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Schatten

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Physik und Kunst – Perspektiven und Wechselbeziehungen

Farbfraktal011Vortrag auf Lehrerfortbildungstagung Physik – Jenseits des Tellerrands – Physik im fächerverbindenden Kontext  am 6.11.2015 in Leinsweiler

Kurzfassung:
Obwohl Physik und Kunst normalerweise als stark unterschiedliche Ausprägungen unserer Kultur angesehen werden, weisen sie zahlreiche Beziehungen auf. Sie äußern sich u. a. in gemeinsamen Ideen, verblüffenden Überschneidungen, überraschenden Wechselwirkungen. Einige Aspekte dieser Wechselbeziehungen werden im Hinblick auf eine mögliche Einbeziehung in den Physikunterricht beispielhaft dargestellt und diskutiert.

Das Auge sieht, was es sucht
Max Slevogt

Kunst gibt nicht das Sichtbare wieder,
sondern macht sichtbar
Paul Klee

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Magische Momente – der Sprung ins neue Lebensjahr

Lano-zum-3-LebensjahrDie Geschichte von Peter Schlemihl lehrt uns, dass der Verlust des eigenen Schattens ein ernsthaftes Problem werden kann. Schon der Verlust des Kontakts zwischen Urbild und Schattenbild hat etwas Magisches. Zwar wird es meist nicht bemerkt und in vielen Alltagssituationen ist die Trennung auch nur temporär, aber es heißt: dass der Moment der Loslösung vom Schatten genutzt werden kann, sich etwas zu wünschen. Im vorliegenden Fall ist es nur der Ball, der diesen Moment erlebt. Er ist sogar daran gewöhnt, denn seine Bestimmung ist es, in der Luft zu sein und das ist für einen Ball schon Magie genug. Aber wie ist es mit einem springenden Menschen? Lano, du springt heute vom 2. ins 3. Lebensjahr. Dazu gratulieren wir dir sehr herzlich. An solchen Tagen gehen Wünsche gewöhnlich auch ohne solaren Schatten in Erfüllung.

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Der Schatten – das wunderliche Tier neben mir

Schattentier2Der Schatten

Da ich heut morgen im Garten saß
Die Bäume standen in blauer Blüh,
Voll Drosselruf und Tirili
Sah ich meinen Schatten im Gras,

Gewaltig verzerrt, ein wunderlich Tier,
Das lag wie ein böser Traum vor mir.

Und ich ging und zitterte sehr,
Indes ein Brunnen ins Blaue sang
Und purpurn eine Knospe sprang,
Und das Tier ging nebenher.

Trakl, Georg: Der Schatten

Schatten, die keine sind

SchattenreflexeAuf den ersten Blick würde man sagen, dass wir hier auf die Schatten von Blättern auf der Wasseroberfläche eines Gewässers blicken. Doch bei näherem Hinsehen könnten auch Spiegelungen in Frage kommen, denn die andeutungsweise grüne Färbung der Abbildungen weist genau in diese Richtung. Dagegen spricht jedoch, dass bei einer Spiegelung der nur wenig Licht aussendenden Unterseite der Blätter die grüne Farbe kaum mehr zu erkennen sein dürfte. Der grüne Schimmer könnte vielleicht vom Boden stammen, da die Abbilder der Blätter das Wasser „durchsichtiger“ machen, als es an anderen Stellen ist und die Bodenstruktur besser erkennen lassen. Weiterlesen

