Lic ht und F arbe Ð F ac hbezug Ph ysik Ð · F cher integ rativ es Unterr ichten in Natur und Technik Ð ein Projekt des Z-MNU unter Beteiligung der Didaktik en der Biologie , der

Fächerintegratives Unterrichtenin Natur und Technik –ein Projekt des Z-MNU unter Beteiligungder Didaktiken der Biologie, der Chemie und der Physik

Licht und Farbe– Fachbezug Physik –

Arbeitsblätter zu Natur und TechnikJahrgangsstufe 5

(auch geeignet für Lehrkräfte, die die Fakultas im Fach Physik nichtbesitzen)

Dr. Sigrid M. WeberUniversität Bayreuth

Didaktik der Physik und Z–MNU

Version zur Lehrerfortbildung am 10. Oktober 2006

I

Handreichung für die Unterrichtsentwicklung

Vorwort

Diese Handreichung enthält Versuchsanleitungen zu Schülerversuchen für im eigenstän-digen Experimentieren relativ unerfahrene Schülerinnen und Schüler, was beispielsweisebei beschränkten Experimentiererfahrungen aus der Grundschule der Fall ist. Einsatzortekönnen beispielsweise in der Jahrgangstufe 5 des Gymnasiums in Bayern im Fach Naturund Technik sein, aber auch im Dreierfach PCB in der Hauptschule in Bayerrn.Im eigenständigen Arbeiten unerfahrene Schülerinnen und Schüler sind äußerst behut-sam an fachspezifische Arbeitsweisen heranzuführen, da sich relativ leicht eine Abnei-gung gegen das eigene Experimentieren entwickeln kann, wenn anfänglich Arbeitsaufträ-ge gestellt werden, die aus Sicht des Kindes unverständlich, unsinnig oder zu theoretischerscheinen.Die Arbeitsblätter sind so strukturiert, dass nicht alle Seiten eines Satzes eingesetzt wer-den müssen. Die wesentlichen Inhalte eines Experimentierproblems sind jeweils auf derersten Seite eines Abschnitts dargestellt. Zumindest in den ersten Wochen wird empfoh-len, das weitere Vorgehen mit den Schülerinnen und Schülern mündlich zu erarbeitenund sie NICHT auf die zweite Seite der Aufgabenstellung zu verweisen. Die auf die ersteSeite jeweils folgenden Seiten spezifizieren den Versuchsablauf, geben wenige Beispie-le für Messprotokolle sowie einige Positionierungshilfen bei für Neulinge schwierigerenJustagen optischer Aufbauten. Sie können alternativ durch eigene Arbeitsaufträge derLehrkraft an die spezielle Klassensituation angepasst werden. Trotzdem dürften sie alsAngebote oder auch Vorschläge für ein konkretes Vorgehen hilfreich sein.Insbesondere ein Erzwingen langer Messreihen oder wiederholtes Messen der gleichenGrößen wirken in dieser Alterstufe stark demotivierend. Die Experimentieraufgaben soll-ten auf einem eher spielerischen Niveau beginnen und die Schülerinnen und Schülerschrittweise an naturwissenschaftliche Arbeitsweisen heranführen. Dies schließt als einZiel das Erkennen physikalischer Fragestellungen in der Umwelt und bei Alltagsproble-men ein.Manche Versuche sind in verschiedenen Varianten aufgenommen, beispielsweise istdie Farbenaddition mit drei Lampentypen (LED-Minitaschenlampen, Leuchboxen und mitGlühbirnen bestückte Klemmleuchten) verteten. Zu jeder Versuchsvariante wird ein voll-ständiges Arbeitsblatt als Kopiervorlage angeboten, so dass die Lehrkraft ihre Wahl ent-sprechend der vorhandenen Ausstattung treffen kann.Vor jeder Gruppe von Arbeitsblättern finden sich einige methodische und experimentelleHinweise, die insbesondere für Lehrkräfte hilfreich sein können, die das Fach Physik nichtstudiert haben, aber physikalische Themen unterrichten.Den einzelnen Arbeitsblättern ist eine Gesamtübersicht aller angebotenen Versuchsvari-anten in Tabellenform vorangestellt.Eine elektronische Version dieses Hefts findet sich auch auf der Begleit-CD zu die-ser Fortbildungsveranstaltung. Weiterentwickelte Versionen, die umfangreichere metho-dische Hinweise enthalten werden, sind über die Homepage des Z-MNU (http://zmnu.uni-bayreuth.de/) oder der Didaktik der Physik (http://didaktik.phy.uni-bayreuth.de/) zu finden.

Bayreuth, im Oktober 2006 Die Autorin

Natur und Technik – Jgst. 5 c! Dr. S. M. Weber, Didaktik der Physik, Universität Bayreuth III

Natur und Technik – Jgst. 5 c! Dr. S. M. Weber, Didaktik der Physik, Universität Bayreuth IV

Inhaltsverzeichnis

I Licht und Farbe, Lichtzerlegung 13

1 Sind alle weißen Lichter gleich weiß? 15

1.1 Farbtemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2 Wir machen einen Regenbogen (1 bis 5) 17

2.1 Regenbogen mit Overhead–Projektor und Wasserbecken . . . . . . . . . . 19

2.2 Regenbogen mit Mini–Taschenlampe und Wasserbecken . . . . . . . . . . 21

2.3 Regenbogen mit Leuchtbox und Becher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.4 Regenbogen zur Qualitätsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.5 Regenbogen mit Leuchtbox und wassergefüllter Glaskugel . . . . . . . . . 29


3.1 Regenbogen ohne Wasser – Prisma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.2 Regenbogen ohne Wasser – Vollglaskugel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4 Wir zerlegen Lichter – Der Regenbogen verschiedener Lichtquellen (1) 39

4.1 Welt durch ein Strichgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2 Welt durch eine Goethebrille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43


5.1 Regenbogen mit Gitter und LED-Taschenlampe . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.2 Regenbogen mit Gitter und Leuchtbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49


6.1 Regenbogen mit CD und LED-Taschenlampe . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.2 Regenbogen mit CD und Leuchtbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

7 Wir zerlegen Lichter – Der Regenbogen verschiedener Lichtquellen (2) 61

7.1 Messung mit dem Handspektroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

8 Wir zerlegen Lichter (3) – dem Regenbogen eine Farbe wegnehmen 65

8.1 Regenbogen von farbigem Licht – Prisma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

9 Wir zerlegen Lichter (4) – dem Regenbogen Farben wegnehmen 69

9.1 Regenbogen von farbigem Licht – Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Natur und Technik – Jgst. 5 c! Dr. S. M. Weber, Didaktik der Physik, Universität Bayreuth V

10 Wir überlagern Lichter (1 bis 3) 7310.1 Farbige Schatten mit LED-Taschenlampe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7510.2 Farbige Schatten mit Leuchtboxen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7710.3 Farbige Schatten mit farbigen Glühbirnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

11 Wir filtern Lichter (1) 8111.1 Mischfarben aus mehreren Filtern – Leuchtbox . . . . . . . . . . . . . . . . 83

12 Wir zerlegen Lichter (5) – dem Regenbogen Farben wegnehmen 8512.1 Wir zerlegen Licht aus zwei Farbfiltern – Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . 87

13 Wir überlagen Lichter (4) – Flickerfarben 8913.1 Farbmischung bei zu geringer Zeitauflösung – dynamische Mischung . . . 91

14 Wir überlagern Lichter (5) – alle Farben aus Rot, Grün und Blau 9314.1 Farbmischung bei zu geringer Ortsauflösung – RGB-Punktraster . . . . . . 93

15 Wir machen Lichtstrahlen mit der Leuchtbox 9515.1 Einführung in die Bedienung der Leuchtbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Natur und Technik – Jgst. 5 c! Dr. S. M. Weber, Didaktik der Physik, Universität Bayreuth VI

1 Übersicht über alle Versuche

Nr.im

Lehr-

gang

Versuchszielinkindge-

rechterFormulierung

FachlicheEinordnung

VersuchsinhalteinStichworten

Didaktische

Hinweise

undmethodische

Anmerkungen

Lichtund

Farbe,Lichtzerlegung

—physikalischerAspekt

P1Sind

alleweißen

Lich-

tergleich

weiß?

LichtquellenundLicht-

arten

Verschiedene

LichtquelleninihrerFarb-

temperaturqualitativvergleichen:

•Glühlicht,z.B.Glühbirne

•Halogenbirne

•Energiesparlampe

oder

Leucht-

stoffröhre

•LED–Leuchte

•Quecksilberdampflampe

•Natriumdampflampe

•Windlicht(Kerze)

•Sonnenlicht

ErsteEinführungindieExistenzverschie-

den“farbiger”weißerLichtquellen:

NurqualitativerVergleich

vonbeleuch-

tetenRegionen

einesweißen

Kartons

(Lichtflecke)

(Keine

quantitative

Analyse,daherm

uss

derKartonnichtmitexaktidentischerIn-

tensitätbeleuchtetwerden.)

Natur und Technik – Jgst. 5 c! Dr. S. M. Weber, Didaktik der Physik, Universität Bayreuth 1

Übersicht über alle Versuche 2P2.1

bis

P2.5

Wiemache

icheinen

Regenbogen(1bis5)?

EinfacheSpektralappa-

rate

Lichtbrechungan

wassergefülltenGe-

fäßen:

1.Teilweise

wassergefüllte

Küvette

aufOverheadprojektor(Motivation),

2.wassergefüllte

rechtecki-

geMini–Küvette

und

LED–

Minitaschenlampe,

3.wassergefüllteszylinderförmigeKü-

vetteundLeuchtboxmitLichtspalt,

4.wassergefülltesGlasundLeucht-

boxmitLichtspalt(Qualitätsprü-

fung),

5.wassergefüllte

Glaskugel

und

LeuchtboxmitLichtspalt.

BeidenVersuchsgruppenP2

bisP3

sinddieverschiedenenMöglichkeiten

derErzeugungvonregenbogenähnlichen

Strukturen

ausweißen

Lichtquellendas

Versuchsziel,nichtjedoch

eine

Analyse

derSpektren.

EsgenügtsichaufwenigeweißeLicht-

quellenzubeschränken:

Halogen-,Glüh-undLED–Lampensowie

eventuellQuecksilberdampflampe

beim

Overheadprojektor.



Nr.im

Lehr-

gang


rechterFormulierung

FachlicheEinordnung


Didaktische

Hinweise

undmethodische

Anmerkungen

P3.1

bis

P3.2

Wiemache

icheinen

Regenbogen(6bis7)?


rate

Lichtbrechungan

poliertenKörpernaus

VollglasoderKunststoff:

1.Prism

a(Acrylglas)undLeuchtbox

mitLichtspalt

2.Glaskugeln(Vollglas)undLeucht-

boxmitLichtspalt

P4.1

bis

P4.2

Wir

zerlegen

Lichter

1oder

“Der

Regen-

bogen

verschiedener

Lichtquellen1”


rate

Spektrenweißer

Lichtquellenqualitativ

betrachten:

•StrichgittervorAugehalten

•Farbenbrille

(Effektbrille

mitmehre-

renKreuzgittern)

Spielerisch

erfolgtdieersteBegegnung

mitTransmissionsgittern,indemsie

als

Brille

verwendetwerden.

ExemplarischzweiTypenvonLichtquel-

lenbetrachten:

•(Radialsymmetrisches)Glühlicht

•langgestreckteLeuchtstoffröhre

P5.1

bis

P5.2

Wiemache

icheinen

Regenbogen(8bis9)?


rate

BeugunganStrichgittern:

1.Strichgitter

und

LED–

Minitaschenlampe

(Transmissi-

onsspektrum)

2.StrichgitterundLeuchtbox(Trans-

missionsspektrum)

Eswirdversucht,dasinP4.1gesehene

Spektrumaufeinem

Schirmaufzufangen.


Übersicht über alle Versuche 4P6.1

bis

P6.2

Wiemache

icheinen

Regenbogen

(10

bis

11)?


rate

BeugunganGitterninReflexion:

1.CD–Spuren

und

LED–

Minitaschenlampen

(Reflexionss-

pektrum)

2.CD–Spuren

und

Leuchtbox

mit

Lichtspalt(Reflexionsspektrum)

Anknüpfend

anAltagserfahrungenwird

nachweiterenErzeugungsmethodenvon

RegenbogenfarbenmitdemZielgesucht,

GitterinReflexionalsdispergierendeEle-

mentekennenzulernen.

P7.1

bis

P7.2

Wir

zerlegen

Lichter

2oder

“Der

Regen-

bogen

verschiedener

Lichtquellen2”

SpektrenvonLichtquel-

len

(Kontinuierliche

Spek-

tren,Bandenspektren)

SpektrenweißerLichtquellenquantitativ

betrachten

1.Handspektroskop

(hochwertiges

Gerät)

2.Handspektroskop

(Bausatz

aus

Pappe)

MöglicheVertiefungvonP4

(Lichtquellen

wiedort):

DasHandspektroskop

wirdim

vertiefen-

denAbschnittArtenvonLichtquellen,bei

denfarbigen

Flammen

wiederaufgegrif-

fen.

P8WirzerlegenLichter(3)

—Dem

Regenbogen

eineFarbewegnehmen

Absorptionsspektren—

Hinführung

SpektrenvonmitGlühlichtdurchstrahlten

einzelnenFarbfiltern(Farbgläser,Farbfo-

lien,bemalteGläser)betrachtenundver-

gleichen:

•Rotfilterfoliein6cmx6cmGlasdia

•Grünfilterfoliein6cmx6cmGlasdia

•Blaufilterfoliein6cmx6cmGlasdia

WieVersuchP3.1(Prisma),jedoch

mit

FarbfilterdirekthinterdemSpalt

Qualitativerkennen,dassTeiledesSpek-

trumsvondeneinzelnenFarbfilternweg-

genommenwerden.

