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Die Physik im Dienst der Kunst – zum 500. Todestag Leonardo da Vincis

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 5 (2019) S. 64 – 67

Er glich einem Menschen,
der in der Finsternis zu früh erwacht war,
während die anderen noch alle schliefen.
Sigmund Freud (1856–1939)

Leonardo da Vinci war überzeugt, die Praxis müsse stets auf guter Theorie beruhen. Seine eigenen Untersuchungen zu optischen Erscheinungen machten ihn zu einem Vorreiter der neuzeitlichen Physik.

Heute vor 500 Jahren ist Leonardo da Vinci in Frankreich gestorben. Er ist vor allem als Ausnahmekünstler in Erinnerung geblieben – einige seiner Gemälde gehören zu den berühmtesten der Welt. Weniger bekannt ist, dass er sich als Naturforscher optische Regeln für sein künstlerisches Schaffen erarbeitet hat. Die meisten davon sind noch heute gültig, 500 Jahre nach seinem Tod. Mit Hilfe seiner physikalischen Einsichten verlieh er beispielsweise der Mona Lisa über die bloße realistische Abbildung hinaus eine große Lebendigkeit.
So nutzte Leonardo auf einfühlsame Weise Lichteffekte auf dem Körper und dem Gewand. Er forderte, Schatten »sollen nie so beschaffen sein, dass durch ihre Dunkelheit die Farbe an dem Ort, wo sie entstehen, ganz verlorengeht«. Man dürfe keine scharfen Umrisse machen und keine weißen Lichter setzen, außer auf weiße Dinge. Darüber hinaus nutzte er einen Aspekt der Farbperspektive aus, der in dem typischen Blauschimmer ferner Objekte zum Ausdruck kommt: »Ein sichtbarer Gegenstand wird seine wirkliche Farbe in dem Maße weniger zeigen, in dem das zwischen ihn und das Auge eingeschobene Mittel an Dicke der Schicht zunimmt. Das Mittel zwischen dem Auge und dem gesehenen Gegenstand wandelt die Farbe dieses Gegenstandes zur seinigen um.« Er erkannte, dass Wechselwirkungen des weißen Sonnenlichts beim Durchgang durch eine größere Luftschicht eine Blautönung bewirken. Damit war er seiner Zeit weit voraus. Erst der britische Lord Rayleigh konnte Ende des 19. Jahrhunderts das Himmelsblau erklären. Doch bereits Leonardo hatte den richtigen Ansatz: Der Himmel wird deshalb hell und blau, weil »winzige und unsichtbare Atome es streuen«. Er täuschte sich nur darin, dass er Wasserteilchen in der Luft für die Ursache hielt und nicht die Luft selbst…. weiterlesen

Leonardo hat uns auch Rätsel hinterlassen, von denen er sicherlich die Lösung wusste. So sagt er beispielsweise »Man wird oftmals sehen, wie aus einem Menschen drei werden, und alle ihm folgen: und häufig verlässt sie gerade dieser eine, der ähnlichste«. Ob er damit den Doppelschatten eines Menschen gemeint hat, wie er im Foto zu sehen ist und das als Schattengeber fungierende Original hinzugenommen hat?

 

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Eine ansteigend geordnete, eingerollte Gebärde…

Die meisten Leute kranken daran, daß sie nicht aussagen können, was sie sehen und was sie denken. Man behauptet, es sei nichts schwieriger als eine Spirale in Worten zu definieren: Man muß dazu, sagt man, in der Luft mit der literaturlosen Hand eine ansteigend geordnete, eingerollte Gebärde vollführen, dank welcher sich diese abstrakte Figur der Sprungfedern oder manchen Treppen den Augen darstellt. Weiterlesen

Beugung zwischen zwei Fingern?

In letzter Zeit hatte ich mehrere Anfragen zu einem Phänomen, das ich bereits aus dem Physikunterricht meiner eigenen Schulzeit kannte. Dabei geht es darum, dass man beim Blick durch  einen möglichst kleinen Spalt zwischen zwei Fingern dunkle Streifen sehen kann. Nähert man beispielsweise Daumen und Zeigefinger einander bis auf einen winzigen Spalt an (Foto) und blickt hindurch, so sieht man dazwischen dunkle Streifen. Weiterlesen

Probleme beim Übertritt einer Grenze

„I see nobody on the road,“ said Alice.

