Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Schwingungen und Wellen

Definitionen

Die Saite eines Instruments bewegt sich ganz schnell hin und her, wenn sie einen Ton erzeugt. Der Tag und der Nacht wird wiederholt und auch die Jahreszeiten. Bei den Nervenaxonen gibt es eine Wiederholung von Signalen, die manchmal schneller und manchmal langsamer stattfindet. Jeder Vorgang, der sich wiederholt, ist eine Schwingung. Typisches Beispiel für die Schwingung ist allerdings das Pendel.

Schwingung ist ein Vorgang, der sich ungefähr in der gleichen Weise und ungefähr in gleichen Zeitintervalle wiederholt.
Periode (Symbol: T) ist die Dauer einer Wiederholung. Die Signalen der Wahrnehmungszellen werden in einem Abstand von Millisekunden ausgesendet, die Periode ist hier höchstens nur ein paar ms. Beim Tag und Nacht hingegen ist die Periode 24 Stunden und bei den Jahreszeiten ein ganzes Jahr (ca. 365 Tage). Beim Pendel kann die Periode von Teile einer Sekunde bis mehrere Sekunde dauern.
Frequenz (Symbol: f) ist der Kehrwert der Periode, also wie oft sich der Vorgang wiederholt (pro Zeiteinheit, also pro Sekunde). Es gilt: . Je größer die Periode ist, desto kleiner ist die Frequenz. ${\textstyle f={1 \over T}}$ ist die Formel, die die zwei Größen (Frequenz f und Periode T) verbindet. Die Einheit für die Frequenz ist ein Hertz (Hz). Das ist ${\textstyle \textstyle \ 1/s}$ , also eins durch Sekunde (man schreibt auch s^-1). 1 Hz bedeutet eine Wiederholung pro Sekunde. 2 Hz sind zwei Wiederholungen pro Sekunde (also 0,5 s Periode). Die Frequenz der Jahreszeiten (Periode 365 Tage) ist ungefähr 0,00000076 Hz, die des Herzpulses ca. 1,2 Hz und die mancher Wahrnehmungszellen mehr als 5000 Hz (Periode 0,0002 s).
Welle ist eine Schwingung, die sich im Raum ausbreitet. Wenn jemand mit der Hand eine Leine in Schwingung bringt, ist die Bewegung der Hand eine Schwingung (sie breitet sich im Raum nicht aus). Auf der Leine aber wird diese Bewegung (das hin und her) immer weiter übertragen, sie breitet sich im Raum aus. Das ist eine Welle. In Physik ist daher mit dem Wort Welle nicht nur eine Wasserwelle gemeint, sondern jeder Schwingung, die sich im Raum ausbreitet, wie z. B. der Schall, eine mechanische Welle, eine mit einer Leine produzierte Welle.

Wellen
longitudinale Welle
transversalle Welle

Hören

Schall

Hier bewegt sich die Hand hin und her und die Welle breitet sich parallel zur Schwingung. Somit haben wir eine longitudinale Welle.

Schall entsteht in der Natur, wenn Teilchen schwingen. Die Schwingung wird zu den nebenstehenden Teilchen weitergeleitet und die Schwingung verbreitet sich. So entsteht eine sogenannte „akustische“ (Druck-) Welle. Diese Welle braucht also ein Mittel, sie breitet sich im Vakuum nicht aus! In diesem Mittel, z. B. in der Luft, entstehen dichtere und dünnere Stellen, die sich im Raum ausbreiten, wie an der Feder im Bild.

Die Hörbahn

Die akustische Welle erreicht ein bestimmtes Organ im Ohr, die Hörschnecke. In der Hörschnecke gibt es gewisse Nervenzellen, die inneren Haarzellen, die als Empfänger der akustischen Wellen funktionieren. Wenn die Schwingungen eine ausreichende Energie haben, dann schwingen diese Zellen und erzeugen elektrische Impulse, die am Ende durch die Nerven einen bestimmten Bereich im Gehirn erreichen, die Hörrinde. Wenn dieser Bereich durch die elektrischen (oder sogar anderen) Impulse gereizt wird, dann entsteht der Sinn des Gehörs. Der Weg des Signals vom Empfangsorgan (Gehörschnecke) bis zu den Bereichen im Gehirn, die für das Hören zuständig sind (z. B. Hörrinde), wird Hörbahn genannt.