Alternative

zuFarbfolien:Farblösungen

ausNahrungsmittelfarben

inschmalen

Küvetten

Man

beachte:

MancheSynthetischen

Farbstoffe(auchOstereierfarben)belas-

tenzumindestdasImmunsystem

oder

sindalsgiftigeingestuft(landabhängig)!



Nr.im

Lehr-

gang


rechterFormulierung

FachlicheEinordnung


Didaktische

Hinweise

undmethodische

Anmerkungen

P9WirzerlegenLichter(4)

—dem

Regenbogen

Farbenwegnehmen

Absorptionsspektren

mitGitterspektrometer

WieVersuchP5.2(Strichgitter),

jedoch

miteinem

Farbfilter

direkt

hinter

dem

Beugungsgitter

Rot(R),Grün(G),Blau(B);

Cyan

(C)(=Blaugrün),

Magenta

(M)

(=Purpur),Gelb(Ge).

MitHilfeausgewählterFarbfilter(R,G,B

sowieeventuellC,M,Ge)wirdanalysiert,

welcheTeiledesSpektrumsvondenein-

zelnenFilternabsorbiert,d.h.quasiweg-

genommenwerden.

P10.1

bis

P10.3

WirüberlagernLichter

(1bis3)

—“Farbige

Schatten”

Absorption,

Additive

Farbmischung

durch

Projektion

FarbenadditionimSchattenbildeinesOb-

jektsbeobachten

1.FarbigeLED–Minitaschenlampen

2.Drei

LeuchtboxenmitFarbfiltern

bzw.eineLeuchtboxmitzweiSpie-

geln

3.FarbigeGlühbirnen

Grundfarben

RGB:

Rot(R),Grün(G),

Blau(B);Cyan(C)(=Blaugrün),Magenta

(M)(=Purpur),Gelb(Ge);W

eiß(W)

BeigleicherIntensitätergibtsich:

R+G=Ge

R+B=M

B+G=C

R+B+G=W

Eine

spielerische

Einführung

indas

Mischenvonzwei

unddrei

farbigen

Lichtquellen:

Esgenügt

mitdendrei

Grundfarben

zuarbeiten.Schwerpunkt

aufdieUnterschiedezuP11legen.

EventuellauchneueMedienverwenden


Übersicht über alle Versuche 6P11

WirfilternLichter(1)

Absorption,Subtraktive

Farbmischung

Farbensubtraktion

beimit

Glühlicht

durchstrahlten

Farbfilterkombinationen

(Gläser,Folien)beobachten:

LeuchtboxenoderOverhead

(BasissinddieVersuchP8

undP9)

DieseArtderFarbmischungistausdem

Zeichenunterrichtbekannt.Unterschiede

zuP10verdeutlichen.

FilterbreiterDurchlässigkeit

verwen-

den!Auch

KombinationvonFestkörper-

undFlüssigkeitsfilternsindmöglich.

P12

WirzerlegenLichter(5)

Absorptionsspektren,

Subtraktive

Farbmi-

schung

SpektrenvonmitGlühlichtdurchstrahlten

Farbfilterkombinationen(Gläser,Folien)

betrachtenundvergleichen:

Wie

Versuch

P5.2

(Strichgitter),

je-

doch

mitzweiFarbfilterndirekthinter

demBeugungsgitter

Ziel

ist,dasvolle

Spektrum

diverser

Farbfilterzuuntersuchen.

FilterbreiterDurchlässigkeit

verwen-

den

P13


(4)

AdditiveFlickerfarbmi-

schung

Farbreize

dem

Auge

nacheinander

schnell

präsentieren

(Farbscheiben,

Farbkreisel)

Rotationsgeschwindigkeitsabhängiger

Farbeindruck

P14


(5)

AdditiveFarbmischung

durchräumlicheRaster

FarbfernseheroderFarbmonitormitLupe

betrachten

Erweiterung:Druckfarben(Gelb,

Blau

undPurpursowieSchwarz)bzw.Farbbil-

derinBüchernmitLupeuntersuchen

P15

Lichtbündel—

Leucht-

box(1)

SichtbarkeitvonLicht(-

strahlen),

BedienungderLeucht-

box

EinführungindieBedienungderLeucht-

box,Blenden

Erzeugenvonparallelenunddivergenten

Lichtbündeln



Nr.im

Lehr-

gang


rechterFormulierung

FachlicheEinordnung


Didaktische

Hinweise

undmethodische

Anmerkungen

OptischeTäuschungen

P16

Farben

ohne

Farbe

(bzw.ohneFarbreiz)


Rotierende

Sektoren,

z.B.

Benham–Scheibe

,Bidwell–Scheibe

,MachscheScheibe

Farbeindruck

durchschnellwechselnde

schwarzeundweißeFarbreize

erzeugen

P17

DreidimensionalesSe-

hen


DiverseSchwarz–Weiß–Vorlagen


Übersicht über alle Versuche 8Nr.im

Lehr-

gang


rechterFormulierung

FachlicheEinordnung


Didaktische

Hinweise

undmethodische

Anmerkungen

Lichtbündel,LichtstrahlenundLichtleiter

P18.1

bis

P18.2

Lichtleitung

oder

“Wenn

Licht

durch

einenKnoten

geht”(1

bis2)

MonomodeLichtleiter,


strahlen)

LichtleiterausPlexiglasoderdurchsich-

tigem

Kunststoffmiteinerweißen

LED–

Minitaschenlampedurchstrahlen

Lichtleiterformen

•Stab

•U–Form

•Spirale

•Kunststofflichtleiterkabel

mitKno-

ten

NatürlicheLichtleitervorstellen(Ulexit,

bedingtgeeignetSelenit,da

meistnur

trübzufinden)

Partnerarbeit

Kunststofflichtleiterohne

Ummantelung

erscheinen

dem

Auge

nurdann

hell,

wenn

dasLichtaufdenBeobachterzu

läuft,worausindasProblem

derSichtbar-

keitvonLichteingeführtwerdenkann.

P18.3

Lichtleitung(3)

MonomodeLichtleiter,


strahlen)

WieP18.1,jedoch

wirdgleichzeitig

mit

zweifarbigenLED–Minitaschenlampenin

denLichtleitereingestrahlt

Lichtleiterohne

Ummantelung

erschei-

nendemAuge

zweifarbig,abhängigvon

derBeobachtungsposition.

P19

Wiees

ineinemLicht-

leiteraussieht

(Total-)reflexion,

Licht-

leitung

Plexiglasstäbe

mitquadratischem

Quer-

schnittbildeneinObjektinsbetrachtende

Augeab.

Blick

durcheinenPlexiglasstab

MöglicherEinstiegindasProblemder

Reflexion.



P20

Lichtwege(1),

Leuchtbox(2)

Lichtablenkung

durch

Reflexion,

SchneidenvonLicht-

strahlen

Lichtstrahlenaufdiverselichtundurchläs-

sigeOberflächenfallenlassen

1.ebeneFlächen

2.gekrümmteFlächen

Lichtwegewerdenerkundet.

DasReflexionsgesetz

beispiegelnden

Flächenwirdspielerischentdeckt.

DieunterschiedlicheAbsorptionvonmat-

tenlichtundurchlässigen

Flächenwird

spielerischerkundet.

Sich

schneidendeLichtstraheln

beein-

flussensichnicht.


Übersicht über alle Versuche 10Nr.im

Lehr-

gang


rechterFormulierung

FachlicheEinordnung


Didaktische

Hinweise

undmethodische

Anmerkungen

AbbildungenmitLinsen

P21

Lichtwege(2)

Brechung

anGrenzflä-

chen

WeiterführungvonP20

Lichtstrahlen

aufdiverselichtdurchlässi-

geOberflächenfallenlassen

1.PetrischalenausPSundGlas,lang-

sammitWasserfüllen

2.Kugelllinse

3.PetrischalemitdreiKammern,da-

voneinelangsammitWasserfüllen

Erkennen,dass

Lichtbeim

Durchgang

durchGrenzflächen,vonseinerursprüng-

lichenAusbreitungsrichtungabweicht

P22

Lichtwege(3)

PlanparallelePlatte

VertiefungvonP21,Leuchtboxmitdreifa-

cherSchlitzblende

ViereckprismamitrechtemWinkelver-

wenden

Entdecken,

dass

derLichtweg

parallel

versetztwerdenkann

P23

Lichtwege(4)

Linsen(1)

Totalreflexion,

Vorbereitung

der

Eigenschaften

der

Konvexlinse

VertiefungvonP21,Leuchtboxmitdreifa-

cherSchlitzblende

DreieckprismamitrechtemWinkelver-

wenden

Entdecken,dassLicht

•diehintereFläche

einesPlexi-

glasprism

anicht

durchdringen

kann,sonderntotalreflektiertwird.

•nach

DurchgangdurcheinPrism

ainbestimmtenWinkelnabgelenkt

wird

P24

Lichtwege(5),

Linsen(2)

Zylinderlinse

Eintotalm

itWassergefülltesReagenz-

glasdientalsZylinderlinse.

Entdecken,

dasBuchstaben

beiBlick

durchdasGlaskopfstehen.



P25

Lichtwege(6),

Linsen(3)

EigenschaftenvonLin-

sen

LeuchtboxmitdreifacherSchlitzblende

LinsenmodellemitLichtbündelndurch-

strahlen:

•Bi–Konvexlinsen(Sammellinsen)

•Plan–Konvexlinsen(Sammellinsen)

•Konkavlinsen(Zerstreuungslinsen)

SammeleigenschaftenundZerstreungs-

eigenschaftenvonLichtbeimDurchgang

vonLichtdurchLinsenmitderLeuchtbox

entdecken.

P26

Lichtwege(7)

Lichtweg

durch

eine

punktförmigeBlende

Lochkameramodellbasteln


Übersicht über alle Versuche 12



Teil I

Licht und Farbe, Lichtzerlegung –Experimentieranleitungen für Schüler-innen und Schüler P1 – P15

Vorbemerkungen zu den Versuchsanleitungenzu Teil I

Teil I enthält einfache aber dennoch faszinierende Experimentemit weißem Licht. Es werden einfache Spektralapparate, Spektrenweißer Lichtquellen, Absorptionsspektren von transluzenten Stof-fen, additive und subtraktive Farbmischung, additive Flickerfarbmi-schung, additive Farbmischung durch räumliche Raster sowie ver-schiedene dynamische und statische optische Täuschungen spiele-risch erkundet.


Übersicht über alle Versuche 14


Sind alle weißen Lichter gleich weiß? Lichtquellen und Lichtarten 1–1

1 Sind alle weißen Lichter gleich weiß?

1.1 Qualitativer Vergleich von Lichtquellen bzgl. ihrer FarbtemperaturP1

Versuchsziel Herausfinden, wie weißes Licht verschiedener weißer Lichtquellenaussieht.

Versuchsidee Verschiedene Lichtflecke auf einem weißen Karton erzeugen.

Versuchsaufbau

Skizze

Gerätelistemindestens zwei verschiedene wei-ße Lichtquellen von möglichst ähn-licher Leuchtstärke: z.B. Glühlicht(Glühbirne) und LED-Licht (LED-Lampe)

Falls verfügbar, können noch weite-re weiße Lichtquellen getestet wer-den: Halogenlicht, Energiesparlam-pe oder Leuchtstoffröhre, Natrium-dampflampe, Quecksilberdampflam-pe, Windlicht (Kerze)

weißer Karton (als Schirm)

Arbeitsauftrag

Aufbau Stelle den Karton aufrecht, halte zwei Lichtquellen bereit, verdunkledas Zimmer!

Versuchs-durchführung

Erzeuge auf dem Karton mit den verschiedenen Lichtquellen ne-beneinander helle Lichtflecke. Vergleiche diese weißen beleuchte-ten Flächen miteinander! Was fällt dir auf?


Lichtquellen und Lichtarten 1–2 Sind alle weißen Lichter gleich weiß?

Tipps zum Aufbau Um den Karton stabil aufzustellen, lehne ihn an einen Stapel Bü-cher. Du kannst ihn auch notfalls flach auf den Tisch legen.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Nimm zuerst nur jeweils eine Lampe und variiere den Abstand zwi-schen Lampe und Karton. Wie ändert sich der Lichtfleck dabei?Wasfällt bei der Helligkeit des Lichtflecks auf?


Wie ich einen Regenbogen mache (1 bis 5) Einfache Spektralapparate 2–1

2 Wir machen einen Regenbogen mit Wasser

In diesem Abschnitt wird die Zerlegung weißen Lichts in seine Spektralfarben spielerischeingeführt. Dabei stehen aus dem Alltag bekannte Substanzen beziehungsweise Objektewie Wasser und durchsichtige Gefäße im Mittelpunkt. Das gefundene Phänomen derLichtzerlegung in sogenannte Spektralfarben (schülergerechte Elementarisierung) erklärtdie Grundlage der Funktionsweise von Spektralapparaten in Industrie und Forschung, dieunter anderem zur Identifizierung von Stoffen verwendet werden können.

Abbildung 1: Die Fresnellinse eines Overheadprojektors als Lichtquelle erzeugt mit Hilfeeiner Küvette mit klaren planparallelen Wänden vier wundervolle Regenbogen an denWänden, falls die Küvette genügend weit mit klarem Wasser gefüllt ist.