„I only wish I had such eyes,“ the King remarked in a fretful tone.
„To be able to see Nobody! And at that distance too!
Why, it´s as much as I can do to see real people, by this light!“*

*Lewis Carroll. Alice’s Adventures in Wonderland & Through the Looking-Glass Weiterlesen

Wege 11: Winterliche S-Kurven

Ich kenne diese beiden Wege seit Jahren. Aber nie war mir aufgefallen, wie sehr sie sich ähneln. In beiden Fällen handelt es sich um eine S-Kurve, die zum einen durch Schienen und zum anderen durch eine Straße realisiert wird, auf der die dunkle Wagenspur den ebenfalls dunklen Bahnschienen entspricht. Indem sie in einem kontrastreichen Hell-Dunkel-Kontext erscheinen, wird ihre Strukturähnlichkeit  zu einem Phänomen. Die durch die Schneedecke von den normalerweise vorhandenen Details befreiten Anblicke machen die Entsprechungen erst auffällig.
Wie der Zufall es will, kommt es interessanterweise auch noch in einer strukturellen Übereinstimmung am Rande der Fahrspuren: Dem durch die Bahnschwellen hervorgerufenen periodischen Höhenprofil entspricht auf der Straße die Profilspur eines Traktors.

Mondtropfen

Ich zeigte einmal einer Gesellschaft, die wenig oder nichts von Astronomie wußte, den zunehmenden Mond durch ein Fernrohr, das stark vergrößerte. Verschiedene darunter fragten, ob nicht Tropfen auf dem Glase hingen? Die Flecken im Monde haben in den Vierteln wirklich einige Ähnlichkeit mit Regentropfen an einer Fensterscheibe, in denen sich etwa die gegenüberstehenden Häuser dunkel und der Himmel hell darstellt.
Georg Christoph Lichtenberg (1742 -1799)

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Dreimal im Auge des Betrachters

Sieh zu den Fenstern meiner Augen hinein.

Georg Büchner (1813 – 1837)

Im Auge des Betrachters ist man auf mehrere Weisen präsent; als Linsenabbildung auf der Netzhaut, als Spiegelbild auf der Hornhaut und als Wahrnehmungsinhalt im Gehirn. Letzteres vermutlich aber nur, wenn den beiden Bildern die dafür nötige Aufmerksamkeit geschenkt wird. Diese Einsicht kann man zwar auch ohne Anschauungshilfe erlangen. Als ich mich aber eines Tages im Auge unseres Hundes gespiegelt sah, war sie aufeinmal ohne bewusste Bemühungen da.
Interessanterweise spielt die Tatsache, dass ich mich im Auge meines Gegenüber gespiegelt sehe, für dessen Wahrnehmung überhaupt keine Rolle, denn dieser Anteil des auftreffenden Lichts und die damit verbundene Information wird ja gerade vom Auge reflektiert, also postwendend zurückgeschickt.

Beobachten und beobachtet werden

abend_dsc07491_rvDer am Fenster sitzende Beobachter ist fast sprichwörtlich. Er zieht sich wie ein roter Faden durch die Literaturgeschichte. Man denke nur etwa an die Erzählung E. T. A. Hoffmanns (1776 – 1822) Des Vetters Eckfenster. Die Eignung des Fensters zum Beobachten hat mehrere Gründe, auch physikalische. Wenn ein Fenster durch keine Gardine verschleiert wird, ist der Beobachter am Tage weitgehend vor Blicken von außen geschützt – es sei denn, er hockt unmittelbar hinter der Scheibe. Weiterlesen

Der Blick aufs Meer

fenster_1_meerblickUnd so bin ich jetzt am Meer angelangt. Das Meer. Auch das Meer ist, ebenso wie alles andere, begrenzt, wissen Sie, nur, daß es sich hier ähnlich wie mit den Sonnenuntergängen verhält, es ist schwierig, den Grundgedanken herauszuarbeiten, ich meine, Kilometer um Kilometer von Felsenriffen, Ufern und Stränden in einem einzigen Bild zusammenzufassen, in einem Konzept für die Begrenzung des Meeres, etwas, was sich in wenigen Zeilen niederschreiben läßt, das in ein Lexikon paßt, damit die Menschen, die es später lesen, begreifen könne, daß das Meer ein Ende hat und wie es unabhängig von dem, was drum herum vor sich geht . . .