Das Ohr

Das Empfangsorgan des Schalls wird in drei Bereiche klassifiziert, das äußere, das mittlere und das innere Ohr. Das Außenohr (Ohrmuschel, Ohrläppchen und Gehörgang) funktioniert wie ein Trichter. Das Mittelohr sorgt dafür, dass alle Frequenzen weitergeleitet werden ohne Schaden zu erzeugen. Es besteht aus dem Trommelfell und den drei Gehörknöchelchen: Hammer, Amboss und Steigbügel. Es gibt eine Verbindung (Ohrtrompete) zwischen mittlerem Ohr und Rachen.

Das Innenohr befindet sich in einem Knochen und besteht aus zwei Organen, das reine Empfangsorgan des Schalls, die Hörschnecke, und ein Organ, das für das Gleichgewicht des Körpers wichtig ist, der sogenannte Labyrinthus (Bogengänge). Die Hörschnecke sieht wie ein Schneckenhaus aus. In ihr befinden sich haarähnliche Nervenzellenendungen. Diese sind mit einer Membran verbunden, die sich in der Hörschneckehöhle befindet. Der Anfang der Membran, am Eingang der Hörschnecke, ist für höhere Töne zuständig, der Teil in der Mitte der Hörschnecke für die tieferen Töne. Der Mensch kann Töne von ca. 20 bis ca. 18000Hz wahrnehmen.

Das „Sprachzentrum“ des Gehirns

Die Geschichte der Entdeckung

Mitte des 19. Jahrhunderts hatte der französische Chirurg Paul Broca zwei Patienten, die zwar die Sprache verstanden aber selber nicht sprechen konnten. Nach den Tod der Patienten hat er festgestellt, dass eine gewisse Region in ihren Gehirn beschädigt war. Er hat seine Entdeckung 1861 publiziert. Die Region im Gehirn ist nach ihm genannt (Broca-Areal).

Ein paar Jahre später übernahm der (als widerspenstig geltende) deutsche Arzt Carl Wernicke den Stab. Er arbeitete in einer neurologischen und psychiatrischen Abteilung. Dort entdeckte er, dass es Patienten gab, die die Sprache nach einer Verletzung im Gehirn nicht mehr verstanden. Die entsprechende Region wurde nach ihm genannt: Wernicke Areal. Diese Region ist direkt zur akustischen Bahn verbunden. Das Broca-Areal hingegen ist ein motorisches Areal, d.h. es ist für die Bewegung beim Sprechen zuständig.

Da die Gedanken und die Kommunikation grundsätzlich durch die Sprache stattfinden, verursacht ein Schaden des Wernicke Areals schwerwiegende Änderungen bei der Persönlichkeit und allgemein dem Leben des betroffenen.

Das heutige Wissen

Mitte des 20. Jahrhunderts haben Neurochirurgen bei wachen Patienten operiert und durch elektrische Reize genauer entdeckt, wofür jede Region des Großhirns zuständig ist. Noch später wurden funktionelle Bildgebungsverfahren ("Tomographie": PET und fMRT) benutzt, um bei lebenden Menschen die Funktion der Sprache zu untersuchen. Diese Verfahren benutzen Prinzipien der Kernphysik, um das Gehirn während seine Funktion abzubilden. Dadurch wurde entdeckt, dass bei jeder Funktion mehrere Teile des Gehirns beteiligt sind. Daher kann man nicht über ein einziges „Sprachzentrum“ sprechen, sondern über mehrere Zentren, die bei der Funktion des Gehörs und des Sprechens teilnehmen.

Für die Sprache sind bei Rechtshänder und bei der Mehrheit der Linkshänder Regionen des linken Gehirns zuständig. Allerdings befindet sich auf beide Seiten der primäre auditive Kortex, also die Region im Großhirn, wo die Hörnerven ankommen und die für das Hören allgemein zuständig ist.