Wasserläufer und Leonardokreuz

Leonardokreuz am Rande eines schwimmenden HolzstücksAuf diesem Foto sieht man unter anderem den Schatten eines Wasserläufers. Dieses Abbild ist auffälliger als das Urbild. Merkwürdig ist, dass dort, wo man die feinen Schatten der filigranen Füße erwartet, verhältnismäßig große Schattenovale auftauchen. Es sind auch gar nicht die Schatten der Füße, vielmehr rühren sie von den schüsselartigen Vertiefungen her, die der Wasserläufer mit seinen hydrophoben Füßen auf der Wasseroberfläche hervorruft. Die Oberflächenspannung des Wassers verhält sich bei nichtbenetzbaren (hydrophoben) Gegenständen wie eine elastische Haut. An der konkaven Wölbung dieser Vertiefungen im Wasser wird das einfallende Licht gebrochen und daher zu den Seiten abgelenkt. Dadurch gelangt an diesen Stellen weniger Licht auf den Boden des Gewässers und lässt den Bereich als Schatten erscheinen. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Mai

112_Tropfen-auf-BlattAuf diesem sind einige interessante physikalische Phänomene zu sehen. Welche?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Halo und Kondensstreifen

Rätselfoto des Monats April 2015

111_Halo_kondensstreifen_scWelche physikalisch interessanten Phänomene sind zu sehen?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Stall-in-Flammen

Wasserheiligenschein

Wasserheiligenschein

Heiligenscheine auf dem Wasser gelten als seltenes Naturphänomen. Zumindest muss man diesen Eindruck bekommen, wenn man ihren Bekanntheitsgrad bedenkt. Dabei sind sie meiner Erfahrung nach häufiger zu sehen, als Heiligenscheine auf der feuchten Wiese. Zumindest wenn man ein wenig nachhilft. Im Grunde eignen sich viele Teiche, künstlich angelegte Gartenteiche eingeschlossen. Was meistens fehlt ist eine gewisse Welligkeit des Wassers, die neben der fast immer vorhandenen leichten Trübung des Wassers unabdingbar ist für das Auftreten des Phänomens. Die Welligkeit kann man aber leicht selbst erzeugen, wenn man beispielsweise mit einem Stock im Bereich des eigenen Schattens im Wasser etwas herumrührt. Während der Zeit, in der sich das Wasser wieder beruhigt, sieht man deutlich die Strahlen, die den eigenen Kopfschatten zu umgeben scheinen. So ist auch dieses Foto entstanden.

Walt Whitman muss so etwas gesehen haben, wenn er schreibt:

Sah den Widerschein des Sommerhimmels  im Wasser,
Fühlte meine Augen geblendet von der schimmernden Strahlenspur,
Schaute hinab auf die feinen, strahlenden Lichtspeichen  um die Form meines Kopfes im sonnigen Wasser, …

Nimm in dich den Sommerhimmel, du Wasser, und halte ihn treulich, bis alle herniederschauenden Augen ihn wieder trinken können aus dir!
Strahlt, feine Lichtspeichen, um das Spiegelbild meines / Kopfes, oder des Kopfes irgendeines anderenen, in dem sonnigen Wasser…

Walt Whitman: Auf der Brooklyn- Fähre. Grashalme. Zürich: Diogenes 1995

Der Schatten da, mein Ebenbild…

SchattenverfolgungDer Schatten da, mein Ebenbild, der hin und her läuft und seinem Broterwerb nachgeht und verhandelt und schwatzt,

Wie oft ertappe ich mich dabei, daß ich stehe und ihm zuschaue, wie er herumflitzt,

Wie oft frage und zweifle ich, ob ich das wirklich bin;

Aber wenn ich mit denen bin, die mich lieben, und diese Lieder singe,

O dann zweifle ich nie, ob ich das wirklich bin.

Whitman, Walt: Grashalme. Zürich: Diogenes 1955

Eine Kerzenflamme und ihr Schatten zum 2. Advent

2_AdventHier sieht man eine brennende Kerze vor einer vom Sonnenlicht erhellten Fensterleibung. Nicht nur die Kerze, auch die Flamme ruft einen wenn auch mickrigen Schatten hervor. Aus der Erzählung: Peter Schlemihls wundersame Geschichte von Adelbert Chamisso (1781 – 1831) wissen wir, wie lebenswichtig und bedeutend der Schatten sein kann. Daher werden die Kerzenflamme und ihr Schatten  dem 2. Advent durchaus gerecht.

