Wie kommt es, dass man einen Gegenstand sehen kann? – Licht und Sehen
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| Publikation: | 11.4.2012 | ||
| Lernstufen: | 2, 3 | ||
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| Herkunft: | La main à la pâte, Paris. Diese Unterrichtseinheit ist Teil des thematischen Projektes "Entdeckungen in arabischen Schriften des Mittelalters", das auch als Buch erschienen ist: "Les découvertes en pays d'Islam", herausgegeben von Ahmed Djebbar, Cécile de Hosson und David Jasmin, Verlag Le Pommier, 2009 | ||
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Einführung
Wir können die Gegenstände um uns herum sehen, weil sie das auftreffende Licht zum Teil zurückwerfen und dieses zurückgeworfene Licht wiederum zum Teil in unser Auge fällt. Die erste überlieferte Erwähnung dieses Sachverhalts finden wir in Kopien einer Schrift von Abu Ali al-Hasan ibn al-Haytham, der um die Jahrhundertwende zum 11. Jahrhundert unserer Zeitrechnung in Bagdad und in Kairo lebte [1, 2]. Mit Experimenten ganz ähnlich denen, die Alhazen (so al-Haythams Name in westlicher Literatur) sich vorstellte, wollen wir das Licht und ein paar seiner Eigenschaften untersuchen.
Abb. 1: Auge und Sehnerv – Zeichnung aus al-Haythams Kitab al-Manaẓir in
der lateinischen Übersetzung von Witelo: Opticae Thesaurus, Alhazeni Arabis
libri septem, New York 1972, Nachdruck der Ausgabe von 1572, S. 6
(größeres Bild)
Rechter
Teil der Abbildung: erste Seite des ersten Buches der Kitab al-Manaẓir.
Kinder und ihre Vorstellungen vom Sehen
Wenn man jüngere Kinder fragt: "Wie kommt es, dass man Gegenstände sehen kann?", antworten die meisten: "Man sieht sie, weil das Auge einen 'Blick' auf sie wirft". Das Auge "schaut", es "sieht", es sendet etwas aus, das Form und Farbe der Gegenstände "aufnimmt". Das Auge sendet also irgendetwas, das schwer zu bestimmen ist, zu den Gegenständen, damit es sie mehr oder weniger wie eine tastende Hand erfasst. Einige Kinder erklären aber auch, dass man sehen kann, weil das Auge Licht aufnimmt und dann etwas zu den Gegenständen schickt. Nur ganz wenige denken, dass etwas von den Gegenständen ausgeht und ins Auge fällt, das Auge "trifft": Farben, ein Bild, der Gegenstand selbst ... aber niemals Licht. Natürlich wissen die Kinder, dass man ohne Licht nichts sieht. Aber das Licht ist für sie nur dazu da, die Gegenstände zu beleuchten, zu nichts weiter.
Abb. 2: Links: "Die Sonne beleuchtet die Blume, und das Mädchen sendet
etwas, Sehstrahlen, damit kann es die Blume sehen." (Zeichnung von
Geoffroy, 5 Jahre)
Rechts: "Das
Licht beleuchtet die Blume und der Mann wirft einen Blick auf sie." (Nach
einer Zeichnung von Franck, 9 Jahre)
Die Anfangsvorstellungen der Kinder sind meistens sehr aufschlussreich. Wenn man weiß, wie sie sich ein Phänomen erklären, kann man einschätzen, wo man sie abholen muss, damit sie zu neuen Kenntnissen kommen können. Dies herauszufinden, ist Teil der pädagogischen Planung und Vorarbeit.
Man kann damit beginnen, die Kinder erklären zu lassen, wie es ihrer Meinung nach kommt, dass man Gegenstände sieht: den Stift auf dem Tisch, das Radiergummi, oder die Mitschüler. Es folgt eine Reihe von Untersuchungen, im Laufe derer die Kinder verstehen: Wenn man etwas sehen will, muss man hinschauen. In diesem Sinn hat der Pfeil vom Auge des Mädchens in Richtung Blume im Bild von Geoffroy durchaus seine Berechtigung. Aber das Hinschauen allein reicht noch nicht. Genauso wichtig ist es, dass Licht vom beleuchteten Gegenstand ausgehend ins Auge des Beobachters dringt. Die Kinder arbeiten bei den folgenden Untersuchungen am besten in Vierer- oder Fünfergruppen.