Aus: Alessandro Baricco. Oceano Mare – Das Märchen vom Wesen des Meere. München 2001.

Nicht nur das Meer selbst, auch der Blick ist begrenzt. Das Fenster stellt eine Möglichkeit dar, die Begrenzung in einen passenden Rahmen zu geben. Der Fensterblick macht das Unbegrenzte beherrschbar, indem es die Ausschnittshaftigkeit der Erkenntnis bereits in die Wahrnehmung integriert.
Ich kann stundenlang am Fenster sitzen und auf das Meer schauen.

Das zerfallende Haus abseits einer Ortschaft habe ich auf der Baleareninsel Formentera entdeckt.

 

Entlarvendes Spiegelbild

Spiegelbildentlarvung_rvWer denkt, er könne die Brücke im Schutz der Bäume unerkannt überqueren, der irrt sich. Das Spiegelbild im Wasser erlaubt es einem, gewissermaßen unter die Bäume hindurch zu blicken.
Die Fahrzeuge reflektieren das Licht diffus in alle Richtungen. Normalerweise erreicht uns nur das Licht, das auf direktem Wege zu unseren Augen gesandt wird, was in diesem Fall durch das dazwischen liegende Blätterwerk weitgehend verhindert wird. Weiterlesen

Sonnentalerassoziationen

SonnentalerpaarDer Geist des Wissenschaftlers funktioniert nach einem Verfahren der Bildassoziation, das die schnellste Methode der Verbindung und Auswahl zwischen den unzähligen Formen des Möglichen und Unmöglichen ist. Die Phantasie ist eine Art elektronische Maschine, die alle irgend möglichen Kombinationen durchprüft und diejenigen auswählt, die einem bestimmten Zweck entsprechen oder einfach die interessantesten, schönsten, amüsantesten sind, meint Italo Calvino (1923 – 1985). Was das nebenstehende Foto betrifft, so führt mich meine Fantasie auf ganz unwissenschaftliche Wege, wenn auch vielleicht nach demselben Prinzip, das in den Wissenschaften so erfolgreich ist.
Das Foto zeigt übrigens in Wahrheit eine Überlagerung von Sonnentalern unter dem Blätterdach von Bäumen und anderswo.

Die Glühlampe ist tot. Es lebe die Glühlampe…

Glühlampe-3_rvWir erleben es seit Jahren, dass die klassische Glühlampe Schritt für Schritt, das heißt von hohen zu niedrigeren Leistungen absteigend vom Markt genommen wird, weil sie energetisch ineffizient ist. Bevor dieses Projekt jedoch abgeschlossen ist, sitzt sie bereits auf der eigenen Nostalgiewelle und feiert als Designlampe ein strahlendes Comeback. Weiterlesen

Optische Täuschungen im Alltag

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften -PhiS 61/6 (2012), S. 5 – 14Clip_131.

Optische Täuschungen treten im Alltag der natürlichen und wissenschaftlich-technischen Welt häufiger in Erscheinung als uns normalerweise bewusst ist. Das wird an verschiedenen Beispielen dargestellt und diskutiert. Dabei wird gezeigt, dass Täuschungen nicht nur Defizite unserer Wahrnehmung darstellen, sondern oft eine konstruktive Rolle spielen. Auf jeden Fall sind Täuschungen lustig, faszinierend und fordern die physikalische Intuition heraus. Sie können daher eine Bereicherung für den Physikunterricht sein.

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

Von wegen 3D

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/7 (2012), S. 54-55

Ein verdunkeltes Auge genügt, damit unser visuelles System zweidimensionale Bilder als räumlich wahrnimmt. Das macht sich bei bewegten Bildern als 3D-Effekt bemerkbar.

Unsere Sinne hintergehen
fortwährend den Verstand.
Michel de Montaigne (1533 – 1592)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/von-wegen-3-d/1152347

Eine schöne Visualisierung des 3D-Effekts (auch Pulfrich-Effekt genannt) gelingt zum Beispiel durch einen Film eines Kettenkarussells, das durch eine Brille mit einem abgedunkelten Glas betrachtet wird.

