QuickPhysik

Schatten und eingebundene Perspektive

Beschreibung des Bildes — Schattenbilder einer Kneifzange, die mit verschieden geformten Lichtquellen beleuchtet wird. Die Form der Lichtquelle ist unten links angegeben.

Im Optikunterricht gelten Schatten als einfache Phänomene – Silhouetten von Objekten, die das Licht blockieren. Doch bei genauerem Hinsehen zeigt sich: Schattenbilder sind weitaus faszinierender und komplexer. Besonders einsichtig werden Schattenphänomene, wenn wir sie aus einer neuen Perspektive betrachten – der sogenannten "eingebundenen Perspektive". Aus dieser Sicht wird erkennbar, wie stark sowohl die Form des Objekts als auch die Beschaffenheit und Position der Lichtquelle das Erscheinungsbild eines Schattens beeinflussen. Mit einfachen Experimenten lässt sich so ein tieferes Verständnis für diese erstaunlichen Phänomene gewinnen. Dabei stößt man mitunter sogar auf unerwartete Phänomene – etwa den sogenannten "hellen Schatten".

Bild zur eingebundenen Perspektive — Die Helligkeit eines Ortes im Schatten hängt vom Anteil der Lichtquelle ab, der aus seiner Sicht durch den Schattengeber verdeckt ist – je größer die Abschattung, desto dunkler der Ort im Schatten.

Beiträge zur phänomenologischen Schattenlehre

Grebe-Ellis,J. & Quick, T. (2023): Soft Shadow Images, European Journal of Physics 4/44: 1-23

Abstract: In traditional optics education, shadows are often regarded as a mere triviality, namely as silhouettes of obstacles to the propagation of light. However, by examining a series of shadow phenomena from an embedded perspective, we challenge this view and demonstrate how in general both the shape of the object and light source have significant impact on the resulting soft shadow images. Through experimental and mathematical analysis of the imaging properties of inverse objects, we develop a generalized concept of shadow images as complementary phenomena. Shadow images are instructive examples of optical convolution and provide an opportunity to learn about the power of embedded perspective for the study of optical phenomena in the classroom. Additionally, we introduce the less-known phenomenon of the bright shadow. (Volltext)
Quick, T.; Grebe-Ellis, J. (2010): Eine mathematische Beschreibung von Helligkeitsverläufen in Schattenbildern In: D. Höttecke (Hrsg.), Entwicklung naturwissenschaftlichen Denkens zwischen Phänomen und Systematik. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik. Jahrestagung in Dresden 2009. Münster: LIT-Verlag, S. 404 – 406

Zusammenfassung: Schatten sind Bilder. Dies bemerkt jeder, der darauf achtet, wie unterschiedlich Schatten desselben Gegenstandes in der Beleuchtung durch verschieden geformte Leuchten aussehen. Die Bedingungen, unter denen sich beide, Schattengeber und Leuchte, im Schattenbild zur Geltung bringen, können formuliert werden, indem die für den Ort des Schattenbildes sich ergebenden Verdeckungsverhältnisse zwischen Schattengeber und Leuchte in Abhängigkeit ihres relativen Abstands zueinander berücksichtigt werden. In einem früheren Artikel zur Entstehung und Verwandlung komplementärer Schattenbilder (Grebe-Ellis 2007) wurde die Vermutung aufgestellt, dass die charakteristische Verwandlung, die das Schattenbild während der Verschiebung des Schattengebers zwischen Leuchte und Projektionswand durchläuft, mithilfe der Faltung beschrieben werden kann. Die Präzisierung und Ausarbeitung dieser Überlegungen im Rahmen einer Examensarbeit (Quick 2008) bestätigen die genannte Vermutung. Es werden Bedingungen, Möglichkeiten und Grenzen des entwickelten Vorgehens an Beispielen vorgestellt.
Quick, T., Müller, M. & Grebe-Ellis, J. (2009): Mathematische Beschreibung von Schattenbildern im Kontext der phänomenologischen Optik. In: Nordmeier, V. & Grötzebauch, H. (Hrsg.): Didaktik der Physik. Beiträge zur Frühjahrstagung der DPG 2009 in Bochum, Berlin: Lehmanns Media

Zusammenfassung: Schatten sind Bilder. Dies bemerkt jeder, der darauf achtet, wie unterschiedlich Schatten desselben Gegenstandes in der Beleuchtung durch verschieden geformte Leuchten aussehen. Die Bedingungen, unter denen sich beide – Schattengeber und Leuchte – im Schattenbild zur Geltung bringen, können formuliert werden, indem die für den Ort des Schattenbildes sich ergebenden Verdeckungsverhältnisse zwischen Schattengeber und Leuchte in Abhängigkeit ihres relativen Abstands zueinander berücksichtigt werden. In einem früheren Beitrag zur Entstehung und Verwandlung komplementärer Schattenbilder von Grebe-Ellis wurde die Vermutung aufgestellt, dass die charakteristische Verwandlung, die das Schattenbild während der Verschiebung des Schattengebers zwischen Leuchte und Projektionswand durchläuft, mithilfe der Faltung beschrieben werden kann und zugleich ein anschauliches Beispiel für diesen Transformationstypus liefert (vgl. [1]). Die Präzisierung und Ausarbeitung dieser Überlegungen im Rahmen einer Examensarbeit bestätigen die genannte Vermutung (vgl. [2]). (Volltext)