Sehen

Sehen ist die Wahrnehmung, die mit Licht verbunden ist. Was ist aber das Licht? Jahrtausende haben Philosophen und später Wissenschaftler darüber gestritten, ob das Licht eine Welle oder ein Teilchen ist. Das ist ja kein Wunder, da das Licht sowohl Eigenschaften einer Welle als auch eines Teilchens aufweist. Licht breitet sich geradlinig aus, wie ein Teilchen, ändert aber beim Übergang von einem Mittel zu einem anderen seine Ausbreitungsrichtung, was viel leichter durch eine Wellennatur erklären lässt. Allerdings braucht Licht doch kein Mittel, um sich auszubreiten, wie der Schall. Licht, im Gegensatz zum Schall, breitet sich auch im Vakuum aus. Was könnte dann das Licht sein? Um die Natur des Lichtes zu verstehen, müssen wir erst über die elektromagnetischen Wellen sprechen.

Die elektromagnetischen (EM) Wellen

Die Geschwindigkeit zeigt uns wie schnell ein Objekt sich bewegt. Die Beschleunigung ist eine Änderung der Geschwindigkeit, wie, wenn man im Auto Gas gibt (positive Beschleunigung) oder bremst (negative Beschleunigung).

Was hat Beschleunigung mit Elektrizität zu tun? Wir können mit einem einfachen Experiment (Kugelschreiber auf Wolle reiben und damit Papierstückchen anziehen) sehen, dass so was wie eine „elektrische Ladung“ gibt. Wenn sich eine Ladung bewegt, dann haben wir elektrischen Strom. Wenn eine Ladung sich beschleunigt, und besonders wenn sie schwingt, entsteht auch eine magnetische Kraft. Bei Schwingungen von elektrischen Ladungen entsteht allgemein eine elektromagnetische Welle (EM Welle). Eine elektrische Ladung hat daher beide Eigenschaften, elektrische und magnetische. Diese zwei Eigenschaften sind letztendlich nicht zu trennen, sind zwei Seiten der gleichen Sache. Auch ein bewegender Magnet erzeugt dazu eine elektrische Kraft. Diese Tatsache wird durch die vier Maxwell-Gleichungen ausgedrückt. Wie immer in Physik, wissen wir nicht, warum das so ist. Wir haben einfach die Natur beobachtet und die Phänomene in der mathematischen Sprache zusammengefasst.

Das elektromagnetische Spektrum und das Licht

Lichtspektrum des Wasserstoffes

Wie jede Welle so auch die elektromagnetischen Wellen zeichnen sich von ihrer Frequenz aus. Physiker haben die Frequenzen der EM Wellen in Bereichen eingeteilt, je nachdem, wo diese Frequenzen zu beobachten sind oder wo sie Anwendung finden. Niedrigere Frequenzen (bis ca. 10000 Hz) gehören zum Wechselstrom. Der nächste Bereich sind die Radio-und Fernseherfrequenzen (Rundfunk). Dann kommen die Mikrowellen (z. B. Handys, Mikrowellenherd) und die Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung). Als nächstes kommt das von Menschen sichtbare Licht, das ein wirklich kleines Bereich des EM Spektrums darstellt. Dann kommt die Ultraviolettestrahlung (UV Strahlung, die von der Ozonschicht absorbiert wird), die Röntgenstrahlung (die bei der Medizin für die Abbildung von inneren Teilen des Körpers, wie Knochen, benutzt wird), die (gefährliche) Gammastrahlung und die Höhenstrahlung.

Oft wird als Licht das ganze und nicht nur das von Menschen sichtbare EM Spektrum bezeichnet. Im Bild sieht man, welchen Bereich des Spektrums das sichtbare Licht ausmacht.

Lichtbrechung

Lichtbrechung: Glas ohne und mit Wasser. Rechts in Vergleich	Lichtbrechung

Wenn man einen Stab ins Wasser eintaucht, sieht er geknickt aus, ohne tatsächlich gebrochen zu sein. Dieses Phänomen liegt an der Lichtbrechung. Der niederländische Physiker Christiaan Huygens erklärte die Lichtbrechung mit Hilfe der Wellentheorie. Nach dem nach ihm genannten Prinzip, wenn eine Welle eine Grenzfläche zwischen zwei Substanzen erreicht, funktioniert jeder Punkt der Grenzfläche als eine neue Quelle der Welle. Wenn die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung in der Subtanz nach der Grenze sich von der vorherigen Geschwindigkeit unterscheidet, dann ändert der Wellenfront seine Richtung. Das kann man mit Hilfe der Mathematik zeigen. Die Lichtbrechung lässt sich daher durch die Änderung der Geschwindigkeit des Lichtes bei seinem Übergang von einem durchsichtigen Mittel zu einem anderen erklären. Um zu messen, wie stark die Abweichung von der Gerade beim Übergang von einem Mittel in ein anderes ist, benutzten wir den sogenannten Brechungsindex.

