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Lichtgeschwindigkeit

Die Lichtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Licht in einem Medium ausbreitet. Sie ist die größte mögliche Geschwindigkeit und nichts kann schneller als Licht sein. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist fast genauso groß wie im Vakuum. Andere Medien wie Wasser oder Glas verlangsamen das Licht. Wusstest du, dass die Kommunikation im Weltraum aufgrund der Lichtgeschwindigkeit verzögert ist? Lerne mehr!

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Die Autor*innen
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Physik-Team
Lichtgeschwindigkeit
lernst du in der Primarschule 5. Klasse - 6. Klasse - Sekundarstufe 1. Klasse - 2. Klasse - 3. Klasse - 4. Klasse

Lichtgeschwindigkeit Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Lichtgeschwindigkeit kannst du es wiederholen und üben.
  • Fasse dein Wissen über die Lichtgeschwindigkeit zusammen.

    Tipps

    Die Lichtgeschwindigkeit und ihre Eigenschaften liegen außerhalb unserer Erfahrungswelt.

    Im Vakuum bewegt sich Licht völlig unbeeinflusst fort.

    Lösung

    Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine Naturkonstante und mit rund $300~000\frac {km} {s}$ die größte Geschwindigkeit, die je gemessen wurde. In einer Sekunde legt das Licht damit eine Strecke zurück, die siebenmal länger ist als der Umfang unserer Erde. Diese Geschwindigkeiten kann man sich nicht mehr wirklich vorstellen.

    Sämtliche Informationen, die wir erhalten, können maximal mit dieser Geschwindigkeit übertragen werden. Das spielt in unserer Erfahrungswelt keine große Rolle, da die Zeit, die das Licht für normale Entfernungen benötigt, unfassbar klein ist. Daher kann man den Eindruck bekommen, das Licht breitet sich mit unendlicher Geschwindigkeit aus. In größeren Maßstäben muss aber die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit technisch berücksichtigt werden, beispielsweise bei der Informationsübertragung mit Satelliten.

    In Stoffen breitet sich das Licht immer noch unvorstellbar schnell, aber mit geringeren Geschwindigkeiten als im Vakuum aus.

  • Beschreibe die Ursachen der gezeigten Phänomene beim Licht.

    Tipps

    Bei geringen Entfernungen ist die Zeit, die das Licht zum Zurücklegen benötigt, nicht wahrnehmbar.

    Bei Entfernungen im astronomischen Maßstab sind die Zeiten, die das Licht zum Zurücklegen der Entfernungen benötigt, sehr groß.

    Lösung

    In unserer eigenen Erfahrungswelt spielt die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit aufgrund ihres hohen Wertes keine Rolle. Normale Entfernungen legt das Licht in Bruchteilen von Sekunden zurück. Das fällt uns dann auf, wenn bei Phänomenen auch geringere Geschwindigkeiten wie die Schallgeschwindigkeit auftreten.

    Betrachtet man die astronomischen Größenordnungen, so sieht man, dass die Lichtgeschwindigkeit dort vergleichsweise gering erscheint. Um die Entfernung vom nächstgelegenen Stern zur Erde zurückzulegen, benötigt das Licht über vier Jahre. Entfernungen im Weltall werden daher häufig in Lichtjahren angegeben. Ein Lichtjahr ist dabei die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt! Unsere Galaxie, die Milchstraße, besitzt einen Durchmesser von 100 000 Lichtjahren.

  • Ermittle die Geschwindigkeit, mit der Lichtsignale in Glasfasern übertragen werden.

    Tipps

    Ermittle 70 % der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

    Beachte die richtige Einheit.

    Lösung

    In Glasfaserkabeln werden die Informationen mit einer Geschwindigkeit von etwa 210 000 Kilometern pro Sekunde übertragen. Dies entspricht 70 % der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

    Durch den Einsatz von Glasfaserkabeln können die enormen Mengen an Daten weltweit übertragen werden. Die Informationen werden dabei nicht mehr elektrisch (über Kupferkabel) übermittelt, sondern optisch mittels Licht, weil der Transport der Daten so effektiver ist.

  • Bestimme die Zeit, die das Licht für die Strecke von der Sonne zur Erde benötigt.

    Tipps

    Das Licht bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit durch das Vakuum.

    Zur Bestimmung der Zeit t benötigst du den Weg s und die Geschwindigkeit v des Lichtes.

    Verwende zur Berechnung die Formel für die gleichförmige Bewegung.

    Es gilt: $s=v\cdot t$.

    Umgestellt nach t ergibt sich: $t=\frac {s} {v}$.

    Lösung

    Das Licht benötigt rund 8 Minuten für den Weg von der Sonne zur Erde. Das heißt, das Licht, dass wir in dem Moment wahrnehmen, wenn wir zur Sonne schauen, ist bereits 8 Minuten alt.

    Auch bei unserer Sonne schauen wir also schon ein kleines Stück in die Vergangenheit. Aber bei Weitem nicht so stark, wie bei Sternen, die Tausende oder noch mehr Lichtjahre von uns entfernt sind.

  • Setze die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum mit der in anderen Medien ins Verhältnis.

    Tipps

    Je stärker die Wechselwirkung des Lichtes mit den Teilchen in einem Stoff ist, also je dichter ein Stoff, desto geringer ist die Lichtgeschwindigkeit.

    Lösung

    In einem Stoff bewegt sich das Licht zwischen den einzelnen Teilchen mit der Lichtgeschwindigkeit, mit der es sich auch im Vakuum fortbewegt. Dazwischen kommt es jedoch immer wieder zu Wechselwirkungen mit den Teilchen des Stoffes, was die Ausbreitung des Lichtes verzögert.

    In Luft, einem gasförmigen Stoff, ist die Teilchendichte gering. Die Wechselwirkungen treten selten auf. Darum bewegt sich das Licht durch Luft fast mit derselben Geschwindigkeit wie im Vakuum. In der Flüssigkeit Wasser beträgt die Lichtgeschwindigkeit nur noch rund 225 000 Kilometer pro Sekunde. In einem Feststoff wie Glas ist sie noch geringer, sie beträgt dort etwa 160 000 Kilometer pro Sekunde. Im Feststoff Diamant ist sie noch kleiner: lediglich 125 000 Kilometer pro Sekunde.

  • Schätze ab, in welcher Entfernung man eine Verzögerung des Lichtsignals feststellen könnte.

    Tipps

    Welche Strecke legt das Licht in einer Zehntelsekunde zurück?

    Lösung

    Die Strecke, die für diese Messmethode mit einem Menschen als Zeitnehmer notwendig wäre, ist auf der Erde nicht realisierbar.

    Die Lichtgeschwindigkeit kann also entweder über größere Entfernungen bestimmt werden wie bei der Messung eines Laserpulses zwischen Erdoberfläche und Mondspiegel. Moderne Verfahren nutzen aber die technischen Möglichkeiten aus, sehr kurze Zeitspannen messen zu können. Damit entfällt die Notwendigkeit, lange Strecken zur Messung der Lichtgeschwindigkeit zu verwenden.