Einstieg in die Betrachtungen kann eine Wette sein, eine bekannte Naturerscheinung,nämlich den Regenbogen, ins Klassenzimmer holen zu können. Beginnend mit einemBecken mit planparallelen Seitenwänden können diverse andere wassergefüllte Gefäß-formen untersucht werden. Neben dem Overheadprojektor (Halogen- oder Quecksilber-dampflampe) kommen als Lichtquellen für Schülerversuche auch billige LED-Minitaschen-lampen sowie spezielle Leuchten für Schülerübungen, wie die Leuchtbox von Phywe,zum Einsatz.Anleitungen zu folgenden Versuchsvarianten stehen in diesem Abschnitt zur Verfügung:

1. Teilweise wassergefüllte Küvette auf Overheadprojektor (Motivation, siehe S.19),

2. wassergefüllte rechteckige Mini-Küvette und LED-Minitaschenlampe (ein kosten-günstiger Versuch, der auch als Hausaufgabe geeignet ist, siehe S.21),

3. wassergefüllte zylinderförmige Küvette und Leuchtbox mit Lichtspalt (einfacher alsein kugelförmiges Gefäß, aber dieses vorbereitend, siehe S.23),


Einfache Spektralapparate 2–1 Wie ich einen Regenbogen mache (1 bis 5)

4. wassergefülltes Glas und Leuchtbox mit Lichtspalt (Qualitätsprüfung von Glas, sie-he S.27),

5. wassergefüllte Glaskugel und Leuchtbox mit Lichtspalt (ein Modellversuch zur Bre-chung von Licht an einem Regentropfen, siehe S.29).


Wie ich einen Regenbogen mache Einfache Spektralapparate 2.1–1

2.1 Regenbogenfarben mit Overhead–Projektor und WasserbeckenP2.1

Versuchsziel Wie ich einen großen Regenbogen im dunklen Klassenzimmer ma-chen kann.

Versuchsidee Licht eines Overheadprojektors durch die Seitenwände eines Was-serbeckens schicken.

Versuchsaufbau

Skizze

GerätelisteQuaderförmiges Becken (Küvette)aus klarem Glas oder Plexiglas

1 Papierstreifen in Größe des Be-ckenbodens

ca. 30cm ! 20cm ! 10cm BHT einige Blatt Karton zum AbdeckenOverhead–Projektor 1 Becherklares sauberes Wasser 1 Schere bei Bedarf

Arbeitsauftrag

Aufbau Stelle den Projektor möglichst in die Mitte des Zimmers. Stelle dasBecken irgendwo auf die Projektionsfläche; unter das Becken schiebstDu einen Papierstreifen, so dass genau der Boden abgedeckt ist.Lege einige Blatt Papier zum Abdecken eines Teils der Projektions-fläche bereit. Fülle einige cm hoch Wasser in das Becken. Wenn dunoch Fragen hast, lies die Tipps zum Versuchsaufbau auf der Rück-seite.


Schalte den Projektor ein. Warte bis das Wasser ganz ruhig ist. Su-che vier Regenbogen an den Wänden. Falls du keine Regenbogensiehst, lies die Tipps zur Versuchsdurchführung auf der Rückseite.


Einfache Spektralapparate 2.1–2 Wie ich einen Regenbogen mache

Tipps zum Aufbau Das Becken sollte möglichst nicht zerkratzt und außen trocken sein.Wie hoch du Wasser einfüllen musst, hängt sowohl von der Höhedes Beckens als auch von der genauen Position auf der Projekti-onsfläche des Overheads ab. Stelle als erstes das Becken in dieMitte der Projektionsfläche, so dass die Seitenwände des Beckensparallel zu den Kanten der Projektionsfläche verlaufen.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

1. Untersuche, wie das Erscheinen der Regenbögen vom Was-serstand im Becken abhängt.

2. Versuche herauszufinden, auf welchen Wegen das Licht durchdas Becken geht. Decke dazu die Projektionsfläche neben denBeckenrändern ganz oder teilweise mit einemA4-Blatt ab. Legeauch ein Blatt Papier an beziehungsweise auf eine Seitenwanddes Beckens.

3. Versuche einen Regenbogen ganz nah am Becken auf einemweißen Karton aufzufangen. Verfolge ihn dann bis zur Zimmer-wand. Unter Umständen musst du auf einen Stuhl steigen.



2.2 Regenbogenfarben mit Mini–Taschenlampe und WasserbeckenP2.2

Versuchsziel Herausfinden, wie ich einen Regenbogen machen kann.

Versuchsidee Licht geschickt durch Wasser schicken.

Versuchsaufbau

Skizze

GerätelisteMini LED-Taschenlampe (weiß) weißer Karton (als Schirm)Geodreieck oder Lineal bei Bedarf sauberes Wasserkleines durchsichtiges Becken mitrechteckigem Boden

Karton zum Unterlegen bei Bedarf

(Kunststoffküvette mit Deckel)

Arbeitsauftrag

Aufbau Fülle sauberes Wasser in das Becken. Lege die LED-Taschenlampedicht vor das Becken auf den Tisch. Falls du Schwierigkeiten hast,lies die Tipps zum Aufbau auf der Rückseite.


Schalte die Taschenlampe ein und versuche den Regenbogen mitdemKarton aufzufangen. Falls du Schwierigkeiten hast, lies die Tippszur Versuchsdurchführung auf der Rückseite.



Tipps zum Aufbau Das Becken sollte möglichst nicht verkratzt und außen trocken sein.Der undurchsichtige Deckel kann aufgelegt sein. Stelle das mit et-was Wasser gefüllte Becken vor dich auf den Tisch.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Es ist geschickt, mindestens soviel Wasser einzufüllen, dass derWasserstand so hoch ist wie die Lampe vorne dick. Warte bis dieWasseroberfläche ganz ruhig ist. Halte die Lichtaustrittsöffnung derLampe möglichst dicht an die untere Kante einer langen Seite desBeckens.Führe nun den Karton im Raum hinter dem Becken von der Tisch-platte aus nach oben und suche das Licht, das aus dem Beckenkommt. Wenn du den Regenbogen auf dem Karton siehst, bist Dufertig.

Zusatzaufgabe Verändere den Wasserstand im Becken. Wann und wo wird der Re-genbogen am schönsten sichtbar?

Wasserstand in mm Ort der Taschenlampe Qualität des Regenbogens



2.3 Regenbogenfarben mit Leuchtbox und BecherP2.3

Versuchsziel Herausfinden, wie ich Regenbogenfarben aus weißem Licht, z.B. mitHilfe eines mit Wasser gefüllten Bechers machen kann.

Versuchsidee Einen Lichtstrahl durch einen mit Wasser gefüllten Becher schicken.

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste 1 Leuchtbox (mit Netzgerät) 1 Schlitzblende für Leuchtbox3 Abdunkelungsblenden für Leucht-box


1 kleiner runder Becher aus durch-sichtigem Kunststoff oder schlie-renfreiem Glas (zylinderförmig, ca."/ 5,5 cm – darf auch größer sein)

Unterlegbrettchen 3 mm stark beiBedarf

1 Glaskugel"/ 14mm bei Bedarf

Arbeitsauftrag

Aufbau Statte die Leuchbox mit einer Schlitzblende aus, so dass bei ein-geschalteter Leuchtbox ein gleichmäßig breiter Lichtstrahl auf derTischplatte sichtbar wird. Stelle den Kunststoffbecher vor die Leucht-box auf den Tisch. Fülle sauberes Wasser in den Becher. Falls duSchwierigkeiten hast, lies die Tipps zum Versuchsaufbau auf derRückseite.


Schalte die Leuchtbox ein und verdunkle das Zimmer. Schiebe denBecher vor die einzige schmale Lichtaustrittsöffnung der Leuchtboxund beobachte den Weg des Lichtstrahls auf der Tischplatte. Schie-be den Becher solange hin und her, bis du einen Regenbogen fin-dest.Falls du Schwierigkeiten hast, lies die Tipps zur Versuchsdurchfüh-rung auf der Rückseite.



Tipps zum Aufbau Der Plastikbecher sollte möglichst klar, nicht verkratzt und und au-ßen trocken sein. Falls du mit der Leuchtbox nicht zurechtkommst,sieh dir die Bedienungshinweise zur Leuchtbox in Abschnitt 15 aufS. 95 an.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Die maßstabsgetreue Zeichnung auf Seite 25 zeigt eine gute Positi-on des Bechers vor der Leuchtbox; auch der Schirm ist eingezeich-net.

• Es ist geschickt, mindestens soviel Wasser einzufüllen, dassder Wasserstand so hoch ist wie der Spalt der Leuchtbox.

• Ziele mit dem Lichtstrahl aus der Leuchtbox so auf den Randdes Bechers, bis auf der Tischplatte Regenbogenfarben er-scheinen.

• Suche die Regenbogenfarben auch oberhalb der Tischplatte.

Die maßstabsgetreue Zeichnung auf Seite 25 zeigt eine empfeh-lenswerte Position des Bechers vor der Leuchtbox; auch der Schirmist eingezeichnet.

Kleiner Tipp: Lege den Karton auf den bunten Regenbogen auf derTischplatte und kippe ihn leicht an.

Zusatzaufgabe Rolle eine klare Glaskugel die Regenbogenfarben entlang. Sieh da-bei von oben in die Kugel!







2.4 Regenbogenfarben mit Leuchtbox und WasserglasP2.4

Versuchsziel Herausfinden, welche Regenbogenfarben ich mit Hilfe eines billigenWasserglases machen kann.

Versuchsidee Einen Lichtstrahl auf ein mit Wasser gefülltes Glas schicken.

Versuchsaufbau

Skizze



1 Glas (Pressglas oder Becherglas) Unterlegbrettchen bei BedarfWasser

Arbeitsauftrag

Aufbau Statte die Leuchbox mit einer Schlitzblende aus, so dass bei ein-geschalteter Leuchtbox ein überall gleich breiter Lichtstrahl auf derTischplatte sichtbar wird. Stelle das Glas vor die Leuchtbox auf denTisch. Fülle sauberes Wasser in das Glas.


Schalte die Leuchtbox ein und verdunkle das Zimmer. Schiebe dasWasserglas so solange hin und her, bis du einen Regenbogen mitdem Karton auffangen kannst.Falls du Schwierigkeiten hast, lies die Tipps zur Versuchsdurchfüh-rung auf der Rückseite.



Tipps zum Aufbau Du kannst verschiedene Gläser ausprobieren. Am Einfachsten wirdder Versuch mit einem geraden Glas ohne Bauch durchzuführensein. Falls du mit der Leuchtbox nicht zurechtkommst, sieh dir dieBedienungshinweise zur Leuchtbox in Abschnitt 15 auf S. 95 an.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Um eine gute Lage des Glases vor der Leuchtbox zu finden, sieh dirals Muster die Zeichnung auf Seite 25 an.



2.5 Regenbogenfarben mit Leuchtbox und wassergefüllter GlaskugelP2.5

Versuchsziel Herausfinden, wie ein Regenbogen aussieht, der mit Hilfe einer mitWasser gefüllten Hohlkugel erzeugt wird.

Versuchsidee Einen Lichtstrahl auf ein mit Wasser gefülltes kugelförmiges Gefäßschicken.

Versuchsaufbau

Skizze



1 Rundkolben mit Stopfen oder ei-ne Hohlkugel aus klarem Glas oderKunststoff

Kolbenring, Knetmasse oder Sand-bett

einige Unterlegbrettchen für dieLeuchtbox

Wasser

Arbeitsauftrag

Aufbau Statte die Leuchbox mit einer Schlitzblende aus, so dass bei ein-geschalteter Leuchtbox ein überall gleich breiter Lichtstrahl auf derTischplatte sichtbar wird. Stelle das kugelförmige Gefäß vor die Schlitz-blende der Leuchtbox auf den Tisch. Fülle sauberes Wasser ein undverschließe das Gefäß.


Schalte die Leuchtbox ein und verdunkle das Zimmer. Schiebe daskugelförmige Gefäß so solange hin und her, bis du einen Regenbo-gen mit dem Karton auffangen kannst.Falls du Schwierigkeiten hast, lies die Tipps zur Versuchsdurchfüh-rung auf der Rückseite.



Tipps zum Aufbau Du kannst den Lichtstrahl in verschiedenen Höhen auf die Kugelbzw. das kugelförmige Gefäß richten. Dazu benötigst du Unterleg-brettchen oder ein Buch unter der Leuchtbox. Falls du mit der Leucht-box nicht zurechtkommst, sieh dir die Bedienungshinweise zur Leucht-box in Abschnitt 15 auf S. 95 an.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Um eine gute Lage der Kugel vor der Leuchtbox zu finden, siehdir als Muster die Zeichnung auf Seite 25 an. Der Kreis dort ent-spricht einem Schnitt durch die Kugel in Höhe des auftreffendenLichtstrahls.


Wie ich einen Regenbogen ohne Wasser mache Einfache Spektralapparate 3–1

3 Wir machen einen Regenbogen ohne Wasser

In diesem Abschnitt wird die Zerlegung weißen Lichts in seine Spektralfarben mit derDurchstrahlung fester, durchsichtiger Körper in Luft weitergeführt. Dabei finden nicht ausdem Alltag geläufige Objekte wie Prismen aus (Acryl-)Glas oder größere Glaskugeln indie Erfahrungswelt von Schülerinnen und Schülern Eingang. Die Aufspaltung von ein-zelnen Strahlen weißen Lichts in regenbogenfarbene Lichtbündel kann mit diesem Ver-suchsaufbau sehr genau beobachtet werden.Das eigene Probieren anstachelnder Einstieg in die Aktivitäten kann ein Glasprisma sein,das der Lehrer in den Strahlengang des Overheadprojektors hält und auf dieseWeise dasSpektrum der Regenbogenfarben an der Wand erzeugt.Es werden wie auch in Versuch 2.3 spezielle Leuchten für Schülerübungen (Leuchtbox)eingesetzt, die erlauben, die Effekte auf der Tischplatte zu beobachten.Übersicht der enthaltenen Versuchsvarianten:

1. Prisma (Acrylglas) und Leuchtbox mit Lichtspalt (siehe S.33),

2. Glaskugeln (Vollglas) und Leuchtbox mit Lichtspalt (siehe S.37).

Abbildung 2: Eine Vollglaskugel als dispergierendes Element erzeugt ein gekrümmtes,bogenförmiges Spektrum auf dem Schirm (links im Bild) hinter der Leuchtbox. Je größerder Kugeldurchmesser, desto weniger gekrümmte Spektren können erzeugt werden.