Ein Experiment, das die Lichtbrechung eindeutig zeigt, ist der Versuch mit einer Münze am Boden eines undurchsichtigen Glases. Wird die Münze am Boden so gelegt, dass sie im Glas ohne Wasser gerade nicht mehr sichtbar ist, wird sie sichtbar, wenn das Glas mit Wasser ausgefüllt wird. Im Bild sieht man das ähnliche Experiment mit dem Holzstab.

Lichtbeugung

Beugung des Lichtes einer Quecksilberlampe auf einer CD

Wenn eine Welle ein Hindernis trifft, dann wird sie reflektiert. Hat dieses Hindernis ein kleines Loch (Spalte), dann funktioniert dieses Loch als eine neue Quelle der Welle. Die Welle breitet sich nach dem Loch rund in allen Richtungen in kreisförmigen Ringen aus (wie im Bild). Dieses Phänomen wird Wellenbeugung genannt. Wegen der Wellenbeugung kann man beispielsweise den Schall um eine Ecke hören. Der französische Physiker Augustin Jean Fresnel konnte 1818 dieses Phänomen physikalisch und mathematisch fürs Licht erklären.

Die Farben

Das Licht ist nur ein ganz kleiner Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Die niedrigen Frequenzen des Lichtes sehen Rot aus, dann kommt Orange, Gelb, Grün, Cyan, Blau und Violette.

Nun ist die Sache mit den Farben doch nicht so unkompliziert. Die Farbe, die wir wahrnehmen, hängt nicht nur von der Frequenz des Lichtes an. Das Auge interpretiert nicht nur das Bild, sondern auch Zusammenhänge. Die gleiche Farbe wird beispielsweise in einem anderen Hintergrund anders wahrgenommen. Mehrere Frequenzen zusammen werden als eine Mischung von Farben wahrgenommen, beispielsweise ergeben (manchmal) blaue und gelbe Frequenzen zusammen eine grüne Farbe. Alle Frequenzen zusammen werden als weißes Licht wahrgenommen. Als weißes Licht werden aber auch bestimmte Kombinationen von Frequenzen wahrgenommen.

Das Licht der Sonne besteht auch aus fast allen Frequenzen in unterschiedlichen aber nicht stark abweichenden Intensitäten. Das kann man an einem Regenbogen feststellen. Das Licht der Sonne wird an den Regentropfen gebrochen. Allerdings ist die Stärke der Brechung unterschiedlich für die verschiedenen Frequenzen. Violettes Licht wird stärker als rotes Licht gebrochen. Dadurch entstehen die Farben des Regenbogens.

Das gleiche Phänomen wird an einem Prisma beobachtet. Bei der Reflexion des Lichts auf der Fläche einer CD oder einer DVD können wir auch die Farben, aus denen ein Lichtstrahl besteht, sehen. In diesem Fall allerdings handelt sich nicht um das gleiche Phänomen (Lichtbrechung), sondern um unterschiedliche Stärke der Lichtbeugung für die unterschiedlichen Lichtfrequenzen.

Geometrische Optik

Mikro
skop
Panorama
spiegel
Lupe
Reflexion im Wasser
Teleskop

Optik ist der Bereich der Physik, der sich mit dem Licht befasst. Ein Teilbereich ist die geometrische Optik, die das Licht als Strahlen betrachtet. Sie findet Anwendung bei Geräten wie das Mikro- und Teleskop, der Spiegel, die Lupe, die Brille, die Augenlinse. Sie basiert sich auf vier Annahmen:

Licht breitet sich im Raum geradlinig aus, wenn der Raum in seinen Eigenschaften keine Änderungen aufweist.