Bleibt die Frage, wie eine Lichtquelle, die ja selbst in der Lage ist Schatten hervorzurufen, einen eigenen Schatten haben kann. Wie man an der schlanken Form des Flammenschattens sieht, ist er nicht ganz vollständig. Der äußere fast farblose Saum der Flamme ist nämlich lichtdurchlässig und wirft daher keinen Schatten. Der innere Kern der Flamme, dem wir die Leuchtkraft der Kerze verdanken, ist paradoxerweise zumindest teilweise lichtundurchlässig. Das liegt daran, dass dieser Bereich von Kohlenstoffteilchen (Ruß) erfüllt ist, die kein Licht durchlassen und daher als Schattengeber wirken. Die Kohlenstoffteilchen glühen und strahlen daher das typisch gelbliche Licht der Kerze aus.

Vorspiegelungen beim Blick durch eine gläserne Balkontür

IMG_8892baDas Foto sieht manipuliert aus, ist es aber nicht. Der Fotograf steht vor einem Balkonfenster und fotografiert die Szenerie, die sich in dem Fensterglas spiegelt. So weit so gut, wäre da nicht ein zweites Bild des Fotografen just an der Stelle, an der er den Fotoapparat hält. Es sieht fast so aus, als würde man hier das überdimensionale Display des Apparats vor Augen haben und einen Teil des Fotos sehen.
Des Rätsels Lösung: Damit die Spiegelung an einer Fensterscheibe, die (bei senkrechtem Einfall) ja nur knapp 8% des Lichts reflektiert, so gut ausfällt wie in diesem Foto, darf kaum Licht aus dem Raum zurückgestreut werden. Das setzt entweder dunkle Wände und Möbel voraus und/oder wie im vorliegenden Fall, dass die in der Scheibe gespiegelten Gegenstände sehr hell sind. Auf diese Weise überstrahlen sie das aus dem Zimmer zurückkommende Licht weitgehend. Weiterlesen

Das Geheimnis des blauen Schattens

sts98plume_nasa_1111a KopieSchlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 10 (2014), 52 – 53

Zwischen untergehender Sonne und aufgehendem Mond lässt der Abgasschweif einer Rakete einen rätselhaften Schattenstrahl entstehen.

Was der Mensch sieht, hängt sowohl davon ab,
worauf er blickt, wie davon, worauf zu sehen
ihn seine visuell-begriffliche Erfahrung gelehrt hat.

Thomas S. Kuhn (1922 – 1996)

PDF: Das Geheimnis des blauen Schattens

Eratosthenes meets Arno Schmidt

Eratosthenes-Wüste2Wenn man über die astronomischen Errungenschaften der Antike liest, werden oft Dinge als selbstverständlich angenommen, die es in der damaligen Zeit nicht waren. So hat Eratosthenes den Erdumfang dadurch bestimmt, dass er in Alexandria zu dem Zeitpunkt, da die Sonne in Syene, dem heutigen Assuan, in einem Brunnen zu sehen war, also im Zenit stand, den Schatten eines Schattenstabs mit 7,2° bestimmte. Das ist der 50. Teil des Erdumfangs. Unter der Voraussetzung, dass beide Städte auf demselben Längengrad liegen – was nicht ganz zutrifft (3° Unterschied) – lässt sich daraus der Erdumfang bestimmen, wenn man nur den Abstand zwischen Alexandria und Syene hätte. Eratosthenes soll die Entfernung von Schrittzählern bestimmt haben lassen, so liest man oft ganz lapidar. Was das aber im Einzelnen bedeutet, darüber hat sich Arno Schmidt in seiner Erzählung „Enthymesis oder W.I.E.H.“ hineinzudenken versucht: Weiterlesen