Einfache Spektralapparate 3–2 Wie ich einen Regenbogen ohne Wasser mache


Wie ich einen Regenbogen ohne Wasser mache Einfache Spektralapparate 3.1–1

3.1 Regenbogen mit Leuchtbox und PlexiglaseckP3.1

Versuchsziel Herausfinden, wie ich Regenbogenfarben aus weißem Licht ohneWasser, z.B. mit Hilfe einer Plexiglasecke machen kann.

Versuchsidee Einen Lichtstrahl durch Plexiglas schicken.

Versuchsaufbau

Skizze



1 prismatischer Körper aus Plexiglas(siehe Skizze)

Unterlegbrettchen 3mm stark bei Be-darf

1 Glaskugel"/ 14mm bei Bedarf

Arbeitsauftrag

Aufbau Statte die Leuchbox mit einer Schlitzblende aus, so dass bei ein-geschalteter Leuchtbox ein überall gleich breiter Lichtstrahl auf derTischplatte sichtbar wird. Lege das Plexiglasprisma vor die Leucht-box auf den Tisch.


Schiebe das Plexiglasprisma vor die einzige schmale Lichtaustritts-öffnung der Leuchtbox und beobachte den Weg des Lichtstrahls aufder Tischplatte. Drehe und schiebe das Prisma solange hin und her,bis du Regenbogenfarben findest.Falls du Schwierigkeiten hast, lies die Tipps zur Versuchsdurchfüh-rung auf der Rückseite.


Einfache Spektralapparate 3.1–2 Wie ich einen Regenbogen ohne Wasser mache

Tipps zum Aufbau Das Plexiglasprisma sollte möglichst nicht zerkratzt und sauber sein.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Die maßstabsgetreuen Zeichnungen auf den Seiten 35 und 36 zei-gen gute Positionen des Plexiglasprismas vor der Leuchtbox.

Zusatzaufgabe Halte eine Glaskugel in die Bahn des bunten Lichts, das aus demPrisma kommt! Sieh von oben in die Kugel!







3.2 Regenbogen mit Leuchtbox und GlaskugelP3.2

Versuchsziel Herausfinden, wie ich Regenbogenfarben aus weißem Licht ohneWasser, z.B. mit Hilfe einer Kugel aus Glas machen kann.

Versuchsidee Einen Lichtstrahl auf eine Vollglaskugel schicken.

Versuchsaufbau

Skizze


Knetmasse oder Modelliermasse beiBedarf

1 Glaskugel"/ 30 – 50mm Unterlegbrettchen 1,5 – 2,5cm starkweißer Karton (als Schirm)

Arbeitsauftrag

Aufbau Statte die Leuchbox mit einer Schlitzblende aus, so dass bei ein-geschalteter Leuchtbox ein gleichmäßig breiter Strahl auf der Tisch-platte sichtbar wird. Stelle die fertig bestückte Leuchtbox auf ein oderzwei Unterlegbrettchen, auf ein Buch oder einen Stapel Papier. Le-ge die Glaskugel vor die Leuchtbox auf den Tisch, so dass sie nichtwegrollen kann.


Schalte die Leuchtbox ein und verdunkle das Zimmer. Schiebe dieKugel so in den Lichtstrahl, das sie auf mittlerer Höhe von dem Licht-strahl getroffen wird, Schiebe die Kugel solange hin und her, bis dueinen Regenbogen mit dem Karton auffangen kannst.Falls du Schwierigkeiten hast, lies die Tipps zur Versuchsdurchfüh-rung auf der Rückseite.



Tipps zum Aufbau Die Kugel sollte möglichst nicht zerkratzt und schlierenfrei sein. Fallsdu mit der Leuchtbox nicht zurechtkommst, sieh dir die Bedienungs-hinweise zur Leuchtbox in Abschnitt 15 auf S. 95 an. Unter die Leucht-box solltest du soviel unterlegen, dass die Kugel auf mittlerer Höhevom Lichtstrahl getroffen wird.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Um eine gute Lage der Kugel vor der Leuchtbox zu finden, siehdir als Muster die Zeichnung auf Seite 25 an. Der Kreis dort ent-spricht einem Schnitt durch die Kugel in Höhe des auftreffendenLichtstrahls.


Der Regenbogen verschiedener Lichtquellen (1) Einfache Spektralapparate 4–1

4 Wir zerlegen Lichter – Der Regenbogen verschiedener Licht-quellen (1)

Mit den Freihandexperimenten dieses Abschnitts soll die Aufmerksamkeit der Experimen-tierenden auf verschiedene Lichtquellen gerichtet werden.Zum Einsatz kommen eine Kunststofffolie mit 1000 parallelen Linien pro mm sowie eineEffektfolie, die zwei versetzte rechtwinklig gekreuzte Gitter enthält. Letztere ist als fertigePappbrille, sog. Goethebrille oder Prismenbrille erhältlich. Die Effektfolie gibt es auch alsBogen im DIN-A4-Format zum selbst Zerschneiden.

Abbildung 3: Die Materialien dieses Abschnitts, eine Effektbrille mit Kreuzgitterfolie sowieLiniengitterfolie als Dia gerahmt.


Einfache Spektralapparate 4–2 Der Regenbogen verschiedener Lichtquellen (1)


Der Regenbogen verschiedener Lichtquellen (1) Einfache Spektralapparate 4.1–1

4.1 Wie die Welt durch ein Strichgitter aussiehtP4.1

Versuchsziel Die Welt in Regenbogenfarben tauchen.

Versuchsidee Foliendia vor mein Auge halten

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste 1 Gitterfolie in Diarahmen verschiedene Lichtquellen

Arbeitsauftrag

Aufbau Halte die als Dia gerahmte Gitterfolie vor ein Auge.Versuchs-

durchführungBetrachte verschiedene Lichtquellen durch das Dia. Falls Du nichtsBeachtenswertes siehst, lies die Tipps zur Versuchsdurchführungauf der Rückseite.


Einfache Spektralapparate 4.1–2 Der Regenbogen verschiedener Lichtquellen (1)

Tipps zum Aufbau Die Gitterfolie sollte nicht zerknittert und nicht verschmutzt sein.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Sieh dir als erstes eine eingeschaltete Glühlampe an. Drehe das Diabeim Hindurchsehen langsam. Eine zweite lohnende Lichtquelle isteine lange Leuchtstoffröhre. Stelle dich direkt unter die leuchtendeRöhre und blicke fast senkrecht nach oben. Drehe auch hier dasDia.

Zusatzaufgabe Lege die Gitterfolie unter ein Mikroskop und versuche herauszufin-den, wie die Oberfläche der Folie vergrößert aussieht.


Der Regenbogen verschiedener Lichtquellen (2) Einfache Spektralapparate 4.2–1

4.2 Wie die Welt durch eine Goethebrille aussieht P4.2Versuchsziel Die Welt in Regenbogenfarben tauchen.

Versuchsidee Eine Goethebrille aufsetzen.

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste 1 Effektbrille (Goethebrille) verschiedene Lichtquellen

Arbeitsauftrag

Aufbau Setze die Goethebrille aus Pappe auf die Nase.Versuchs-

durchführungBetrachte verschiedene Lichtquellen durch die Brille. Was sieht amInteressantesten aus? Falls Du nichts Beachtenswertes siehst, liesdie Tipps zur Versuchsdurchführung auf der Rückseite.


Einfache Spektralapparate 4.2–2 Der Regenbogen verschiedener Lichtquellen (2)

Tipps zum Aufbau Die Goethebrille sollte nicht zerknittert und nicht verschmutzt sein.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Sieh dir als erstes eine Glühlampe an. Drehe deinen Kopf lang-sam. Eine zweite lohnende Lichtquelle ist eine lange Leuchtstoff-röhre. Stelle dich direkt unter die Röhre und blicke fast senkrechtnach oben. Drehe auch hier deinen Kopf.

Zusatzaufgabe Lege die Multispektralfolie bzw. die Folie einer Goethebrille unter einMikroskop und versuche herauszufinden, wie die Folie aufgebaut ist.


Wie ich einen Regenbogen ohne Wasser mache (2) Einfache Spektralapparate 5–1


Nachdem im vorangehenden Abschnitt 4 Regenbögen an Beugungsgittern in Durchsichtspielerisch entdeckt worden sind, soll dies nun physikalisch vertieft werden. Als Transmis-sionsgitter wird wieder eine kostengünstige Gitterfolie aus Kunststoff gewählt. Als brauch-bare Lichtquelle eignet sich eine Mini-Taschenlampe nur bedingt, da für im physikalischenSinn saubere Spektren entweder paralleles Licht oder andernfalls eine schmale Spalt-blende vor dem Gitter notwendig ist. Werden diese Richtlinien nicht beachtet, so siehtder erhaltene regenbogenfarbige Streifen mehr oder weniger verwaschen aus, da er ei-ne Überlagerung aus mehreren Spektren darstellt. Eine schmale Schlitzblende liefert injedem Fall ein brillantes Spektrum, in dem die einzelnen Farben sauber getrennt sind.Allerdings ist es so lichtschwach, dass dieser Regenbogen Schüler der Unterstufe nichtbegeistern kann. Regenbogenfarben genügend hoher Intensität können mit einem Beu-gungsgitter gewonnen werden, einmal wenn eine weiße Mini-LED-Taschenlampe untersehr flachem Winkel auf die Folienoberfläche gerichtet wird (vgl. den Versuch 5.1), zumandern wenn das Gitter mit parallelem Licht aus der Leuchtbox durchstrahlt (vgl. denVersuch 5.2) wird. Dieses Parallellichtbündel ist nach dem Durchgang durch das Gitter-foliendia divergent geworden und muss streng genommen mit Hilfe einer Sammellinsegebündelt bzw. scharf auf den Schirm abgebildet werden, um unerwünschte Farbüberla-gerungen zu vermeiden.

Abbildung 4: Physikalisch korrekte Bestückung der Lichtquelle mit einem schmalen Spaltvor dem Gitter, falls keine Sammellinse zwischen Gitter und Schirm verwendet werdensoll.

Die zusätzlich notwendige Linse lenkt Schüler der Zielgruppe (Jahrgangsstufe 5) vomWesentlichen ab, nämlich der faszinierenden Buntheit des aufgspaltenen weißen Lichtsnach seinem Durchgang durch das Gitterfoliendia. Aus diesem Grund wird in dieserHandreichung in diesem Abschitt auf eine Linse verzichtet.


Einfache Spektralapparate 5–2 Wie ich einen Regenbogen ohne Wasser mache (2)



5.1 Regenbogenfarben mit LED–Mini–Taschenlampe und StrichgitterP5.1

Versuchsziel Herausfinden, wie ich Regenbogenfarbenmit weißem Licht und Git-terfolie an die Wand werfen kann.

Versuchsidee Mit einer kleinen Taschenlampe auf die Gitterfolie leuchten.

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste 1 Gitterfolie (800 bis 1000 Linien promm) im Diarahmen

1 Mini-LED-Taschenlampe (weiß)

weißer Karton (als Schirm) 1 Filterhalter oder Knetwachs bei Be-darf

Arbeitsauftrag

Aufbau Stelle oder halte denDiarahmen so, dass er mit seiner langen Schmal-seite senkrecht auf dem Tisch steht.


Strahle mit der Mini-Taschenlampe auf das Gitterfoliendia! VersucheRegenbogenfarben auf dem Karton aufzufangen. Wenn du Schwie-rigkeiten hast, lies die Tipps zur Versuchsdurchführung auf der Rück-seite.



Tipps zum Aufbau Du kannst den Diarahmen z.B. mit Hilfe von Knetwachs am Umfallenhindern.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Wenn du das Gitter mit der Taschenlampe von vorne bestrahlst,wirst du die Regenbogenfarben auf der gegenüberliegenden Sei-te, also hinter dem Gitter, mit dem Karton auffangen können. Fallsdu nichts findest, gehe mit dem Gitterfoliendia relativ nahe an eineweiße Wand und nimm diese Wand als riesengroßen Schirm. Seit-lich (auf beiden Seiten) neben dem Dia werden zwei Regenbogenauftauchen.Einen recht guten Regenbogen kannst du auch finden, wenn dudurch das Gitterfoliendia mit der Mini-LED-Taschenlampe von derSeite sehr sehr schräg Licht strahlst. Hast du eine Vermutungwarum?



5.2 Regenbogenfarben mit Leuchtbox und GitterP5.2

Versuchsziel Genauer herausfinden, was die Gitterfolie mit weißem Licht macht,das durch sie hindurch geschickt wird.

Versuchsidee Gitter mit einem Lichtbündel durchstrahlen.

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste 1 Leuchtbox (mit Netzgerät) 1 Strichgitter (1000 Linien pro mm)in Diarahmen (Gitterfoliendia)

3 Abdunkelungsblenden für Leucht-box

diverse Unterlegbrettchen


Arbeitsauftrag

Aufbau Statte die Leuchtbox so mit Blenden aus, dass sie genau ein gleich-bleibend breites Lichtbündel aussendet. Stelle den Karton aufrechtan ein Tischende, die Leuchtbox etwa 80 cm davon entfernt auf.Falls du Schwierigkeiten hast, lies die Tipps zum Versuchsaufbauauf der Rückseite.