Wenn zwei Lichtstrahlen sich durchkreuzen, beeinflussen sie einander nicht.
Die Richtung des Lichtes ist für die Form seines Weges irrelevant, der Strahlengang ist umkehrbar.
Beim Übergang des Lichts von einem Teil des Raums mit bestimmten Eigenschaften, zu einem anderen mit anderen Eigenschaften, wird das Licht unter gleichem Winkel reflektiert und unter einem bestimmtem Gesetz gebrochen.

Diese Annahmen gelten allerdings im Allgemeinen nicht. Sie sind nur Grenzfälle, die aber im Alltag schon Anwendung finden. Sie sind folgen einer Grundannahme, des Fermatschen Prinzips. Nach diesem Prinzip folgt das Licht dem Weg zwischen zwei Punkten, der am schnellsten ist. Wenn der Raum keine Änderung in seinen Eigenschaften aufweist, ist dieser Weg eine Gerade. Was ist aber, wenn das Licht sich in zwei Mittel mit anderen Eigenschaften ausbreitet? Das lässt sich durch das folgende Experiment erklären.

Erklärung der Lichtbrechung

Die Lichtbrechung lässt sich durch ein Beispiel aus dem Alltag erklären. Wie erreicht ein Rettungsschwimmer am Punkt A einen Ertrinkenden am Punkt B am schnellsten?

Die Geschwindigkeit des Rettungsschwimmers ist am Strand größer als im Meer. Wenn er den Ertrinkenden direkt zu erreichen versucht, dann muss er eine längere Strecke im Wasser zurücklegen. Wenn er bis vor dem Ertrinkenden läuft und den kürzesten Weg im Wasser wählt, muss er insgesamt eine längere Strecke zurücklegen. Der schnellste Weg liegt irgendwo dazwischen, wie man im Bild sehen kann, und lässt sich mit Hilfe von Mathematik berechnen. Für die Berechnung sind die Geschwindigkeiten in den beiden Mitteln notwendig. Genauso funktioniert es mit dem Licht.

Linsen

Linsen in der Optik (und nicht im Topf) sind rundliche durchsichtige Gegenstände, die zur gezielte Ablenkung des Lichtes durch Lichtbrechung benutzt werden. Ist die Rundung nach draußen, wie eine Beule, nennt man die Linse Konvex. Ist die Rundung nach innen, wie eine Delle, nennt man die Linse Konkav.

Eine Linse kann aus jedem durchsichtigen Material gebaut werden. Auch Wasser könnte als Baumaterial einer Linse dienen.

Konvexe Linsen sind Sammellinsen, paralleles Licht wird daher nach einer konvexen Linse an einem Punkt gesammelt. Dieser Punkt wird Brennpunkt genannt, weil man beobachtet hat, dass die Strahlen der Sonne, die durch eine konvexe Linse gesammelt werden, zur Erzeugung von Feuer benutzt werden können: in diesem Fall brennt der Punkt tatsächlich.

Konkave Linsen sind Zerstreuungslinsen, paralleles Licht wird nach einer konkaven Linse von der parallelen Achse hinweg abgelenkt. In diesem Fall wird der Brennpunkt durch die Verlängerung der zerstreuten Strahlen zurück in die Richtung der Lichtquelle definiert (siehe Bild).

Es gibt auch Linsen (Menisken genannt), die auf einer Seite Konvex und auf der anderen Konkav sind. In diesem Fall soll man denken, wo die Linse dicker ist, um zu entscheiden, ob sie eine Sammel- oder eine Zerstreuungslinse ist. Ist die Dicke größer in der Mitte, wie in einer konvexen Linse, dann ist die Meniskuslinse eine Sammellinse. Ist die Dicke größer am Rand, wie in eine konkave Linse, ist die Meniskuslinse eine Zerstreuungslinse.