Die fünf Sinne funktionieren alle auf die gleiche Weise
Man findet bereits in aristotelischen Schriften den Gedanken, dass das Sehen – analog zu den anderen Sinnen – darauf beruht, dass das Auge etwas von außen wahrnimmt. Von diesem Gedanken gehen wir nun aus. Die Kinder wissen, dass man hört, weil der Schall in unsere Ohren dringt, dass man riecht, weil uns die Gerüche in die Nase steigen, usw. So kann man ihnen nahelegen, dass vielleicht alle Sinne ähnlich funktionieren: Das für den jeweiligen Sinn zuständige Sinnesorgan erhält von außen einen Reiz.
Abb. 3: Nach einer Zeichnung einer Schülergruppe der Karine-Schule in Straßburg. Frage: "Denkt ihr, dass alle Sinne auf die gleiche Weise funktionieren?" Kommentar: "Ja, wir denken, dass das stimmen könnte; jeder Körperteil nimmt etwas wahr."
Der Analogieschluss, nahegelegt durch die Frage "Denkt ihr, dass alle Sinne auf die gleiche Weise funktionieren?", führt die Kinder zu der Einsicht, dass Sinneseindrücke auf einem von außen kommenden Reiz beruhen (siehe Abb. 3). Nur beim Sehen ist ihnen nicht immer klar, was das Auge anregt: "Für das Hören und das Riechen ist es klar, aber für das Sehen ..." sagen viele, obwohl sie überzeugt sind, dass die Empfindung prinzipiell auf ein und demselben Prinzip beruht. Wir nehmen uns also vor, dieses etwas, diesen Stimulus für das Auge zusammen zu entdecken.
Das Licht wirkt auf unser Auge
Licht kann einen zum Beispiel blenden. Und es hat eine Wirkung auf die Größe der Pupillen, diese schwarzen runden Stellen in unserer Augenmitte: Die Pupillen werden im Dunkeln größer und im Licht kleiner. Die Pupille ist eine kleine Öffnung vor der Netzhaut, eine Art Blende (Irisblende), mit der die ins Auge dringende Lichtmenge begrenzt wird.
Es lässt sich leicht beobachten, wie sie sich erweitern und verengen kann. Der folgende Versuch zeigt das. Die Kinder setzen sich zu zweit einander gegenüber in einen abgedunkelten Raum. In dem Augenblick, in dem die Lehrerin das Licht im Klassenraum einschaltet, sehen die Kinder, dass sich die Pupillen ihres Gegenübers sehr schnell verengen. Die Kinder erklären die Pupillenverengung nicht unbedingt damit, dass Licht ins Auge dringt, sondern einfach mit der plötzlichen Helligkeit im Raum. An der Stelle kann man wieder darauf zurückkommen, dass Licht einen blenden kann. "Warum kann man nicht in eine sehr helle Lichtquelle gucken?" Die Kinder wissen: Licht kann schmerzen, wenn es zu hell ist! Die Pupille dient also zur Regulierung der ins Auge fallenden Lichtmenge. Übrigens können Katzen die Größe ihrer Pupillen besonders stark verändern.
Abb. 4: Wenn es hell ist, sind die Pupillen von Katzen ganz schmal.
Die Gegenstände werfen das Licht zurück ...
Aber was hat das alles mit dem Sehen zu tun? Dazu muss einem erst klarwerden, dass ein beleuchteter Gegenstand das empfangene Licht zurückwirft.
Das nennt man Streuung von Licht. Man kann die Streuung beobachten, wenn man in weißem Licht (also bei Tageslicht zum Beispiel, oder im Schein einer Glühlampe) ein Stück farbige Pappe in etwa 10 cm Abstand vor eine weiße Wand hält: Die Wand nimmt (ein bisschen) die Farbe des Stücks Pappe an. Das liegt daran, dass das Licht der Lampe (oder das Tageslicht) von der Pappe auf die Wand zurückgeworfen wird, und von der Wand ins Auge des Beobachters gelangt.
Die Kinder können die Streuung anhand von Experimenten erkunden, zum Beispiel indem sie eine Antwort auf die folgende Frage finden: "Wie könnte man erreichen, dass eine weiße Styroporkugel auf der einen Seite rot und auf der anderen grün erscheint, wenn zum Beleuchten nur weißes Licht verwendet wird?" Den Kindern stehen farbige Tonkartonstücke zur Verfügung, sowie Taschenlampen und eine große weiße Styroporkugel. Durch Ausprobieren finden sie schnell heraus, wie sie die Kugel rot und grün "färben" können. Damit verstehen sie auch, dass das weiße Licht von den Tonkartonstücken farbig zur Kugel gestreut wird.
Abb. 5: Ist die Figur im Zelt zu sehen oder nicht?