Rhapsodie in grün

DSCF1313daEin grünes Blatt ist grün ist grün ist grün… Und dennoch ist es kaum zu glauben, dass wir hier dasselbe Blatt sehen, einmal im prallen Sonnenlicht und einmal im Schatten. Aber was heißt schon Schatten. Es heißt nicht, Abwesenheit von Licht, sondern in diesem Fall Abwesenheit von direktem Sonnenlicht. Weiterlesen

Welt der Schatten

Sofi31_05_03_010brvSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 7 (2014), S. 60 – 62

Frühe Naturforscher trugen maßgeblich zu unserem naturwissenschaftlichen Weltbild bei, indem sie die von astronomischen Körpern geworfenen Schatten vermaßen.

»Nichts ist begreiflich
ohne Licht und Schatten«
Leonardo da Vinci (1452 – 1519)

PDF: Welt der Schatten

 

 

Eines der eindrucksvollsten Schattenphänomene, die Sonnenfinsternis

Rätselfoto des Monats Februar 2014

097_Abbildung im SchneeWie kommt es zu dieser Abbildung im Schnee?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Blatt als Wärmeabsorber

Paradoxe Schatten

paradoxe SchattenUcke, Christian; Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 44/6 (2013), S. 272-273

Das Licht der Sonne erzeugt von einem in Wasser schwimmenden Ball unter gewissen Bedingungen mehrere Schatten. Dieser scheinbar paradoxe Effekt lässt sich ganz klassisch mit dem Brechungsgesetz erklären.
Lebte man auf einem Planeten, der um ein Doppelsternsystem kreist, würde man sich nicht wundern, wenn man hinter einem Gegenstand zwei Schatten sieht. Es gibt tatsächlich derartige, in Wirklichkeit ziemlich unwirtliche Planeten, beispielsweise Kepler-16b und Kepler-34b. In der Science-Fiction-Saga Star Wars mit Luke Skywalker wurde ein entsprechender, allerdings lebensfreundlicher Planet namens Tatooine vorweggenommen. Sieht man jedoch auf der Erde in einem flachen Kinderswimmingpool bei einem schwimmenden, steil von einer Sonne beleuchteten Ball sogar drei Schatten, so erzeugt das Irritationen und Neugierde zugleich.

PDF: kann beim Autor angefordert werden (Schlichting@uni-muenster.de)

Lektüre, die das Herz erfreut

Linsenherz_rvDie Überraschung, die man erleben kann, wenn man seine Leselupe bei der Lektüre kurz auf dem Buch ablegt, bringt ein unerwartetes Phänomen hervor: Das Bild eines stilisierten Herzens scheint auf dem ersten Blick die Solidität der Lupe Lügen zu strafen, scheint es doch sehr weit von dem entfernt, auf was man realiter gefasst ist. Wenn man dann auch noch aus der persönlichen Befindlichkeit heraus oder durch die Wirkung des gerade gelesenen Inhalts des Buchs darin eine zeichenhafte Repräsentation zu sehen geneigt ist, kann der nüchterne physikalische Hintergrund leicht in Vergessenheit geraten: ein Schatten, der auf eine unebene Fläche, eine von zwei Seiten spitz zulaufende Vertiefung, fällt. Die Kreisform des Originals wird daher so deformiert, dass eine Herzform entsteht. Trotz dieser einfachen Erklärung bleibt natürlich der ästhetische Reiz und für diejenigen, die sich eine gewisse wohltuende Naivität bewahrt haben, das Erstaunen über ein sinnstiftendes Zusammentreffen zufälliger Gegebenheiten auf unterschiedlichen Bedeutungsebenen.

Virtuelle Welten unter dem Fußboden

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/2 (2011), S.53-54

Das Phänomen der spiegelnden Reflexion ist uns weniger vertraut, als wir denken. Gelegentlich tritt es sogar mit Schattenbildern in Konkurrenz

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/virtuelle-welten-unter-dem-fussboden/1057466

Warum die Sonne (k)ein Loch in die Welt brennt

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 9 (2009), S. 38

Im hellen Sonnenschein scheinen selbst solide Gegenstände durchsichtig zu werden.