Eine sphärische Linse ist diejenige, deren Oberfläche wie die Oberfläche einer Kugel ist. Der Brennpunk einer sphärischen Linse lässt sich (annähernd) durch folgende Formel berechnen:

${1 \over f}={{n'-n} \over n}\cdot {({1 \over R_{1}}-{1 \over R_{2}})}$

f ist der Abstand zwischen Linse und Brennpunkt, n´ und n der Brechungsindex der Linse bzw. des Mittels, in dem sich die Linse befindet, R₁ und R₂ die Radien der kugelförmigen Oberflächen der Linse. Vorsicht: R₁ und R₂ haben einen positiven Wert, nur bei konkaven Oberflächen, bei Konvexen sind sie (bei Konvention) negativ!

Kurz- und Weitsichtigkeit

Das Auge hat auch eine Sammellinse. Dadurch werden die Bilder der Außenwert auf die Hinterfläche des Auges verkleinert und verkehrt projiziert. Der Brennpunkt befindet sich in diesem Fall kurz vor dem hinteren Teil des Auges. Die Augenlinse kann sich anpassen und dadurch ändert sich die Brennweite, je nachdem, ob man in der Nähe oder in der Weite sehen will.

Immer mehr Menschen werden heutzutage Kurzsichtig. Kurzsichtig ist ein Mensch, der nur in der Nähe (kurz) sehen kann. In der Weite ist das Bild unscharf. Die wissenschaftliche Annahme für die Ursache ist, dass die Achse des Auges zwischen Linse und Brennpunkt sich verlängert. Die Linse kann sich dann nicht mehr anpassen und das Bild wird vor dem Hinterteil des Auges projiziert. Eine andere Ursache kann sein, dass die Linse aus irgendeinem Grund sich nicht mehr anpassen kann, auch wenn die Augenachse sich nicht verlängert. Eine Annahme ist, dass zu viel Lesen beim schwachem Licht und zu wenig Exposition an hellen Umgebungen mit großen Entfernungen zu der Entwicklung einer Kurzsichtigkeit beitragen.

Weitsichtig ist eine Person, wenn sie nur in der Weite sehen kann. Das passiert bei vielen Menschen, wenn sie älter werden. In diesem Fall ist entweder die Achse zwischen Augenlinse und hinterem Teil des Auges zu kurz oder die Brechkraft der Linse zu gering. Dadurch verschiebt sich der Brennpunk hinter dem hinteren Teil des Auges.

Korrektur der Sehschwäche mit einer Brille

Bei der Kurzsichtigkeit ist die Brennweite zu kurz. Die Lichtstrahlen müssen daher etwas auseinander gebracht werden, damit sich die Brennweite verlängert. Daher muss man in diesem Fall eine Zerstreuungslinse benutzen. Bei einer Kurzsichtigkeitskorrekturbrille werden Meniskuslinsen benutzt, die am Rand dicker sind.

Bei der Weitsichtigkeit ist die Brennweite zu lang. Die Lichtstrahlen müssen daher etwas näher gebracht werden, damit sich die Brennweite verkürzt. Daher muss man in diesem Fall eine Sammellinse benutzen. Bei einer Weitsichtigkeitskorrekturbrille werden Meniskuslinsen benutzt, die in der Mitte dicker sind.

Sehbahn

Sehbahn ist der Apparat zwischen Augen und Teilen des Großhirns, die für das Sehen zuständig sind. Hier werden wir uns nicht nur mit diesem Weg, sondern auch mit dem Auge und die Teilen des Großhirns beschäftigen.

Das Auge

Der Augapfel wird an der äußeren Seite von den Augenlider mit ihren Wimpern geschützt. Er besteht aus eine äußere Hülle mit drei Schichten (und ein Loch) und den inneren Raum.

Die drei Schichten der äußeren Hülle sind die Leder-, die Ader- und die Netzhaut. Diese Hülle hat ein Loch nach draußen, die es ermöglicht, dass das Licht ins Auge eintritt. Die äußerste Schicht der Hülle, die Lederhaut, wandelt sich an diesem Loch zu einer durchsichtigen Schicht, die Hornhaut. Die mittlere Schicht wandelt sich zu einer beweglichen Schicht, die Iris, mit der Pupille in der Mitte. Die Pupille ist ein Loch, wodurch das Licht das Auge eintritt. Die Pupille wird breiter bei fallender Lichtintensität.