Es lassen sich weitere Experimente zur Streuung des Lichts machen. Jede Gruppe verfügt zum Beispiel über den im obigen Foto gezeigten Aufbau. Damit das Licht ausschließlich "nach vorn" leuchtet, sollte man auf die Lampe unbedingt ein zu einem Rohr geformtes Stück schwarze Pappe (oder Papier) stülpen. Die Lehrerin stellt folgende Frage: "Wenn wir alle Lampen im Raum ausschalten, bis auf die des Aufbaus, seht ihr dann die kleine Figur unter dem Zelt? Und weshalb (nicht)?"
Viele Kinder denken, man müsse die Figur sehen, wenn das Licht an sei. Dem ist jedoch nicht so: Die Lampe ist zwar angeschaltet, aber das Licht trifft nicht auf die Figur. Infolgedessen kann die Figur auch kein Licht ins beobachtende Auge senden. "Wie könnte man die Figur sichtbar werden lassen, ohne die Ausrichtung der Lampe zu ändern?" Die einen wollen den Lichtstrahl mit einen Spiegel auf die Figur lenken, andere mit einem weißen Blatt Papier. Tatsächlich kann man den Spiegel durch jede Art von Schirm, selbst einen schwarzen ersetzen (ein schwarzes Blatt streut mindestens 10% des auftreffenden Lichts)! Am lustigsten ist es, wenn man die eigene Hand hinhält oder verschiedenfarbige Schirme. Im letzteren Fall sollte man die Kinder immer vorher fragen: "Was wird man sehen, wenn ich das Licht mit einem blauen, roten usw. Blatt umlenke?"
Beleuchtete Gegenstände werfen also Licht zurück. Auch die Figur im Zelt. Wenn das Licht von den farbigen Blättern oder dem Spiegel zurückgestreut wird, gibt es keinen Grund, dass die Figur es nicht auch wieder zurückwirft! Also ist das "etwas", das von den Gegenständen ausgesandt wird, unser Auge trifft und uns sehen lässt, vielleicht das Licht?
... und wenn dieses Licht ins Auge dringt, sieht man
Noch ist allerdings eine nicht unbeträchtliche Schwierigkeit zu überwinden. Viele Kinder denken, dass erst dann Licht in ihr Auge dringt, wenn dieses Licht sie stört. Sie meinen, dass das Licht erst ab einer gewissen Schwelle von den beleuchteten Gegenständen zurückgesandt wird. Diese – subjektive – Schwelle ist dann überschritten, wenn das Hinsehen störend wird. Aber das Licht dringt auch dann ins Auge, wenn es (wie meistens) nicht stört oder wehtut, nur ist die Lichtmenge dann geringer. Genau wie beim Hören: Sehr laute Geräusche werden schnell unerträglich, eine geringe Lautstärke empfindet man dagegen als angenehm. Es geht also darum, die Kinder zu der Erkenntnis zu bringen, dass das Auge immer Licht von den beleuchteten Gegenständen empfängt, auch wenn man davon nichts merkt. Die Analogie zum Hören ist ein guter Ausgangspunkt, besonders wenn sie bereits im ersten Teil hilfreich war.
Jetzt wissen die Kinder, dass sie sehen, weil beleuchtete Gegenstände Licht in ihre Augen schicken. Im Folgenden werden sie weitere Eigenschaften des Lichts erkunden: "Lichtstrahlen" breiten sich geradlinig aus und sind, wenn man versucht, sie "von der Seite" zu betrachten, unsichtbar.
Licht ist "von der Seite" unsichtbar
Die meisten Kinder verbinden die Bezeichnung Licht mit einer Lichtquelle (Lampe, Sonne, Kerzenlicht) oder mit dem sichtbaren Auftreffen des Lichts auf Gegenstände. Wenn man sie danach fragt, sind sie überzeugt, dass sie Licht, das seitlich an ihnen vorbei strahlt, sehen würden. Sie stützen ihre Behauptung zum Beispiel auf die Beobachtung von Laserstrahlen oder von Autoscheinwerferlicht bei Nacht. Was man in diesen Fällen jedoch sieht, sind in der Luft schwebende Teilchen, winzige Staubkörner oder Wassertröpfchen. Diese Teilchen streuen das Licht in die beobachtenden Augen.
Die Kinder sollen sich ein Experiment ausdenken, das zeigen soll, ob Licht "von der Seite" sichtbar ist oder nicht. Einige schlagen vor, die Fensterläden oder Jalousien zu schließen und das Licht, das durch die Ritzen fällt, zu beobachten. Ergebnis: Im Raum ist keine "Spur" von Licht zu sehen (man kann es jedoch sichtbar werden lassen, wenn man Staub aufwirbelt, zum Beispiel indem man einige Male in mit Kreide eingestaubte Hände klatscht – dann hat man wieder eine ähnliche Situation wie beim Scheinwerferlicht in der Nacht).
