Bernd Huhn

Experimente zum Funkeln der Sterne

Modellexperiment Smartphone Notebook Wassertank Wasser Zuckerwasser
Versuchsaufbau mit Laptop, Wassertank und Handykamera, Foto: Bernd Huhn

Bernd Huhn

Licht durch eine Modellatmosphäre schicken und beobachten

Weißes Licht wird beim Durchgang durch ein Glasprisma abgelenkt und dabei in die Spektralfarben zerlegt. Dieser Sachverhalt sollte allen Lernenden im Physikunterricht demonstriert werden. Entsprechende Naturphänomene, bei denen Licht durch eine Wasseroberfläche läuft, lassen sich leicht beobachten und auf Refraktion mit Dispersion zurückführen. Nicht ganz so einfach verhält es sich mit Phänomenen der Lichtbrechung in Luft. Speziell das Flimmern und Funkeln der Sterne erstaunt Menschen, die nur selten den Nachthimmel betrachten. Die folgenden einfachen Experimente können beim Verständnis helfen.
Versuche mit der Modellatmosphäre
Wir benötigen zunächst ein optisches Medium, in dem Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex vorhanden sind, deren Verteilung sich zudem zeitlich ändert. Eine solche Ersatzatmosphäre können wir leicht herstellen: Wir füllen normales Wasser in einen quaderförmigen Behälter mit durchsichtigen Begrenzungsflächen. Wenn wir ein paar Esslöffel Zuckerwasser, das wir vorher angesetzt haben, in den Wasserbehälter geben, bilden sich sofort gut erkennbare Schlieren, denn das Zuckerwasser hat einen deutlich höheren Brechungsindex als das ungezuckerte Wasser.
Die Schlieren verschwinden nach kurzer Zeit wieder, denn im Wasserbehälter stellt sich eine stabile Schichtung ein, weil das Zuckerwasser auch mechanisch dichter ist als das normale Wasser. Wie in der stabil geschichteten Erdatmosphäre ist unten die Dichte am größten, sie nimmt kontinuierlich mit der Höhe ab. Ein wenig Umrühren im Wassertank ändert wie in der realen Atmosphäre – den Zustand wieder, neues Zuckerwasser muss man nicht hinzufügen.
Lichtwege im Wassertank
Auf welche Weise das Licht in dem Wasserbehälter seine Richtung ändert, können wir gut zeigen, wenn wir vor dem Experiment in beide Sorten Wasser eine sehr kleine Menge Kaffeeweißer (Milchersatz) einrühren. Dadurch wird, wenn wir mit dem Laser den Tank in Längsrichtung durchstrahlen, ein kleiner Teil des Laserlichts zur Seite gestreut, sodass wir den Lichtweg leicht beobachten können. Ohne Schlieren im Tank werden die zur atmosphärischen Refraktion analogen Richtungsänderungen bei unterschiedlichen Einstrahlungsrichtungen gut erkennbar (s. Abb. 1).
Betrachtung mit der Kamera
Durchleuchten wir mit einem Laser den Wassertank in Querrichtung, bevor die Schlieren verschwunden sind, sehen wir auf einem Schirm dahinter einen tanzenden Lichtfleck, der schnell auch seine Form ändert. Einen funkelnden Stern sehen wir aber nicht als Lichtfleck auf einer Wand.
Wenn wir das von den Schlieren aufgefächerte Laserlicht dagegen in das Objektiv einer Kamera anstelle eines Auges (Nicht in den Laserstrahl schauen!) fallen ließen und gut fokussieren würden, könnten wir tatsächlich keinen verwaschenen und zappelnden Lichtfleck registrieren, sondern stets einen fast unverändert kleinen Lichtpunkt, dessen Helligkeit kaum schwankt. Auch das aufgefächerte Licht des Lasers kommt nur aus jenem kleinen Bereich des Wassertanks, den der Laserstrahl getroffen hat. Wir müssen also einen weiteren Schritt der Veranschaulichung anfügen.
Wir benötigen eine andere Lichtquelle. Sie soll zwar punktförmige Sterne simulieren, jeder Ersatzstern muss aber anders als der Laser einen größeren Bereich des Wassertanks beleuchten, so wie jeder echte Stern in alle Richtungen strahlt und jeweils die halbe Erdatmosphäre beleuchtet. Dafür bietet sich der Bildschirm eines Computers an, der ein passendes Foto zeigt (s. Abb. 2 ). Wenn Licht von dort durch den Wassertank ins Auge oder in eine Kamera trifft, sehen die Ersatzsterne nun wie gewünscht verwaschen aus und sie zappeln, solange sich Schlieren im Wassertank bewegen. Sie beruhigen sich und sehen schärfer aus, wenn die Schichtung im Wassertank sich wieder stabilisiert.
Fotos oder Videos dieser Vorgänge gelingen auch Ungeübten einfach mit einer Handykamera (s. Abb. 3 ).
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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Physik Nr. 179 / 2020

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Friedrich+ Kennzeichnung Unterricht Schuljahr 8-13