Stecke das Gitterfoliendia in den entsprechendenDiahalter der Leucht-box. Schalte die Leuchtbox ein und verdunkle das Zimmer. RichteLeuchtbox und Karton so aus, dass ein Regenbogen zu sehen ist.Falls du Schwierigkeiten hast, lies die Tipps zur Versuchsdurchfüh-rung auf der Rückseite.



Tipps zum Aufbau Falls du Schwierigkeiten mit der Leuchtbox hast, sieh dir die Bedie-nungshinweise zur Leuchtbox in Abschnitt 15 auf S. 95 an. Das Git-terfoliendia sollte sauber sein. Achte darauf, dass das Gitter richtigeingesetzt ist. Ist es verdreht, wird ein relativ schmaler Regenbogenweit über dem Tisch zu finden sein. Du kannst den Regenbogenzwar auch dort auf dem Karton auffangen, aber besser sieht er aus,wenn du das Gitter um 90! drehst.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Noch besser als ein Karton eignet sich eine weiße Wand zum Auf-fangen des Regenbogens. Ein an eine Wand gehefteter Bogen wei-ßen Zeichenpapiers ist auch brauchbar. Erscheint der Regenbogenzu klein, schiebe die Leuchtbox weiter von der Wand weg. Ist derRegenbogen lichtschwach und nicht leuchtend bunt, verdunkle dasZimmer total. Die maßstabsgetreue Zeichnung auf S. 51 zeigt wiedie Leuchtbox gegenüber dem Schirm verdreht werden muss.






Der Regenbogen verschiedener Lichtquellen (1) Einfache Spektralapparate 6–1


Im letzten Abschnitt 5 hat sich ergeben, dass weißes Licht nach Durchgang durch einGitter mit parallelen Linien (Strichgitter) in sein Spektrum aufgespalten wird. Diese Artvon Beugungsgittern wird daher Transmissionsgitter genannt. Verwendung finden sie u.a.in dem Handspektroskopbausatz im folgenden Abschnitt 7.Eine spektrale Zerlegung von Licht gelingt auch mit Reflexionsgittern, das sind beispiels-weise undurchsichtige Platten, in die feine Linien eingeritzt sind. Im Alltag finden sichsolche lichtbrechenden, reflektierenden Strukturen bei CDs und DVDs. Das unbewaffne-te Auge vermutet in konzentrischen Kreisen angeordnete Gitterlinien. Konzentrisch wäreauch die technisch sinnvollste Form für solche Spuren. Tatsächlich erzwingt die Stan-dardisierung von Audio-CDs jedoch, dass deren Spuren helikal (spiralförmig) sind. Nachjeder Runde ist die Spur um 1,6-tausendstel Millimeter (1,6 µm) versetzt. Zudem lie-gen keine durchgängigen Rillen vor, sondern eine diskrete Folge sog. Pits, die man sichauf der reflektierenden Seite einer CD als kleine längliche Inseln vorstellen kann. DieHöhe dieser Pits beträgt relativ genau ein Viertel der Wellenlänge des auslesenden La-serstrahls. Damit ergibt sich bei Reflexion an der Silberschicht ein Wegunterschied voneiner halben Wellenlänge zwischen Lichtwellen die durch eine Insel laufen und solchen,die durch das benachbarte Material laufen, so dass an der Inselkante destruktive Inter-ferenz und damit Dunkelheit in Reflexion auftritt. Typischerweise beträgt die Wellenlängeeines CD-Players in Luft 780 nm (AlGaAs-Laserdiode) und im CD-Material Polycarbonatca. 500 nm. Mit freiem Auge ist die scheinbare Rillenstruktur besonders gut bei einer CDohne Silberschicht wahrnehmbar.Viele Schülerinnen und Schüler kennen in Regenbogenfarben schimmernde CDs ausdem Alltag. Um diese Erfahrungen zu vereinheitlichen und alle Schüler auf den gleichenErfahrungsstand zu bringen, wird daher die Aufgabe gestellt einen Regenbogen mit Hilfeeiner CD zu erzeugen. Dies gelingt in der Regel in weniger als einer halben Minute beiVerwendung einer Mini-Taschenlampe.Um den Umgang mit der Leuchtbox zu üben, insbesondere die Erzeugung schmalerLichtbündel, wird dieselbe Aufgabe mit der Leuchtbox gelöst. Ein Auffangen des Regen-bogens auf einem Schirm thematisiert auch bei diesem Versuch die Sichtbarkeit von Lichtbzw. Lichtstrahlen.


Einfache Spektralapparate 6–2 Der Regenbogen verschiedener Lichtquellen (1)


Wie ich einen Regenbogen ohne Wasser mache Spektrale Zerlegung 6.1–1

6.1 Regenbogenfarben mit CD und LED-Mini-TaschenlampeP6.1

Versuchsziel Herausfinden, wie ich Regenbogenfarben mit weißem Licht und mitHilfe einer CD machen kann.

Versuchsidee Mit einer kleinen Taschenlampe auf eine CD leuchten.

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste 1 alte CD oder DVD Mini LED-Taschenlampe (weiß)

Arbeitsauftrag

Aufbau Lege die CD flach auf den Tisch. Die unbedruckte, glänzende Seiteist dabei oben.


Strahle mit der Mini-Taschenlampe senkrecht von oben auf die CD.Wo sind die schönsten Regenbogenfarben zu sehen? Falls du keinefarbigen Kreise siehst, lies die Tipps zur Versuchsdurchführung aufder Rückseite.


Spektrale Zerlegung 6.1–2 Wie ich einen Regenbogen ohne Wasser mache

Tipps zum Aufbau Die CD sollte möglichst nicht verschmutzt sein.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Am besten ist es, mit der Mini-Taschenlampe senkrecht von oben indas Loch der CD zu strahlen. Beginne mit einem Abstand von et-wa 1cm zwischen CD und Mini-LED-Taschenlampe. Du wirst bunteKreise auf der CD-Oberfläche sehen. Bewege nun die Taschenlam-pe langsam nach oben und beobachte die CD.

Zusatzaufgabe Lege eine CD unter ein Mikroskop und versuche herauszufinden,wie die Oberfläche der CD vergrößert aussieht.


Wie ich einen Regenbogen mache Spektrale Zerlegung 6.2–1

6.2 Regenbogenfarben mit CD und LeuchtboxP6.2

Versuchsziel Herausfinden, was eine CD mit einem dünnen Lichtstrahl macht.

Versuchsidee Mit einem Lichtstrahl aus weißem Licht auf eine CD leuchten.

Versuchsaufbau

Skizze


1 alte CD oder DVD

weißer Karton (als Schirm) 1 Glaskugel"/ 14mm bei Bedarf

Arbeitsauftrag

Aufbau Statte die Leuchtbox so mit Blenden aus, dass sie genau einenschmalen Lichtstrahl auf der Tischplatte erzeugt. Falls du Schwie-rigkeiten hast, sieh dir die Bedienungshinweise zur Leuchtbox in Ab-schnitt 15 auf S. 95 an.


Halte die CD in den Lichstrahl vor die Leuchtbox, so dass ihre Kantedie Tischplatte berührt. Drehe die CD um ihren Auflagepunkt auf derTischplatte! Wann und wo siehst du Regenbogenfarben?Falls du Schwierigkeiten hast, lies die Tipps zur Versuchsdurchfüh-rung auf der Rückseite.


Spektrale Zerlegung 6.2–2 Wie ich einen Regenbogen mache

Tipps zum Aufbau Die CD sollte möglichst nicht verschmutzt sein.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Die maßstabsgetreue Zeichnung auf S. 59 zeigt eine gute Positionder CD vor der Leuchtbox. Dabei ist die glänzende Seite zur Leucht-box gewandt.

Zusatzaufgabe Halte eine Glaskugel in die Bahn des Lichts, das von der CD auf denTisch fällt! Sieh von oben in die Kugel!


Wie ich einen Regenbogen mache Spektrale Zerlegung 6.2–3


Spektrale Zerlegung 6.2–4 Wie ich einen Regenbogen mache


Der Regenbogen verschiedener Lichtquellen (2) Spektren von Lichtquellen 7–1


Nachdem in Abschnitt 4 Spektren verschiedener Lichtquellen qualitativ betrachtet wordensind, soll mit den Quasi-Freihandexperimenten dieses Abschnitts ein einfaches Messge-rät, das Handspektroskop, kennengelernt werden.Zum Einsatz können selbst angefertigte Handspektroskope aus Pappe kommen. Ein Hin-weis zur Beschaffung von mir erprobter Bausätze findet sich nach der Literaturliste. Kon-ventionelle Handspektroskope sind nicht billig und in der Regel nur in kleinen Zahlen anden Schulen vorhanden.Ziel der Schüleraktivitäten ist nicht Messwerte in Zahlenform zu erlangen, sondern einHandspektroskop anwenden zu lernen. Dabei kann die Unterscheidung von kontinuierli-chen Spektren, Bandenspekren und Linienspektren eingeführt werden. Es empfiehlt sich,diese simplen einführendenVersuche dem Versuch Farbige Flammen vorangehen zu las-sen.Steht genügend Zeit zur Verfügung und sind die manuellen Fertigkeiten genügend weitentwickelt, kann das Papphandspektroskop auch von Schülern selbst zusammengeklebtwerden. Kleberspuren auf Linse oder Gitter beeinträchtigen die Funktionsweise des Ge-räts.

Abbildung 5: Ein Spektroskop zum Selberbauen aus Pappe von Astromedia (links).Rechts daneben der unbearbeitete Bausatz.


Spektren von Lichtquellen 7–2 Der Regenbogen verschiedener Lichtquellen (2)


Der Regenbogen verschiedener Lichtquellen (2) Spektren von Lichtquellen 7.1–1

7.1 Regenbogenfarben vermessenP7.1

Versuchsziel Regenbogenfarben mit einem Messgerät untersuchen.

Versuchsidee Handspektroskop vor mein Auge halten

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste 1 Handspektroskop (konventionll)oder 1 Papphandspektroskop aus ei-nem Bausatz gefertigt

verschiedene Lichtquellen: konven-tionelle Glühbirne, Leuchstofflampe,Kerze, Gasbrenner und dergl.

Arbeitsauftrag

Aufbau Halte das Handspektroskop vor ein Auge.Versuchs-

durchführungBetrachte verschiedene Lichtquellen durch das Handspektroskop.Beschreibe, was du siehst. Falls du keinerlei Farben siehst, lies dieTipps zur Versuchsdurchführung auf der Rückseite.


btpd01

Beschriftung

ohne Fluoreszenzschicht - in den meisten Physiksammlungen vorhanden.

Spektren von Lichtquellen 7.1–2 Der Regenbogen verschiedener Lichtquellen (2)

Tipps zum Aufbau Das Handspektroskop muss mit der richtigen Seite vor ein Auge ge-halten werden. Frage deinen Lehrer bei Problemen.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Sie dir als erstes eine eingeschaltete Glühlampe an. Vergleiche dannmit dem Licht einer Leuchtstoffröhre. Auch Flammen (Kerze, Bren-ner oder dergl.) sind gut geeignet.


Dem Regenbogen eine Farbe wegnehmen Absorptionsspektren (Hinführung) 8–1

8 Wir zerlegen Lichter (3) – dem Regenbogen eine Farbe weg-nehmen

Die Teilversuche dieses Abschnitts führen die in den Abschnitten 2 (Brechung an was-sergefüllten Gefäßen) bis 7 (Handspektroskop) gewonnen Einsichten über die spektraleZerlegung von weißem Licht weiter. Grundsätzlich können alle dort enthaltenen Versuchemit farbigen Lichtquellen wiederholt werden. In der Regel wird man sich aus Zeitgründenauf wenige ausgewählte Experimente beschränken. Farbige Lichtquellen erzeugen wiraus praktischen Gründen mit diversen Farbfilterfolien. Auch gefärbte Gläser oder bereitsgefärbte Leuchtmittel sowie Farbstofflösungen können Verwendung finden. Hinweise fin-den sich nach der Literarturliste im Abschnitt Materialien und Geräte.Ist ein genügend großes Stück Filterfolie vorhanden, kann die Schreibfläche eines Over-headprojektors damit abgedeckt werden und der sehr motivierende Versuch 2.1 (Regen-bogen mit dem Overheadprojektor) mit einer oder verschiedenen farbigen Lichtquellenwiederholt werden.Will man schnell auf die Absorptionseigenschaften von Farbfiltern hinarbeiten, startetman die Untersuchungen bunter Lichtquellen direkt mit der Brechung von farbigen Licht-strahlen an einem Prisma (vgl. Versuch 3.1). Zu beachten ist, dass die meisten Filterfolienfür einen relativ breiten Spektralbereich durchlässig sind. Trotzdem kann experimentellüberzeugend nachgewiesen werden, dass rote, grüne und blaue Farbfilter verschiedeneSpektralfarben aus dem Spektrum wegnehmen (Transmissionsfilter). Diese Einsicht wirdin Abschnitt 9 vertieft und genauer untersucht, da mit Beugungsgittern erzeugte Spektrenwesentlich lichtstärker herzustellen sind.Bei diesem einführenden Prismaversuch wird wie auch in den Versuchen 2.3, 3.1 5.2 und6.2 eine spezielle Leuchte für Schülerübungen eingesetzt, die erlaubt, das Spektrum aufder Tischplatte zu beobachten. Sind solche paralleles Licht erzeugende Leuchten nichtvorhanden, gestaltet sich der Versuch für Schüler schwieriger. Entweder müssen diver-gentes Licht aussendende Lichtquellen mit geeigneten Linsen kollimiert werden, oder esmuss als Notlösung auf extrem schmale divergente Lichtbündel ausgewichen werden,was allerdings starke Qualitätseinbußen (Lichtstärke) der Spektren zu Folge hat.Übersicht der benutzten Fiterarten:

1. Rotfilter

2. Grünfilter

3. Blaufilter

Violette, gelbe, cyanblaue und magentarote Filter werden im folgenden Abschnitt 9 zurgenaueren Untersuchung des Phänomens eingesetzt, wo die Kommutativität von Filterund dispergierendem Element spielerisch entdeckt wird.