Hinter der Iris befindet sich die Augenlinse. Diese teilt den inneren Raum in den Glaskörper, der fast das ganze Auge füllt und in einen vorderen Raum, der durch die Iris in vorderer und hinterer Augenkammer unterteilt wird. Der Glaskörper ist kein Glas, sondern eine Gel-artige durchsichtige Substanz. Vordere und hintere Augenkammer sind durch das durchsichtige Kammerwasser gefüllt.

Die innerste Schicht der Hülle, die Netzhaut, ist für das eigentliche Sehen zuständig. Dort befinden sich lichtempfindlichen Zellen. Es gibt solche Zellen, die auch bei schwachem Licht reagieren, Stäbchen genannt, und Zellen, die nur bei stärkerem Licht reagieren, Zäpfchen genannt. Es gibt allerdings eine neulich entdeckte dritte Art von lichtempfindlichen Zellen, die an der Synchronisation der inneren Uhr der Tiere mit dem Tag-Nacht-Rhythmus mitwirken.

Zäpfchen brauchen zwar mehr Licht, können aber dafür Farben erkennen. Es gibt drei verschiedene Zäpfchenarten. Eine reagiert viel mehr auf blaues, eine auf grünes und eine auf rotes Licht. Durch die Mischung dieser drei Reize entstehen alle Farben.

Das Licht geht durch die Hornhaut, die vordere und die hintere Augenkammer, die Linse und den Glaskörper und gelangt an den hinteren Teil der Augenkugel. Genau in der Mitte des hinteren Teils gibt es eine kleine Stelle, gelber Fleck genannt, wo sich viele Zäpfchen befinden und die für das scharfe und detaillierte Sehen beim starken Licht zuständig ist. An dieser Stelle gibt es dafür wenige Stäbchen. Daher kann man in der Nacht besser mit dem Rand des Auges sehen.

Die elektrischen Signalen der Stäbchen und Zäpfchen werden zu anderen Zellen in der Netzhaut weitergeleitet und kodiert. Die Axone dieser Zellen sammeln sich an einer Stelle im hinteren Auge, ca. 15° von der Mitte Richtung Nase und bilden das Sehnerv. Diese Stelle der Netzhaut ist daher blind und wird blinder Fleck genannt. Um diese Stelle festzustellen, muss man ein weißes Blatt Papier mit einem Punkt in der Mitte bei einer bestimmte Stelle vor dem Aug halten. Wenn beide Augen auf sind, wird die Lücke im Bild von Sichtfeld des anderen Auges ergänzt.

Allgemein werden die Sichtfelder der beiden Augen an bestimmen Stellen des Gehirns koordiniert, damit ein zusammenhängendes Bild entstehen kann. Das Sehen mit zwei Augen ermöglicht auch die räumlich wirkenden Abbildung, Perspektive genannt.

Das Sehnerv

Wie schon erwähnt, besteht das Sehnerv aus den Axonen von nicht lichtempfindlichen Zellen der Netzhaut, die kodierte Information aus den lichtempfindlichen Zellen weiterleiten. Die Nervenfasern werden zur Hälfte gekreuzt. Dadurch gelangen der rechte Teil des Sichtfeldes an die linke Seite des Großhirns und der linke Teil an die rechte Seite. Dazwischen gelangt das Sehnerv an das Zwischenhirn (das ist ein bestimmter Teil des Gehirns in seiner Mitte). Diese Verbindung ist u.a. für reflektorischen Reaktionen zuständig, wie beispielsweise den Pupillenreflex, also die Tatsache, dass die Pupille beim starken Licht enger wird.

Der visuelle Kortex

Die Kodierung der Bilder und der Bewegung ist extrem Komplex. Das Sehnerv gelangt am Anfang an den sogenannten primären visuellen Kortex. Dieser befindet sich in der Mitte des hinteren Teils des Großhirns. Mit hoch auflösender funktionelle Magnetresonanztomographie wurde festgestellt, dass das Sichtfeld hier ziemlich genau (wenn auch abwechselnd an) abgebildet wird. Weiter außen vom primären Kortex befinden sich der sekundäre und tertiäre visuelle Kortex, die für weitere Bearbeitung der visuellen Signale zuständig sind. Im Großhirn gibt es weitere Stellen, die auch zum visuellen Kortex gehören.