 

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

Sehen Lernen – Vom alltäglichen Anblick zum physikalischen Durchblick

Schlichting, H. Joachim. In Physik Journal 7_8/9 (2008)  70 – 74

Physikalische Erkenntnis macht Altbekanntes zu einer neuen Realität, indem sie es aus einer neuen, der physikalischen Perspektive vor Augen führt. Die Physik
zeigt uns nicht nur das, was wir noch nicht kennen, sondern auch das, was wir kennen, wie wir es nicht kennen. So lassen sich auch dem Alltäglichen faszinierende physikalische Aspekte abgewinnen. Auf diese Weise kann man Schülerinnen und Schüler zu einer Auseinandersetzung mit der Physik auch außerhalb des Unterrichts motivieren und zu einer dauerhaften
Verankerung des Gelernten beitragen.

PDF: Sehen lernen – Vom alltäglichen Anblick zum physikalischen Durchblick

Kinetische Farben

Schlichting, H. Joachim; Suhr, Wilfried. In: Physik in unserer Zeit 38/4 (2007) 198-200

Wer seine Hand mit gespreizten Fingern vor den Augen hin und herbewegt und dabei prächtige Farberscheinungen beobachtet, könnte geneigt sein, den symbolischen Sinn einer solchen Bewegung auf sich selbst zu beziehen. Woher sollten die Farben kommen, wenn weit und breit kein farbiges Licht zu sehen ist?

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

Reflexionen im Alltag – Sehen lernen, was offen vor unseren Augen liegt

Schlichting, H. Joachim. In Johannes Grebe-Ellis & Florian Theilmann (Hrsg.): open eyes 2005 Ansätze und Perspektiven der phänomenologischen Optik. Berlin: Logos 2006

Das was wir sehen, hängt nicht nur davon ab, worauf wir blicken, sondern auch von der jeweiligen Lichtquelle, in deren Licht sie erscheinen. Streng genommen sieht man je nach der Oberflächenbeschaffenheit des betrachteten Gegenstandes eine mehr oder weniger verwickelte Überlagerung von Gegenstand und Lichtquelle. Indem der Vielfalt von Glanz und Glimmer an alltäglichen Beispielen und künstlerischen Darstellungen physikalisch nachgegangen wird,  soll der Blick geschärft werden für Phänomene, die normalerweise übersehen werden.

PDF: Reflexionen im Alltag – Sehen lernen, was offen vor unseren Augen liegt

Reflections of Reflections – From Everyday Life Phenomena to Physical Awareness

Schlichting, H. Joachim. In: G. Planinsic and A. Mohoric (eds.): Informal Learning and Public Understanding of Physics. Ljubljana: University Press 2006, pp. 40 – 52

Physical education contributes in a special way to general education of young people. Therefore, physics lessons may not be restricted to pure physical topics but have to be combined with everyday life phenomena and problems. However, this is not as simple as it may appear at first sight, for the everyday life world does not contain the physical aspects for direct reading. As the pupils and  students are not trained to look at the world from a physical point of view, they will not see what they should see, although their retinas might be exposed by physically interesting phenomena. We will demonstrate and further explain this problem by discussing appropriate photographs and paintings. Some preliminary investigations show that teaching and learning physics within the  context of everyday life phenomena may be very stimulating and successful.

PDF: Reflections of Reflections – From Everyday Life Phenomena to Physical Awareness

Elementare physikalische Modellvorstellungen zu Lichtphänomenen

Modellvorstellungen_zu_LichSchlichting, H. Joachim. In: Gisela Lück, Hilde Köster (Hrsg.): Physik und Chemie im Sachunterricht. Heilbronn und Braunschweig 2006, S. 57 – 74.