Absorptionsspektren (Hinführung) 8–2 Dem Regenbogen eine Farbe wegnehmen


Dem Regenbogen eine Farbe wegnehmen Absorptionsspektren (Hinführung) 8.1–1

8.1 Dem Regenbogen aus dem Plexiglaseck eine Farbe wegnehmenP8.1

Versuchsziel Herausfinden, ob Regenbogenfarben aus buntem Licht gewonnenwerden können.

Versuchsidee Statt eines weißen einen bunten Lichtstrahl durch Plexiglas schi-cken.

Versuchsaufbau

Skizze



1 prismatischer Körper aus Plexiglas(siehe Skizze)

Unterlegbrettchen 3mm stark bei Be-darf

Farbfilter in Diarahmen in den Far-ben Rot, Grün und Blau

Arbeitsauftrag

Test der Leuchtbox –Aufbau

Schließe die Anschlusskabel der unten offenen Leuchtbox an dasNetzgerät an. Lege alle rechteckigen Blenden und Filter bereit. Legedas Plexiglasprisma vor die Leuchtbox auf den Tisch.


Erzeuge als erstes einen Regenbogen aus weißem Licht wie in Ex-periment 3.1. Halte dann jeweils einen Farbfilter vor den Blenden-schlitz der Leuchtbox. Welche Veränderungen treten bei den einzel-nen Farbfiltern am Regenbogen auf?Falls du Schwierigkeiten hast, lies die Tipps zur Versuchsdurchfüh-rung auf der Rückseite.


Absorptionsspektren (Hinführung) 8.1–2 Dem Regenbogen eine Farbe wegnehmen

Tipps zum Aufbau Das Plexiglasprisma sollte möglichst nicht zerkratzt und sauber sein.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Die maßstabsgetreuen Zeichnungen auf den Seiten 35 und 36 zei-gen gute Positionen des Plexiglasprismas vor der Leuchtbox.

Farbfiltertyp Qualität des Regenbogens Fehlende Farbe(n) imRegenbogen

rot

grün

blau


Dem Regenbogen Farben wegnehmen Absorptionsspektren mit Gitter 9–1

9 Wir zerlegen Lichter (4) – dem Regenbogen Farben wegneh-men

Die Teilversuche dieses Abschnitts führen die in Abschnitt 8 begonnenen Arbeiten weiter.Das dort experimentell gewonnene Ergebnis, dass ein rote Lichtquelle im Wesentlichennur Rotanteile im Spektrum zeigt, ebenso eine grüne Lichtquelle nur Grünanteile undeine blaue Lichtquelle nur Blauanteile, wird relativiert.Als erstes wird die Filtereigenschaft eines Filters zu verstehen versucht, in dem der Filtervor und hinter dem dispergierenden Element (Gitter) positioniert wird. Zusätzlich ist esempfehlenswert, größere Filterfolienstücke, z.B. 6 cm x 6 cm, so dicht über das Bild desSpektrums, den Schirm entlang, zu führen, dass gleichzeitig die spektrale Zerlegung desweißen Lichts und des bunten Lichts, d.h. des Absorptionsfilters, am Schirm beobachtetwerden kann. Hat der Schüler sich nun überzeugt, dass der Ort des Filters unerheblich fürden Versuchsausgang ist, solange das gesamte Lichtbündel durch den Filter tritt, kannaus technisch-praktischen Gründen der Filter immer direkt hinter dem Beugungsgitterangeordnet werden.Man beachte, dass nur mit parallelen Lichtbündeln zufriendenstellende Ergebnisse erzieltwerden können. Näheres siehe die Hinweise in Abschnitt 5 auf S. 45.

Abbildung 6: Die Möglichkeit einer physikalisch korrekten Bestückung der Lichtquelle miteinem schmalen Spalt liefert ein sauberes (nicht aus mehreren Spaltbildern überlagertes)Spektrum, was jedoch relativ lichtschwach ist.

Übersicht der benutzten Fiterarten:

1. Rotfilter 6cm x 6cm

2. Grünfilter 6cm x 6cm

3. Blaufilter 6cm x 6cm


Absorptionsspektren mit Gitter 9–1 Dem Regenbogen Farben wegnehmen

4. Gelbfilter 6cm x 6cm

5. Magentafilter 6cm x 6cm

6. Cyanfilter 6cm x 6cm

7. Violettfilter 6cm x 6cm


Dem Regenbogen Farben wegnehmen Absorptionsspektren mit Gitter 9.1–1

9.1 Dem Regenbogen Farben wegnehmen (mit Gitter)P9.1

Versuchsziel Genauer Herausfinden, welche Regenbogenfarbenaus buntem Lichtgewonnen werden können.

Versuchsidee Gitter mit einem bunten Lichtbündel durchstrahlen.

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste 1 Leuchtbox (mit Netzgerät) Farbfilter in Diarahmen in den Far-ben Rot, Grün und Blau sowie Gelb,Magenta, Cyan und Violett


1 Strichgitter (1000 Linien) in Diarah-men

weißer Karton (als Schirm) diverse Unterlegbrettchen

Arbeitsauftrag

Aufbau Statte die Leuchtbox so mit Blenden aus, dass sie genau ein gleich-bleibend breites Lichtbündel aussendet. Stecke das Gitterfoliendiain den entsprechenden Diahalter der Leuchtbox. Stelle den Kartonals Schirm auf! Halte Farbfoliendias bereit!Falls du Schwierigkeiten hast, lies die Tipps zum Versuchsaufbauauf der Rückseite.


Schalte die Leuchtbox ein und verdunkle das Zimmer. Erzeuge alserstes einen Regenbogen aus dem weißen Licht der Leuchtbox aufdem Karton. Halte nacheinander alle zur Verfügung stehenden Farb-filterfolien ca. 5cm vor den Schirm. Wie verändern sich dadurch dieRegenbogenfarben des weißen Lichts der Leuchtbox? Was ändertsich, wenn du die Filter jeweils dicht vor oder dicht hinter dem Gitteranordnest?Falls du Schwierigkeiten hast, lies die Tipps zur Versuchsdurchfüh-rung auf der Rückseite.


Absorptionsspektren mit Gitter 9.1–2 Dem Regenbogen Farben wegnehmen

Tipps zum Aufbau Falls du Schwierigkeiten mit der Leuchtbox hast, sieh dir die Bedie-nungshinweise zur Leuchtbox in Abschnitt 15 auf S. 95 an. Stelleden Karton als Schirm aufrecht an ein Tischende oder an die Wand,die Leuchtbox auf einem Stapel Brettchen ca. 80cm vom Schirmentfernt auf.Das Gitterfoliendia sollte sauber sein. Achte beim Einsetzen des Git-ters darauf, dass eine lange Seite des Dias unten ist. Ist es um 90!verdreht, wird ohne Farbfilterdia ein relativ schmaler Regenbogenetwas weiter über dem Tisch zu finden sein. Unter die Leuchtboxsolltest du soviele Brettchen legen, dass der Regenbogen an derWand bzw. auf dem senkrecht gestellten Karton (Schirm) aufgefan-gen werden kann.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Erscheint der Regenbogen zu klein, schiebe die Leuchtbox weitervon der Wand weg. Ist der Regenbogen lichtschwach und nicht leuch-tend bunt, verdunkle das Zimmer total. Die maßstabsgetreue Zeich-nung auf S. 51 zeigt wie die Leuchtbox mit eingestecktem Gitterfoli-endia gegenüber dem Schirm verdreht werden muss.

1. Nimm das Gitterfoliendia aus dem Diahalter der Leuchtbox undsetze stattdessen nacheinander alle Farbfilterdias (rot, grün,blau, gelb, blaugrün, purpurrot, violett) ein. Lehne das Gitter-foliendia direkt auf bzw. an den jeweilgen Farbfilter, so dassfarbiges Licht durch das Gitter gestrahlt wird. Falls die Filterdiasfür den Diahalter der Leuchtbox zu groß sind, stelle das Filter-dia einfach vor die Lichtaustrittsöffnung der Leuchtbox. Vertau-sche nun jeweils die Reihenfolge von Filterdia und Gitterfolien-dia. d.h. einmal die Reihenfolge Leuchtbox, Filterdia, Gitterfoli-endia, Schirm und dann die Reihenfolge Leuchtbox, Gitterfoli-endia, Filterdia, Schirm. Unterscheiden sich die Regenbogen,wenn du denselben Farbfilter verwendest?

2. Als zweites kannst du die Regenbogen verschiedener Farbfil-ter vergleichen. Es geht am schnellsten und einfachsten, wenndu das Gitterfoliendia wieder in den Diahalter der Leuchtboxsteckst und eine Farbfilterfolie dicht vor den Schirm (Karton)hältst. Bewege den Filter langsam über den Regenbogen desweißen Lichts. Wie ändert sich dieser Regenbogen dabei?Als weiterer Tipp: Halte die Farbfilterfolie so hoch, dass dasLicht aus der Leuchtbox sowohl unten drunter durch scheint,als auch gleichzeitig durch die Farbfilterfolie strahlt. Nun kannstdu den Regenbogen des weißen Lichts und das, was die Farb-filterfolie davon duchlässt, gleichzeitig am Schirm beobachten.


Wie ich farbige Schatten mache Einfache Spektralapparate 10–1

10 Wir überlagern Lichter (1 bis 3) - "Farbige Schatten"

Das Experimentieren mit farbigen Schatten führt spielerisch in die Gesetze der additivenFarbmischung ein. Notwendig sind dazu farbige Lichtquellen, deren Lichtkegel günsti-gerweise jeweils die gleiche Fläche ausleuchten. Dies kann bereits mit Taschenlampenrealisiert werden, vor deren Lichtaustrittsöffnung eine Farbfolie befestigt ist. In diesemAbschnitt werden farbige LED-Minitaschenlampen, drei Leuchtboxen mit Farbfiltern bzw.eine Leuchtbox mit zwei seitlichen Spiegeln und drei Farbfiltern sowie handelsüblichefarbige Glühbirnen in Strahlerform eingesetzt.Es genügt mit den drei Grundfarben RGB (Rot (R), Grün (G), Blau (B)) zu arbeiten. AlsMischfarben dieser drei Grundfarben entstehen bei Wahl geeigneter Farbfiltertypen undder korrekten Intensität der Lichtquellen die Farben Cyan (C), ein Blaugrün, Magenta (M),ein Purpurrot sowie Gelb (Ge) und Weiß (W).Es können bei exakt gleicher Intensität der einzelnen Grundfarben auf dem Schirm fol-gende Farben durch Aufeinanderstrahlen zweier Grundfarben erzeugt werden:

R + G = Ge

R + B = M

B + G = C

R + B + G = W

Abbildung 7: Mini-LED-Taschenlampen bestückt mit Farbfolien (rot, grün, blau).

Es ist zu beachten, dass dieses Ergebnis nur bei Wahl der passenden Farbfiltertypenerzielt werden kann. In der Regel wird man für Schülerübungen aus KostengründenFarbfolien aus der Beleuchtungs- bzw. Bühnentechnik benutzen, die als Vorsatzfolien


Einfache Spektralapparate 10–1 Wie ich farbige Schatten mache

vor Scheinwerfer entwickelt worden sind. Der Intensitätsverlust bei der Durchstrahlungsolcher Folien ist unterschiedlich, weshalb beispielsweise in Verbindung mit den Leucht-boxen unterschiedliche Blaufilter für Versuche zur additiven und zur subtraktiven Farbmi-schung eingesetzt werden müssen. Geeignete Farbfolientypen sind im Anhang gelistet.Das Überblenden farbiger Lichtflecke gelingt mit gefärbten Glühlampen nur zufriedenstel-lend, wenn diese relativ schlierenfrei sind. Farbfilter vor normalen weißen Glühbirnen lie-fern in der Regel eine gleichmäßigere Farbgebung. Abb. 7 zeigt Mini-LED-Taschenlampen,vor die eine farbige Filterfolie montiert worden ist.


Wie ich farbige Schatten mache Additive Farbmischung 10.1–1

10.1 Farbige Schatten mit LED-Mini-Taschenlampen und FilterfolienP10.1

Versuchsziel Herausfinden, wie zwei oder drei übereinandergestrahlte Lichtfleckeaussehen.

Versuchsidee Mit zwei und drei kleinen bunten LED-Taschenlampen auf die Wandleuchten.

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste 3 bunte Mini-LED-Taschenlampen(rot, grün, blau)


schattenwerfendes Objekt, z.B. klei-ne Spielfigur oder große Holzperleauf Stiel

Knetwachs bei Bedarf

Arbeitsauftrag

Aufbau Lege die LED-Taschenlampen vor den senkrecht gestellten Schirmwie in der Versuchsskizze. Halte eine Spielzeugfigur oder ein großesGummibärchen bereit.


Strahle erst mit jeweils zwei und dann mit drei Mini-Taschenlampenauf einen Punkt auf dem Karton. Beschreibe, was du beobachtest.Stelle oder hänge die kleine Spielzeugfigur in den Lichtweg! Waskannst du sehen? Wenn du Schwierigkeiten hast, lies die Tipps zurVersuchsdurchführung auf der Rückseite.