Einst sah ich eine schwarz gekleidete Frau mit weißem Kopftuch;
dieses Tuch schien doppelt so breit wie ihre Schultern zu sein,
welche schwarz bekleidet waren
Leonardo da Vinci (1452 – 1519)

„So bemerken wir, wenn wir die Sonne durch die kahlen Zweige des Baumes betrachten, daß alle Zweige die vor der Sonnenscheibe liegen, so dünn sind, daß man sie nicht mehr sieht…
Einst sah ich eine schwarz gekleidete Frau mit weißem Kopftuch; dieses Tuch schien doppelt so breit wie ihre Schultern zu sein, welche schwarz bekleidet waren . . .
Zwischen den Zinnen von Befestigungen gibt es Zwischenräume, die genauso breit sind wie die aufragenden Teile, und doch erscheinen erstere etwas breiter als letztere“ [1]. Weiterlesen

Helle Streifen – blaue Schatten

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 8 (2009), S. 42

Es ist nur ein Brückengeländer im Sonnenlicht. Erst wer genauer hinsieht, durchschaut die Regeln des Licht- und Schattenspiels.

Zum Dank dafür, daß das Licht sie bescheint,
werfen die Dinge Schatten.
Friedrich Hebbel (1813 – 1863)

Schattentheater am Himmel

SchattentheaterSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 5 (2009), S. 33

Damit sich Licht- und Schattenstraßen über das abendliche Firmament erstrecken, bedarf es tief liegender Wolken und vieler Wassertröpfchen als »Leinwand«

Ohne den Staub, worin er aufleuchtet,
wäre der Sonnenstrahl nicht sichtbar.
André Gide (1869 – 1951)

Spiegelbild, Schatten und gespiegelter Schatten. Vertraute Phänomene in unvertrauten Zusammenhängen.

SchattenSpiegel022Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 49/4 (2006) 196 – 202

Schatten und Spiegelung sind vertraute Abbildungen, unter denen ein Mensch seiner selbst ansichtig werden kann. Weniger vertraut sind Situationen, in denen eine Person im Lichte der Sonne gleichzeitig über zwei Schatten oder einen Schatten und ein Spiegelbild verfügt. Diese auf den ersten Blick erstaunlichen Phänomene sollen im Folgenden dargestellt und physikalisch erklärt werden. Sie können als Beispiele dafür angesehen werden, dass die Schwierigkeit der physikalischen Erklärung nicht in der Kompliziertheit der physikalischen Grundlagen liegen muss, sondern in der Unvertrautheit des lebensweltlichen Zusammenhangs.

PDF: Spiegelbild, Schatten und gespiegelter Schatten. Vertraute Phänomene in unvertrauten Zusammenhängen.

„Der Mensch, das Augenwesen, braucht das Bild*“ Bildbeschreibungen als Zugang zu optischen Naturphänomenen

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften. Physik in der Schule 55/3 (2006) 19 – 23

Was ist das Schwerste von allem?
Was dir das Leichteste dünket:
Mit Augen zu sehen,
was vor den Augen dir liegt.

