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Optische Täuschungen (Physik - Optik)


 

Allgemeines über Lichtbrechung

Wie wir in einem anderen Kapitel gesehen haben, wird das Licht beim Übergang zweier verschiedener Medien (z.B. Luft - Wasser) "gebrochen".  Da die menschlichen Sehorgane "gewohnt" sind, dass sich Licht geradlinig ausbreitet, kommt es zur Entstehung von sogenannten optischen Täuschungen. So erscheint uns beispielsweise ein Paddel im Wasser als abgeknickt. 


Optische Täuschungen (Thematik im Schulfach Optik)

Durch Lichtbrechung nehmen wir "Gegenstände" manchmal anders wahr, als sie in wirklich kein sind. Diese Täuschungen führen beispielsweise zu Größentäuschungen, Formtäuschungen und Farbtäuschungen. Diese Täuschungen, die wir aufgrund falscher optischer Wahrnehmung bzw. Sehgewohnheiten wahrnehmen oder interpretieren, werden als optische Täuschungen bezeichnet.

Wie eingangs erwähnt, beruhen diese optischen Täuschungen auf der menschlichen Erfahrung, dass sich Licht geradlinig ausbreitet. Da in Wirklichkeit auch Licht "umgelenkt" werden kann und wird diesen Lichtstrahl (der von einem Gegenstand kommt) als Gerade interpretieren, entstehen diese optischen Täuschungen (daher ist das "Kapitel" optische Täuschungen nicht nur ein Thema in Physik, sondern beispielsweise auch der Biologie).

Wie aber entstehen optische Täuschen? Betrachten wir dies an einer Münze, die wir in ein mit Wasser gefülltes Aquarium geben. Obwohl die Münze am Boden des Aquariums liegt, erscheint dem Beobachter die Münze als angehoben, also nicht am Boden liegend. Die Erkklärung dieser optischen Täuschung ist relativ einfach und beruht auf den Gesetzmäßigkeiten des Reflexionsgesetzes:

Das Tageslicht, das auch im Aquarium herrscht, tift auf die Münze, die am Boden des Aquariums liegt. Dabei wird (es handelt sich bei der Münze um einen lichtundurchlässigen Stoff) ein Teil des Lichtes an der Münze reflektiert und gemäß den Gesetzen der Reflexion zurückgeworfen. Dabei erreicht der Lichtstrahl, der von der Münze ausgeht, die Grenzschicht Wasser-Luft im Aquarium. Hier an der Grenzschicht zweier Medien kommt es nun zur Berechnung von Licht, wobei (einfach ausgedrückt) die Lichtstrahlen geknickt werden. Diese Lichtstrahlen erreichen anschließend den Beobachter. Da die Sehorgane des Betrachters davon ausgehen, dass sich Lichtstrahlen geradlinig ausbreiten und das menschliche Sehorgan den Knick des Lichts an der Grenzfläche nicht beobachten kann, entsteht diese optische Täuschung.

optische Täuschung

Diese optische Täuschung tritt auf, wenn ein Gegenstand komplett unter Wasser ist. Taucht beispielsweise wie bei dem Paddel nur ein Teil im Wasser ein, so erscheint uns das Paddelstück oberhalb des Wassers als normal (keine Grenzschicht, die das Licht bricht), während das Paddelstück,das ins Wasser eintaucht, als (nach oben) abgeknickt erscheint.Diese optische Täuschung lässt sich genauso wie bei der Münze im Aquarium erklären.

Die "Fata Morgana" als optische Täuschungen

Das Phänomen "Fata Morgana" als optische Täuschungen basiert auf dem gleichen, physikalischen Gesetzmäßigkeiten (Reflexionsgesetz) wie das Beispiel der Münze. Allerdingsliegt im Falle der Fata Morgana keine sichtbare Phasengrenze, wie beim Aquarium vor. Da aber Luft ebenfalls aus vielen "Schichten" besteht, liegt in dem Fall einer Fata Morgana auch eine (oder mehrere) Phasengrenze vor, die die Lichtstrahlen ablenken. Durch die Ablenkung der Lichtstrahlen erscheinen Gegenstände als optische Täuschungen.

Die verschiedenen Luftschichten lassen sich durch die unterschiedliche Temperatur in der Atmosphäre erklären. Durch die unterschiedliche (Umgebungs)temperatur hat auch die Luft in den verschiedenen Schichten eine unterschiedliche Temperatur. Dadurch ändert sich auch die Dichte der einzelnen Luftschichten.

Daher sind in der Atmosphäre auch Schichten mit unterschiedlicher optischer Dichte vorhanden, an denen Lichtstrahlen gebrochen werden. So kommt es zu dem Phänomen einer Fata Morgana - einer optischen Täuschung. Dabei werden die Lichtstrahlen, die von einem Gegenstand zurückgeworfen werden, umgelenkt. Wie im Kapitel "Lichtbrechung" ausführlich erklärt, wird Licht an der Phasengrenze zweier optisch verschiedenen Medien gebrochen. Da die optische Dichte von Luft von oben nach unten zunimmt, wird der Lichtstrahl (kontinuierlich) an jeder Grenzfläche zum Lot hin gebrochen.

optische Täuschung - Fata Morganaa

So erscheint uns der Gegenstand nicht am Boden, sondern beispielsweise in der Luft schweben. Allerdings müssen physikalische Bedingungen erfüllt sein, damit wir eine Fata Morgana beobachten.

Dabei müssen sich stabile Luftschichten mit unterschiedlichen Temperaturen ausbilden, d.h. es muss Windstille herrschen und auch geeignete Temperaturen innerhalb der Atmosphäre vorliegen (damit eine geeignete Brechung der Lichtstrahlen möglich ist). Natürlich muss der Beobachter auch so positioniert sein, dass ihn die umgelenkten Lichtstrahlen, die vom Gegenstand ausgehen, auch erreichen. Nur so können wir einen Gegenstand beobachten, wo eigentlich keiner ist.




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