Additive Farbmischung 10.1–2 Wie ich farbige Schatten mache

Tipps zum Aufbau Du kannst die Spielzeugfigur an einem Faden aufhängen oder mit-hilfe von Knetwachs am Umfallen hindern.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Beginne am einfachstenmit zwei farbigen Lichtflecken, Rot und Grün.Welche Farben kannst du auf dem Schirm sehen, wenn du die bei-den Lichtkegel der Taschenlampen aufeinanderzubewegst, so dasssie sich teilweise überlagern? Halte die Spielzeugfigur oder aucheinen Finger dicht vor den Schirm an die Stelle, wo die beiden Licht-flecke sich überdecken. Wieviele Schatten hat die Figur? WelcheFarben haben diese Schatten? Wiederhole dies mit den anderenzwei möglichen Farbkombinationen.Was findest du heraus, wenn du die Lichtflecke dreier LED-Lampenüberlagerst? Es ist geschickt, die Ergebnisse aufzuschreiben, damitdu mit deinen Mitschülern vergleichen kannst.

Mein Versuchsprotokoll zur Durchführung

Farbe vonLED-LampeNr. 1


Farbe desLichtflecks beiÜberlagerung

AnzahlderSchatten

FarbederSchatten

rot grün

rot blau

blau grün




AnzahlderSchatten

FarbederSchatten

rot grün blau



10.2 Farbige Schatten mit Leuchtboxen und FilterfolienP10.2

Versuchsziel Genauer Herausfinden, wie zwei oder drei übereinandergestrahlteLichtflecke aussehen.

Versuchsidee Mit zwei und drei Leuchtboxen mit Farbfiltervorsatz auf einen Punktan der Wand leuchten.

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste 3 Leuchtboxen 3 Farbfilter in Diarahmen in den Far-ben Rot, Grün, Blau

schattenwerfendes Objekt, z.B. klei-ne Spielfigur


Arbeitsauftrag

Aufbau Positioniere drei Leuchtboxen ohne Blende vor den senkrecht ge-stellten Schirm wie in der Versuchsskizze. Lege eine Spielzeugfigurbereit. Falls du dabei Schwierigkeiten hast, lies die Tipps zum Ver-suchsaufbau auf der Rückseite.


Strahle erst mit jeweils zwei und dann mit drei Leuchtboxen aufeinen Punkt auf dem Karton. Beschreibe, was du beobachtest. Stel-le oder hänge ein kleine Spielzeugfigur oder ein großes Gummibär-chen in den Lichtweg! Was kannst du sehen? Wenn du Schwierig-keiten hast, lies die Tipps zur Versuchsdurchführung auf der Rück-seite.



Tipps zum Aufbau Du kannst die Spielzeugfigur an einem Faden aufhängen oder mitHilfe von Knetwachs am Umfallen hindern.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Beginne am einfachstenmit zwei farbigen Lichtflecken, Rot und Grün.Welche Farben kannst du auf dem Schirm sehen, wenn du die bei-den Lichtkegel der Leuchtboxen aufeinander zubewegst, so dass siesich teilweise überlagern? Halte die Spielzeugfigur oder auch einenFinger dicht vor den Schirm an die Stelle, wo die beiden Lichtfleckesich überdecken. Wieviele Schatten hat die Figur? Welche Farbenhaben diese Schatten? Wiederhole dies mit den anderen zwei mög-lichen Farbkombinationen.Was findest du heraus, wenn du die Lichtflecke dreier Leuchtboxen-überlagerst? Es ist geschickt, die Ergebnisse aufzuschreiben, damitdu mit deinen Mitschülern vergleichen kannst.


Farbe vonLeuchtboxfilterNr. 1



AnzahlderSchatten

FarbederSchatten

rot grün

rot blau

blau grün




AnzahlderSchatten

FarbederSchatten

rot grün blau



10.3 Farbige Schatten mit farbigen GlühbirnenP10.3

Versuchsziel Untersuchen, wie eine Wand aussieht, die ich mit farbigen Glühbir-nen bestrahle.

Versuchsidee Mit zwei und drei farbigen Glühbirnen auf einen Punkt an der Wandleuchten.

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste 3 farbige Glühbirnen oder Strahlerin Klemmfassungen, vozugsweise inRot, Grün und Blau

Stativmaterial bei Bedarf

schattenwerfendes Objekt, z.B.Hand

weiße Wand (als Schirm)

Arbeitsauftrag

Aufbau Positioniere drei farbig leuchtende Lampen (Glühbirnen in Klemm-fassungen) vor einer weiße Fläche. Stecke die Netzkabel der Lam-pen in die Steckdosen. Wenn du Schwierigkeiten hast, lies die Tippszur Versuchsdurchführung auf der Rückseite.


Strahle erst mit jeweils zwei und dann mit drei Lampen auf einenPunkt auf der Wand. Beschreibe, was du beobachtest. Halte dei-ne Hand oder ein anderes Objekt in den Lichtweg! Was kannst dusehen? Wenn du Schwierigkeiten hast, lies die Tipps zur Versuchs-durchführung auf der Rückseite.



Tipps zum Aufbau Wenn du die Klemmleuchten an Stativstangen klemmst, die in Sta-tivfüßen auf dem Boden stehen, hast du die Hände zum Experimen-tieren frei.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Beginne mit einem roten und einem grünen Strahler. Welche Farbenkannst du an der weißen Wand sehen, wenn du die beiden Lichtke-gel der Strahler schwenkst, so dass sie sich teilweise überlagern?Halte deine Hand vor die Wand an die Stelle, wo die bunten Lichtfle-cke sich überdecken. Wieviele Schatten siehst du? Welche Farbenhaben diese Schatten? Wiederhole dies mit den anderen zwei mög-lichen Farbkombinationen.Was ergibt sich, wenn du die Lichtflecke dreier Strahler überlagerst?Es ist geschickt, die Ergebnisse aufzuschreiben, damit du mit deinenMitschülern vergleichen kannst.


Farbe vonLampe Nr. 1



AnzahlderSchatten

FarbederSchatten

rot grün

rot blau

blau grün




AnzahlderSchatten

FarbederSchatten

rot grün blau


Wir filtern Lichter (1) Subtraktive Farbmischung 11–1

11 Wir filtern Lichter (1)

Die Teilversuche dieses Abschnitts bauen auf den in den Abschnitten 8 und 9 gewonne-nen Erkenntnissen auf.Die Schüler wissen aus den vorangehenden Versuchen, dass eine rote Lichtquelle imWesentlichen nur Rotanteile im Spektrum zeigt, ebenso eine grüne Lichtquelle nur Grünan-teile und eine blaue Lichtquelle nur Blauanteile. Ihnen ist ebenfalls geläufig, dass einfarbiger Filter aus einer weißen Lichtquelle eine farbige macht. Experimentell noch nichterschlossen ist das Problem, wie ein farbiger Filter das Licht einer farbigen Lichtquelleverändert.Folglich wird ein Farbfilter in den Strahlengang einer andersfarbigen Lichtquelle gesetztund das aus dem Farbfilter austretende Licht auf einem Schirm aufgefangen. Das ergeb-nis wird mit einem Freihandversuch verglichen, wo der Schüler durch zwei aufeienandergelegte Farbffilterdias bzw. -folien in Richtung einer Lichtquelle (Nie die Sonne benutzen!)blickt.Die spektrale Zerlegung des die beiden Filter passierenden Lichts wird Thema der Ver-suche des folgenden Abschnitts 12 sein. Sehr motivierend ist es, das Übereinanderlegenvon zwei Farbfiltern auf der Projektionsfläche eines Overheadprojektors durchführen zulassen. Dabei können auch Farblösungen von Lebensmittelfarben in kleinen Küvettenoder Petrischalen als kostengünstige Farbfilter zum Einsatz gelangen. Filterfolien legendie Schüler günstigerweise unter die Küvette oder sie decken die Küvette mit einem Farb-filter als Deckel ab. Auch Farbfilterkombinationen aus drei Filtern werden untersucht.

Abbildung 8: Subtraktive Farbmischung mit drei quadratischen Farbfolien auf der Schreib-fläche eines Overheadprojektors (cyan, magenta, gelb).

Für ein spielerisches Erarbeiten der Grundlagen der subtraktiven Farbmischung genügen


Subtraktive Farbmischung 11–1 Wir filtern Lichter (1)

folgende sechs Farbfolien:

1. Rotfilter 6cm x 6cm

2. Grünfilter 6cm x 6cm

3. Blaufilter 6cm x 6cm

4. Gelbfilter 6cm x 6cm

5. Magentafilter 6cm x 6cm

6. Cyanfilter 6cm x 6cm

In der Regel wird die Lehrkraft aus Kostengründen Farbfolien aus der Beleuchtungs- bzw.Bühnentechnik einsetzen, die für Scheinwerfer entwickelt worden sind.


Wir filtern Lichter (1) Subtraktive Farbmischung 11.1–1

11.1 Farbiges Licht filternP11.1

Versuchsziel Genauer Herausfinden, welche Farbe ein Farbfilter aus buntem Lichterzeugt.

Versuchsidee Mehrere Farbfilterfolien mit einem Lichtbündel durchstrahlen.

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste 1 Leuchtbox (mit Netzgerät) Farbfilter in Diarahmen in den Far-ben Rot, Grün und Blau sowie Gelb,Magenta, Cyan


diverse Unterlegbrettchen


Arbeitsauftrag

Aufbau Statte die Leuchtbox so mit Blenden aus, dass sie ein breites Licht-bündel aussendet. Stecke ein Farbfoliendia in den entsprechendenDiahalter der Leuchtbox. Falls du Schwierigkeiten hast, sieh dir dieBedienungshinweise zur Leuchtbox in Abschnitt 15 auf S. 95 an.Stelle den Karton als Schirm aufrecht, die Leuchtbox auf einige Un-terlegbrettchen oder ein Buch.


Schalte die Leuchtbox ein und verdunkle das Zimmer. Durchstrahleals erstes einen zweiten Farbfilter mit dem faarbigen Licht aus derLeuchtbox mit Farbfilterdia. Welche Farbe ergibt sich auf dem Kar-ton?Halte nacheinander alle zur Verfügung stehenden Farbfilterfolien inZweier- und Dreierkombinationen in das weiße Lichtbündel der Leucht-box. Was findest du? Falls du Schwierigkeiten hast, lies die Tipps zurVersuchsdurchführung auf der Rückseite.


Subtraktive Farbmischung 11.1–2 Wir filtern Lichter (1)

Tipps zum Aufbau Unter die Leuchtbox solltest du soviele Brettchen legen, dass du denrechteckigen Lichtfleck, den die Leuchtbox liefert, an der Wand bzw.auf dem senkrecht gestellten Karton (Schirm) auffangen kannst.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Beginne mit einem roten und einem grünen Farbfilter. Welche Far-ben kannst du an der weißen Wand sehen, wenn die Leuchtboxbeide Filter durchstrahlt? Falls die Farbfilterdias für den Diahalterder Leuchtbox zu groß sind, stelle die Farbfilterdias einfach vor dieLichtaustrittsöffnung der Leuchtbox. Vertausche auch die beiden Farb-filterdias in ihrer Reihenfolge! Was findest du?Wiederhole deine Untersuchungen mit anderen möglichen Kombi-nationen von zwei und auch drei Farbfiltern. Um nichts zu verges-sen, ist es geschickt, die Ergebnisse aufzuschreiben. Vergleiche mitdeinen Mitschülern!


Farbe vonFilter Nr. 1


Farbe desLichtflecks

rot grün








rot grün blau


Dem Regenbogen Farben wegnehmen Absorptionsspektren mit Gitter 12–1

12 Wir zerlegen Lichter (5) – dem Regenbogen Farben weg-nehmen

Die Teilversuche dieses Abschnitts führen die in den Abschnitten 9 sowie 11 begonne-nen Arbeiten weiter. Es werden die Spektren mittels subtraktiver Farbmischung erzeugterFarben untersucht. Es genügt, sich im Unterricht auf Filterpaare aus den Sets RGB (Rot(R), Grün (G), Blau (B)) bzw. CMY (Cyan (C), Magenta (M), Gelb (Y oder Ge)) zu be-schränken. Als dispergierendes Element dient ein Beugungsgitter mit 1000 Linien promm.Die Untersuchungen verlangen Ausdauer und Durchhaltevermögen, wenn alle möglichenFilterkombinationen (alle Paare aus sechs Filtern) von einer Arbeitsgruppe bearbeitetwerden sollen, was sich ungünstig auf die Motivationslage dieser Altersgruppe auswirkt.Es wird empfohlen, den Zeitbedarf für diesen Versuch möglichts klein zu halten und ihnarbeitsteilig durchführen zu lassen. Eine systematische Zusammenfassung aller Ergeb-nisse kann im Klassenverband erfolgen. Sie führt in das systematische Auswerten vonMessungen ein.Die Farbfilter und das Gitter werden günstigerweise aufeinander gestapelt und dicht vordie Leuchtboxöffnung (Seite mit Zylinderlinse) gestellt. Die Reihenfolge von Filtern undGitter spielt bei der mit diesen Schülerversuchen erreichbaren Genauigkeit keine Rolle.Arbeitstechnisch günstig ist es, das Gitterfoliendia in den Diahalter der Leuchtbox zustecken und die verschiedenen Farbfilter davor zu stellen bzw. zu halten. Auch bei diesemVersuch wird aus Intensitätsgründen keine Spaltblende verwendet.Übersicht der benutzten Fiterarten:

1. Rotfilter

2. Grünfilter

3. Blaufilter

4. Gelbfilter

5. Magentafilter

6. Cyanfilter


Absorptionsspektren mit Gitter 12–2 Dem Regenbogen Farben wegnehmen


Dem Regenbogen Farben wegnehmen Absorptionsspektren mit Gitter 12.1–1

12.1 Wir zerlegen Licht aus zwei Farbfiltern (mit Gitter)P12.1

Versuchsziel Genauer Herausfinden, ob Licht, das zwei Farbfilter durchstrahlt hat,noch einen Regenbogen erzeugen kann.