Johann Wolfgang von Goethe

Unter Naturphänomenen versteht man normalerweise jene spektakulären Großereignisse wie Regenbögen, Koronen, Halos… Sie sind vielfach beschrieben worden und werden wohl auch in Zukunft immer wieder Gegenstand fachwissenschaftlicher und fachdidaktischer Auseinandersetzungen sein. Zahlreiche kleinere und unscheinbare Phänomene und auch solche, die es möglicherweise erst noch zu entdecken gilt, finden dagegen kaum Beachtung.
Auf solche alltäglichen Naturphänomene soll im Folgen-Hinterfragen von Selbstverständlichkeiten den aufmerksam gemacht werden mit dem Ziel, die Lernenden anzuregen, hinter dem Alltäglichen interessante physikalische Zusammenhänge aufzuspüren und auf diese Weise eine „neue“ Sichtbarkeit zu ermöglichen. Wir gehen dabei von der Überzeugung aus, dass es nicht ausreicht, die Lernenden in der Schule mit den physikalischen Grundkenntnissen (im vorliegenden Fall: Modell des Lichtstrahls, Reflexionsgesetz, Brechungsgesetz) auszustatten und zu erwarten, dass sie damit auch bereits in der Lage wären, diese Kenntnisse in realen Situationen anzuwenden…

* Leonardo da Vinci

PDF: „Der Mensch, das Augenwesen, braucht das Bild“ Bildbeschreibungen als Zugang zu optischen Naturphänomenen

Im Doppelschatten

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 36/4, 184 (2005).

Hin und wieder beobachtet man zwei Schatten eines Gegenstandes oder einer Person, obwohl nur eine Lichtquelle vorhanden ist.
Diese verblüffenden Doppelschatten entstehen, wenn ein Gegenstand nicht nur direkt, sondern gleichzeitig von reflektiertem Sonnenlicht getroffen wird.

PDF: Im Doppelschatten

Schatten, Bild und Spiegelung

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 35/5, 245 (2004).

Wenn Licht von einer Fläche sowohl spiegelnd als auch diffus reflektiert wird, kann es zu überraschenden Situationen kommen. Spiegelbild und Schatten sehen sich beide oft zum Verwechseln ähnlich – wenn man nicht genau genug hinschaut.

PDF: Schatten, Bild und Spiegelung

Farbige Schattensäume im Wasser.

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 34/4, 177-179 (2003).

Schatten und Schmutz können in Gewässern zu ästhetisch ansprechenden Farberscheinungen führen, die oft übersehen und erst auf den zweiten Blick verständlich werden.

PDF Farbige Schattensäume im Wasser.

Der Strahlenkranz im sonnigen Wasser

Heiligenschein-im-trüben-WaSchlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 31/2, 86-87 (2000).

Wie in der Kunst gibt es auch in der Natur neben dem kreisförmigen Heiligenschein einen strahlenförmigen Nimbus um den Kopfschatten „auserwählter“ Personen. Er ist in leicht getrübtem Wasser zu beobachten.

PDF: kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

Zur astronomischen Bedeutung von Schatten

Schlichting, H. Joachim; Backhaus, Udo. In: W. Kuhn (Hrsg.): Vorträge der Frühjahrstagung 1987 der DPG. Berlin 1987, S. 305

Unter Schatten verstehen wir eine dimensional reduzierte Projektion eines Gegenstandes. Der Schatten ist deshalb strukturärmer und einfacher zu beschreiben. Er ist andererseits wegen dieser Eigenschaft nicht mit seinem Urheber zu verwechseln. Das leuchtet etwa beim Vergleich eines Menschen mit seinem Schatten unmittelbar ein. Die Untersuchung von Schatten, Schattenlesen im engeren wie im weiteren Sinne ist real wie metaphorisch typisch für die naturwissenschaftlich Erkenntnisgewinnung. Bei der Bewertung der Erkenntnisse wird in diesem Fall die Differenz zwischen Schatten und Original allerdings leicht übersehen. Wir wollen anhand einiger astronomischer Beispiele zeigen, dass die grundlegenden Vorstellungen über unsere Welt aus einfachen, von jedermann real nachvollziehbaren Beobachtungen gewonnen werden
können. Die Einfachheit der Beobachtungen soll angesichts der Kompliziertheit unseres Weltbildes auf die nicht zu unterschätzende Rolle von Konventionen bei der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung verweisen.

PDF: Zur Astronomischen Bedeutung von Schatten