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Textaufgaben im Abiturformat

5.0.1 Geradlinige Lichtausbreitung und Schatten

Zwei Aufgaben im Abiturformat — mit Operatoren-Erklärung, gestuften Hinweisen und vollständigem Erwartungshorizont.

1

Der Pfosten unter der Straßenlaterne

AFB II

Eine Straßenlaterne hängt in 5,0 m Höhe und darf als punktförmig angesehen werden. In 3,0 m waagerechtem Abstand von ihrem Fußpunkt steht ein 1,0 m hoher Pfosten senkrecht auf dem Boden.

M1Angaben zum Aufbau
GrößeFormelzeichenWert
Höhe der LaternehL5,0 m
Höhe des PfostenshP1,0 m
Abstand Laternenfuß – Pfostend3,0 m

Der Boden ist eben und waagerecht.

  1. Erklären Sie, warum der Schatten des Pfostens bei dieser Laterne einen scharfen Rand hat.
  2. Berechnen Sie die Länge des Schattens auf dem Boden.
  3. Die Laterne wird durch eine 1,0 m lange Leuchtstoffröhre ersetzt, die in derselben Höhe waagerecht hängt. Beschreiben Sie, wie sich der Schatten dadurch verändert.
Hinweis zu Aufgabe a)
Zwei Eigenschaften der Lichtquelle sind entscheidend: ihre Ausdehnung und die geradlinige Ausbreitung des Lichts.„Erklären“ verlangt die Zurückführung auf ein Gesetz, nicht nur die Feststellung „er ist scharf“.
Hinweis zu Aufgabe b)
Zeichnen Sie den Strahl, der die Pfostenspitze gerade streift. Er bildet mit dem Boden zwei ähnliche Dreiecke: eines mit der Laterne, eines mit dem Pfosten.
Hinweis zu Aufgabe c)
Überlegen Sie, wie viele „Punktlichtquellen“ eine ausgedehnte Röhre ersetzt und was jede einzelne davon erzeugt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Licht breitet sich in der homogenen Luft geradlinig aus. Die Schattengrenze ist deshalb die Verlängerung genau des einen Strahls, der die Pfostenspitze streift.

Weil die Laterne punktförmig ist, gibt es zu jedem Punkt des Bodens nur die Alternative „Strahl kommt an“ oder „Strahl ist verdeckt“. Ein Übergangsbereich, in dem nur ein Teil der Quelle sichtbar wäre, existiert nicht — der Rand ist scharf.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Der streifende Strahl geht von der Laternenspitze über die Pfostenspitze zum Schattenende. Mit der Schattenlänge s (gemessen ab dem Pfostenfuß) gilt nach den Strahlensätzen:

hP : hL = s : (d + s), also 1,0 : 5,0 = s : (3,0 m + s).

Daraus folgt 5,0 · s = 3,0 m + s, also 4,0 · s = 3,0 m und s = 0,75 m. Der Schatten ist damit deutlich kürzer als der Pfosten hoch ist — die Laterne steht ja auch höher als er.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Eine ausgedehnte Lichtquelle wirkt wie sehr viele Punktquellen nebeneinander. Jede davon erzeugt ihren eigenen Schatten, und diese Schatten sind gegeneinander verschoben.

Dort, wo alle Einzelschatten übereinanderliegen, bleibt es völlig dunkel — das ist der Kernschatten, der jetzt kürzer ist als vorher. Ringsherum entsteht ein Bereich, in dem nur ein Teil der Röhre verdeckt ist: der Halbschatten, der nach außen allmählich heller wird. Der Schattenrand ist also nicht mehr scharf, sondern verlaufend.

2

Warum totale Sonnenfinsternisse selten sind

AFB III

Bei einer Sonnenfinsternis schiebt sich der Mond zwischen Sonne und Erde. Ob eine Finsternis total oder nur ringförmig ist, entscheidet die Länge des Mond-Kernschattens.

M1Daten (gerundet)
GrößeWert
Durchmesser der Sonne1,392 · 106 km
Durchmesser des Mondes3476 km
Abstand Sonne – Mond1,496 · 108 km
Abstand Mond – Erde (kleinster / größter)356 400 km / 406 700 km

Alle Körper werden als Kugeln, die Bahnen als kreisähnlich angenommen.

  1. Erklären Sie, warum der Mond überhaupt einen Kern- und einen Halbschatten wirft.
  2. Berechnen Sie die Länge des Mond-Kernschattens.
  3. Beurteilen Sie mit Hilfe Ihres Ergebnisses, warum totale Sonnenfinsternisse selten sind und warum es überhaupt ringförmige Finsternisse gibt.
Hinweis zu Aufgabe a)
Die Sonne ist keine Punktlichtquelle, sondern eine riesige leuchtende Kugel.
Hinweis zu Aufgabe b)
Die Verbindungslinien der äußeren Sonnen- und Mondränder schneiden sich hinter dem Mond in der Kernschattenspitze. Es entstehen zwei ähnliche Dreiecke; ihr Größenverhältnis ist dM : (DS − dM).„Berechnen“ verlangt den Ansatz mit eingesetzten Zahlen, nicht nur das Ergebnis.
Hinweis zu Aufgabe c)
Vergleichen Sie die berechnete Länge mit den beiden Mondabständen aus M1.
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Die Sonne ist eine ausgedehnte Lichtquelle. Punkte hinter dem Mond, von denen aus die gesamte Sonnenscheibe verdeckt ist, liegen im Kernschatten; Punkte, von denen aus nur ein Teil verdeckt ist, liegen im Halbschatten.

Weil die Sonne zudem größer ist als der Mond, laufen die äußeren Randstrahlen hinter dem Mond aufeinander zu: Der Kernschatten ist ein Kegel mit endlicher Länge und keine unendliche Röhre.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Aus der zentrischen Ähnlichkeit folgt L : a = dM : (DS − dM) mit dem Abstand a = 1,496 · 108 km.

L = 3476 km · 1,496 · 108 km : (1,392 · 106 km − 3476 km)

L = 3476 · 1,496 · 108 : (1,3885 · 106) km ≈ 3,7 · 105 km, also rund 374 000 km.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Der Kernschatten ist mit rund 374 000 km ungefähr so lang wie der Mond von der Erde entfernt ist. Das ist ein bemerkenswerter Zufall — und er hat zwei Folgen.

Steht der Mond nahe am erdnächsten Punkt seiner Bahn (356 400 km), reicht die Kernschattenspitze bis auf die Erdoberfläche: Es gibt eine totale Finsternis, allerdings nur in dem schmalen Streifen, den der Schattenkegel überstreicht. Steht er weiter weg (bis 406 700 km), endet der Kernschatten vor der Erde. Dann ist von der Sonne noch ein Ring zu sehen — eine ringförmige Finsternis.

Totale Finsternisse sind also selten, weil dafür drei Bedingungen zugleich erfüllt sein müssen: Neumond, der Mond nahe der Erdbahnebene und ein hinreichend kleiner Erdabstand — und selbst dann ist nur ein schmaler Streifen der Erde betroffen.