Versuchsidee Gitter mit einem bunten Lichtbündel durchstrahlen.

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste 1 Leuchtbox (mit Netzgerät) Farbfilter in Diarahmen in den Far-ben Rot, Grün und Blau sowie Gelb,Magenta, Cyan


1 Strichgitter (1000 Linien pro mm)in Diarahmen

weißer Karton (als Schirm) diverse Unterlegbrettchen

Arbeitsauftrag

Aufbau Statte die Leuchtbox so mit Blenden aus, dass sie genau ein gleich-bleibend breites Lichtbündel aussendet. Stecke das Gitterfoliendiain den entsprechenden Diahalter der Leuchtbox. Stelle den Kartonals Schirm auf! Halte Farbfoliendias bereit!


Schalte die Leuchtbox ein und verdunkle das Zimmer. Halte oderstelle als erstes zwei Farbfoliendias vor das Gitterfoliendia und su-che den Ort des Regenbogens auf dem Karton. Stelle nun nach-einander alle zur Verfügung stehenden Paare von Farbfilterfolienvor das Gitterfoliendia. Welche Kombination von Farbfilterdias lie-fert mehr als eine Farbe auf dem Karton? Falls Du Schwierigkeitenhast, lies die Tipps zur Versuchsdurchführung auf der Rückseite.


Absorptionsspektren mit Gitter 12.1–2 Dem Regenbogen Farben wegnehmen

Tipps zum Aufbau Stelle den Karton als Schirm aufrecht an ein Tischende oder an dieWand. Falls Du Schwierigkeiten mit der Leuchtbox hast, sieh dir dieBedienungshinweise zur Leuchtbox in Abschnitt 15 auf S. 95 an.Achte beim Einsetzen des Gitters darauf, dass eine Längsseite desDias unten ist. Ist es um 90! verdreht, so wird ohne Farbfilter einrelativ schmaler Regenbogen etwas weiter über dem Tisch zu findensein. Unter die Leuchtbox solltest du soviele Brettchen legen, dassder Regenbogen an der Wand bzw. auf dem senkrecht gestelltenKarton (Schirm) aufgefangen werden kann.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Erscheint der Regenbogen zu klein, schiebe die Leuchtbox weitervon der Wand weg. Ist der Regenbogen lichtschwach und nicht leuch-tend bunt, verdunkle das Zimmer total. Die maßstabsgetreue Zeich-nung auf S. 51 zeigt wie die Leuchtbox mit eingestecktem Gitterfoli-endia gegenüber dem Schirm verdreht werden muss.




Farben imerzeugtenRegenbogen

rot grün



Farben imerzeugtenRegenbogen


Dem Regenbogen Farben wegnehmen Additive Flickerfarbmischung 13–1

13 Wir überlagen Lichter (4) – Flickerfarben

Die Teilversuche dieses Abschnitts machen mit dem Prozess der Farbmischung bei zeit-lich schnell wechselnden Farbeindrücken bekannt. Es wird der Farbeindruck bestimmt,der entsteht wenn das Auge des Betrachters beziehungsweise eine Stelle der Netzhautzwei, drei oder mehr periodisch wechselnden Farbreizen ausgesetzt wird. Am einfachs-ten gelingt dies experimentell mit Hilfe von kreisförmigen Farbscheiben, die unterschied-lich schnell um ihren Mittelpunkt rotieren. Auf der Begleit-CD sind einige Druckvorlagenin CD-Größe zu finden. Abb. 9 zeigt eine einfache sektorenförmige Anordnung der ein-zelnen Farbfelder. Auch Kombinationen von Kreisringausschnitten sind geeignet. Unter-schiedlich breite Sektoren erlauben die Intensität der einzelnen Farbanteile zu variieren.

Abbildung 9: Farbkreisel mit Aufspanndorn zum Aufspannen auf einen Experimentiermo-tor oder auf eine Bohrmaschine

Dem kindlichen Spieltrieb kommen auf defekten CDs oder DVDs montierte Farbkreiseentgegen. Dazu wird ein Zweicent- oder Fünfcentstück über der Bunsenbrennerflammeerhitzt und senkrecht in das Mittelloch der CD eingeschmolzen. Nach dem Erkalten istein relativ stabiler Griff zum Andrehen des CD-Kreisels entstanden. Abb. 10 zeigt die-se Griffkonstruktion in Vergrößerung. Der Farbkreis wird auf Papier oder auf CD-Labelsausgedruckt. Auch Ausmalen per Hnad ist als Hausaufgabe möglich. Ein Festkleben derPapierlösung ist in der Regel nicht notwendig. Darüber hinaus wird mit Kleber leicht eineUnwucht erzeugt. Da die bei Andrehen per Hand erreichbaren Umdrehungsgeschwin-digkeiten des CD-Kreisels relativ gering sind, ist eine Farbmischung bei weniger als vierSektoren in der Regel nicht wahrnehmbar. Die notwendige Mindestfrequenz der Farb-wechsel liegt bei etwa 25 Hz.


Additive Flickerfarbmischung 13–2 Dem Regenbogen Farben wegnehmen

Abbildung 10: Zweicentstück als Griff eines selbstgebauten CD-Kreisels


Flickerfarben Additive Flickerfarbmischung 13.1–1

13.1 Wir überlagern Lichter durch BewegungP13.1

Versuchsziel Genauer Herausfinden, wie ein Farbkreisel aussieht, wenn er sichdreht.

Versuchsidee Eine Scheibe mit bunt bemalten Abschnitten unterschiedlich schnelldrehen.

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste Diverse Farbscheiben fertig mon-tiert, alternativ Ausdrucke auf Papier

selbstgebastelte CD-Kreisel zumAufsspannen von Farbkreisen

Motor mit Spannzange oder Bohr-maschine bei Bedarf

Pappe, Schere, spitzer Bleistift beiBedarf

Arbeitsauftrag

Aufbau Schneide einen Farbkreis aus undmontiere ihn auf einemCD-Kreiselwie in der obigen Abbildung. Beispiele für Farbkreise findest du aufder Rückseite. Falls ein Farbrad fertig auf einen Motor montiert ist,frage, wie du die Geschwindigkeit des Motors verändern kannst.


Drehe den CD-Kreisel unterschiedlich schnell an. Was beobachtestdu? Falls verfügbar, lasse das Farbrad mit dem Motor in verschiede-nen Geschwindigkeiten drehen. Was fällt auf?


Additive Flickerfarbmischung 13.1–2 Flickerfarben

Tipps zum Aufbau 1. Falls du keine fertigen Farbkreise hast, kannst du diese leichtselbst anfertigen. Du kannst dazu einen Kreis in mehrere tor-tenstückartige Teile aufteilen. Male die einzelnen Abschnitte mitFarbstiften gut deckend aus oder beklebe sie mit Buntpapier.Beginne mit den Farben Rot, Grün und Blau. Ideen für Farb-kreise sind unten abgebildet.

2. Steht kein CD-Kreisel zur Verfg̈ung, schneide eine Kreisschei-be aus Pappe aus und stecke die Scheibe auf einen spitzenStift als Drehachse.

Tipps zurVersuchs-

durchführung

Je schmaler die farbigen Sektoren der Farbkreise sind, desto lang-samer kannst du drehen, damit der rotierende Kreis noch einfarbigaussieht. Welche scheinbaren Farben kannst du finden? Sehen dei-ne Klassenkameraden die gleichen Farben?


Alle Farben aus Rot, Grün und Blau Farbmischung – räumliche Raster 14.1–1

14 Wir überlagern Lichter (5) – alle Farben aus Rot, Grün undBlau

14.1 Der Farbmonitor unter der LupeP14.1

Versuchsziel Genauer Herausfinden, wie ein Röhrenmonitor Farben erzeugt.

Versuchsidee Das Bild auf einem Farbmonitor mit der Lupe betrachten.

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste 1 Lupe 1 Fernsehrgerät oder ein Computer-röhrenmonitor

Arbeitsauftrag

Aufbau Die Abbildung oben zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt desBildes eines Fernsehröhrenmonitors. Erzeuge ein farbiges Bild aufeinem Computermonitor oder auf einem Fernsehschirm.


Betrachte ein farbiges Bild auf einem Computermonitor oder auf ei-nem Fernsehschirm mit einer Lupe oder besser mit unterschiedlichvergrößernden Lupen. Kannst du einzelne farbige Punkte auflösen?Was fällt auf?


Farbmischung – räumliche Raster 14.1–2 Alle Farben aus Rot, Grün und Blau


Licht aus der Leuchtbox Sichtbarkeit von Licht 15.1–1

15 Wir machen Lichtstrahlen mit der Leuchtbox

15.1 Wie die Leuchtbox funktioniert P15.1Versuchsziel Genauer Herausfinden, wie eine Leuchtbox Lichtstrahlen macht.

Versuchsidee Die Leuchtbox untersuchen.

Versuchsaufbau

Skizze

Geräteliste 1 Leuchtbox (mit Netzgerät) 2 Schlitzblenden (1, 2, 3 und 5 Schlit-ze) für Leuchtbox



Arbeitsauftrag

Test der Leuchtbox –Aufbau

Schließe die Anschlusskabel der unten offenen Leuchtbox an dasNetzgerät an. Lege alle fünf rechteckigen Blenden bereit.

Test der Lechtbox –Versuchs-

durchführung

Schalte das Netzgerät ein. Wo kommt überall Licht aus der Leucht-box? Verschließe die zwei Öffnungen an der Längsseite der Leucht-box, dadurch dass du langsam und vorsichtig zwei Blenden ein-schiebst. Schiebe die Schlitzblende vor die Öffnung an der kurz-en Seite der Leuchtbox, wo der weniger breite Lichtkegel austritt.Vor die andere Lichtaustrittsöffnung schiebe ebenfalls eine undurch-sichtige Blende. Aus der Leuchtbox sollte jetzt nur noch ein einzigerschmaler Lichtstrahl austreten.Stecke nun die Schlitzblende kopfüber in ihre Halterung an der Leucht-box. Wieviele Lichtstrahlen findest du jetzt? Wie gut sind sie auf demTisch zu sehen?Was kannst du zum Abstand der zwei Lichtstrahlensagen?Es gibt noch eine weitere Schlitzblende mit drei und fünf Schlitzen.Teste auch diese aus!


Sichtbarkeit von Licht 15.1–2 Licht aus der Leuchtbox


Anhang Materialien–1

Anhang

Materialien zu Teil I (P1 – P15)

In dieser Handreichung wird als preisgünstige Lösung vorwiegend mit hitzebeständigenFarbfolien aus der Veranstaltungstechnik gearbeitet. Sie sind sowohl als Zuschnitte alsauch als Bogen erhältlich, z.B. einzelne Bogen des Herstellers LEE in den Maßen 25cmx 123cm, Zuschnitte im Set in den Maßen 25cm x 25cm. Das LEE Lichtfilterset ist relativgünstig (11,50 EUR in 2006) und umfasst zehn verschiedene Farben: 101 Yellow, 105Orange, 106 Primary Red, 115 Peacock Blue, 118 Light Blue, 122 Fern Green, 126 Mau-ve, 128 Bright Pink, 139 Primary Green, 181 Congo Blue. Von diesen sind sechs bei denVersuchen zur subtraktiven Farbmischung eingesetzt worden. Ein Bogen 25cm x 123cmist für ca. 5,00 EUR zu haben. Eine Übersicht des Sortiments von LEE ist in einem Farb-folienkatalog enthalten, der Informationen zu physikalischen Absorptionseigenschaftenenthält und sich auch gut zum Austesten von Filtern eignet (2,50 EUR in 2006).Die folgende Tabelle listet alle in den Versuchen dieser Handreichung verwendeten Farb-filterfolien, die von http://www.thomann.de/ bezogen worden sind.

Lee Filter Nr. Farbname Bemerkung

vorwiegend für subtraktive Farbmischung geeignet010 medium yellow gelb115 peacock blue cyanblau128 bright pink magentarot106 primary red rot139 primary green grün118 light blue blau

vorwiegend für additive Farbmischung geeignet068 sky blue blau124 dark green grün026 bright red rot

für spektrale Zerlegung170 deep lavender violett

In den Versuchen mit Gitterfoliendias ist eine Durchlichtbeugungsgitterfolie mit 1000 Li-nien pro mm der Firma AstroMedia (http://www.astromedia.de/) eingesetzt worden. Auchdie abgebildeten Spektralbrillen bzw. Goethebrillen sind dort erhältlich. Die Preise sindmoderat (in 2006: Beugungsgitter für vier Dias 4,50 EUR, Goethe-Farben-Brille oderPrisma-Brille 1,00 bis 2,00 EUR).Vorlagen für Farbkreise sowie für Experten auch Mathematicasourcecode zur Generie-rung derselben finden sich auf der Begleit-CD.Als Schülerübungsleuchten haben wir die Leuchtbox (Halogenlicht, 12V/20 W) der FirmaPhywe Systeme GmbH & Co. KG (http://www.phywe.de/) benutzt. Eine Bodenplatte istfür die Versuche P1 bis P15 nicht notwendig.


Materialien–2 Anhang


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Lic ht und F arbe Ð F ac hbezug Ph ysik Ð · F cher integ rativ es Unterr ichten in Natur und Technik Ð ein Projekt des Z-MNU unter Beteiligung der Didaktik en der Biologie , der