen schmalen hellen Bereich (C) gespalten wird.
Richtig ist also Antwort (d)!
Um das zu verstehen müssen wir uns ansehen, was am Rand des Balls mit der Wasseroberfläche passiert.
Durch die Oberflächenhaftung (Adhäsion) wird diese dort nämlich leicht nach oben gebogen, es entsteht ein sogenannter Meniskus.
Dadurch wird das Licht, welches dicht an dem Ball vorbei ins Wasser fällt auf eine besondere Art gebrochen.
Betrachten wir den Aufbau von der Seite sehen wir, dass Lichtstrahlen, die auf den Meniskus treffen (durchgezogene Linie) stärker zum Ball hin gebrochen werden als solche, die die ebene Wasseroberfläche treffen (gestrichelte Linie).
Der eigentliche geometrische Schattenbereich unter dem Ball wird so diffus beleuchtet, es entsteht ein Halbschatten (A).
Die scharfe Schattengrenze (B) markiert den Bereich, den auch mit der zusätzlichen Brechung kein Licht mehr erreicht.
Wenn wir die obere Abbildung um 90° drehen, treffen die Lichtstrahlen hier noch näher an der Kugel auf den Meniskus.
Dadurch wird die Brechung zum Ball noch stärker, die Strahlen kreuzen sich sogar. So entsteht die Einschnürung, die den dunklen Schattenbereich in der Mitte auftrennt.