Andere schlagen vielleicht vor, einen Kasten zu bauen, eine Art "Lichtfalle". Dazu malen sie einen Schuhkarton von innen schwarz an. In die beiden Stirnseiten bohren sie jeweils ein kleines Loch und stecken ein kleines "Rohr" hinein (ein zum Zylinder geformtes Stück schwarzes Papier). In einer Seite des Kartons wird ein kleines Fenster ausgeschnitten – fertig ist die Lichtfalle. Nun halten die Kinder eine Taschenlampe an eine der "Röhren" und schauen durch das seitliche Fenster ins Innere des Kartons. Sie stellen einmal mehr fest: Man sieht nichts!
Wenn die Kinder nun vielleicht auf die Idee kommen, einen weißen Gegenstand an verschiedene Stellen im Karton zu setzen, werden sie beim Schauen durch das Fenster sehen: Der Gegenstand selbst ist gut sichtbar, sobald er im Lichtweg steht (er wirft das auftreffende Licht ins beobachtende Auge), bleibt aber unsichtbar, wenn er sich außerhalb des Lichtstrahls befindet.
Abb. 6: Die "Lichtfalle"
Licht breitet sich geradlinig aus
Nun sollen die Kinder der Frage nach dem Lichtweg nachgehen. Dazu verteilt die Lehrerin den Gruppen das Schema aus Abb. 5. Darauf ist folgendes Arrangement zu sehen, über das die Kinder nachdenken sollen: Eine weiße Styroporkugel wird mit einer Lampe beleuchtet. Auf der anderen Seite der Kugel befindet sich ein Schirm mit drei Löchern. Die Kinder überlegen sich, was man durch die drei Löcher sieht, wenn die Lampe an ist, und zeichnen es in das Schema ein. Der Vergleich der vervollständigten Schemata zeigt, wie verschieden sich die Kinder die Lichtausbreitung vorstellen. Oft sind Kurven um den Gegenstand herum gezeichnet, selten ist der Weg des Lichts geradlinig.
Abb. 7: Durch welchen Schlitz sieht man das Licht der Taschenlampe?
Wird der Versuch anschließend durchgeführt, können die Kinder beobachten, dass die Lichtquelle nur durch das obere und untere Loch zu sehen ist, das mittlere Loch liegt im Schatten der Kugel. Die meisten Kinder korrigieren daraufhin ihre Zeichnung. Einige drücken dann auch den Sachverhalt aus: Das Licht breitet sich geradlinig aus. Die Kinder können jetzt auch sehen, dass der Schatten ein Bereich ist, in den kein oder nur wenig Licht fällt. Hier ist das der dunkle Bereich hinter der Kugel, auf der Höhe des mittleren Lochs: In das Auge hinter diesem Loch fällt kein Licht von der Lampe. Wir werden darauf später zurückkommen, wenn es bei der Unterrichtseinheit zum Regenbogen um die Bildung von "bunten Schatten" geht.
Zusammenfassung
Wir sehen also unsere Umgebung, weil die Gegenstände einen Teil des auftreffenden Lichts zurückstreuen. Das Licht selbst sieht man nicht. Da es sich aber geradlinig ausbreitet, kann man seinen Weg durch gerade Linien darstellen. Wenn das Licht auf ein Hindernis trifft, ist der Lichtweg unterbrochen. "Dahinter" befindet man sich im Schatten des Hindernisses.
Pädagogisch haben wir uns inspirieren lassen von jenem Autor Abd al-Hasan ibn Haytham im Dienst der mittelalterlich-islamischen, persischen und arabischen Machthaber, von dem der früheste Ansatz zu naturwissenschaftlich-methodischem Experimentieren überliefert ist.
Fußnoten
1: Um 965 bis 1038/40. Über sein Leben ist so gut wie nichts bekannt. Wissenschaftshistoriker interpretieren überlieferte Texte als geradezu "revolutionär" (vgl. Matthias Schramm, Ibn al-Haythams Weg zur Physik, Wiesbaden 1963)
2: Der Artikel "Die sagenhafte (Wieder-) Aufnahme naturkundlichen Denkens in den mittelalterlichen islamischen Reichen" stellt einige Autoren arabischer Schriften des Mittelalters im historischen/naturwissenschaftshistorischen Kontext vor.
Letzte Aktualisierung: 13.4.2023