Licht ist eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass wir die uns umgebenden Dinge sehen. Von den Eigenschaften des Lichts hängt es maßgeblich ab, wie wir sie sehen bzw. wie sie uns erscheinen. Im Folgenden soll beispielhaft gezeigt werden, wie man ausgehend von optischen Alltags- und Naturerscheinungen über lebensweltliche Vorstellungen hinaus zu elementaren physikalischen (Modell-) Vorstellungen über das Verhalten des Lichts gelangen kann. Johann Wolfgang von Goethe hat sich stets dagegen gewehrt (siehe oben), das Licht zu spalten und in Strahlen u zerlegen. Will man jedoch zu physikalischen Beschreibungen gelangen, so kommt man nicht umhin, verallgemeinerungsfähige Merkmale des Lichts zu erarbeiten, die für sich betrachtet abstrakt und konstruiert wirken. Sie haben aber den für die physikalische Sehweise typischen Vorteil, dass die Vielzahl von Lichtphänomenen auf wenige Prinzipien zurückgeführt werden können. Diese Merkmale sind den Lichterscheinungen nicht unmittelbar anzusehen. Sie können aber mit Hilfe von Experimenten motiviert und nahe gelegt werden.
Zur Beschreibung von Lichtphänomenen, die im Rahmen der geometrischen Optik erklärt werden können – und auf solche wollen wir uns im folgenden beschränken – erweist sich das Konzept des Lichtstrahls als wesentliches theoretisches Konstrukt. Dem entsprechend werden wir zunächst der Frage nachgehen, wie man zu der Vorstellung des Lichtstrahls kommen kann. Dabei spielt die Lehre, die man aus Schattenphänomenen ziehen kann, eine wesentliche Rolle. Anschließend geht es um die Frage, wie mit Hilfe des Lichtstrahlkonzepts a) die Entstehung von Spiegelbildern und b) die Veränderungen (Brechung) des Lichts beim Durchgang durch durchsichtige Medien wie Wasser oder Glas erklärt werden können.

Das obige Foto zeigt den Blick durch eine transparente Glaskugel. Darin erscheint die die sichtbare Welt kopfstehend eingeschlossen. Kinder sind fasziniert von diesem Anblick.

PDF: Elementare physikalische Modellvorstellungen zu Lichtphänomenen

Perspektive täuscht

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 35/3, 145 (2004).

DomFlorenz004_rvDie perspektivische Verkürzung täuscht bekanntlich Konvergenzen vor, wo keine sind. In größeren Entfernungen, in denen das binokulare räumliche Sehen nicht mehr funktioniert, ist die perspektivischeTäuschung ein wesentliches Element der räumlichen Wahrnehmung. Der Dom Santa Maria del Fiore in Florenz bietet hierfür ein besonders beeindruckendes Beispiel. Mit diesem Beitrag beginnen wir eine Serie über Alltägliches und auf den zweiten Blick Verblüffendes.

PDF: Perspektive täuscht

Sichtbarkeit jenseits des Lichtes

Schlichting, H. Joachim. In: Physik und Didaktik in Schule und Hochschule 2/2, 81-89 (2003).

Die Linse ermöglicht den mikroskopischen und teleskopischen Blick in „Welten“, die dem „unbe-waffneten“ Blick prinzipiell verschlossen sind. Die nach ihrer Entdeckung einsetzenden naturwis-senschaftlichen Bemühungen, die Mikro- und der Makrowelt zu erschließen, stießen bald an eine Grenze, die in der Natur des Lichts erkannt wurde. Dadurch wurde eine Entwicklung in Gang ge-setzt, die schließlich zur Überwindung der optischen Sichtbarkeit führte und die Voraussetzungen für die moderne Mikrophysik und Kosmologie schuf. Dem Sehen kommt dabei nach wie vor eine große Bedeutung zu und wirft die didaktisch relevante Frage auf, welche Beziehungen zwischen dem Bild, dem als Konstrukteur handelnden Beobachter und der Realität auszumachen sind.

PDF: Sichtbarkeit jenseits des Lichtes

Die Welt jenseits der geschliffenen Gläser – Zur Bedeutung des Sehens in der klassischen Physik

Schlichting, H. Joachim. In: PhyDid 1/2 (2003) S. 9-18.

An der Schwelle zur Neuzeit steht ein technisches Objekt, ein Produkt der Brillenmacher, ein „Stückchen Glas, …auf Staub“ abgerieben: die Linse. Wie ein Deus ex machina fällt sie Galilei in die Hände und wird im tatsächlichen wie im übertragenen Sinne für eine verbesserte, ja eine neue Sehweise sorgen. Die vorher undenkbare Verbindung von Handwerkskunst und spekulativer Welterkenntnis, wird zu einem typischen Aspekt der neuzeitliche Physik.

PDF: Die Welt jenseits der geschliffenen Gläser – Zur Bedeutung des Sehens in der klassischen Physik

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