Spektren und Farben. Schulversuchspraktikum WS 2002/2003. Jetzinger Anamaria Mat.Nr.:

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1 Spektren und Farben Schulversuchspraktikum WS 2002/2003 Jetzinger Anamaria Mat.Nr.:

2 Inhaltsverzeichnis 1. Vorwissen der Schüler 2. Lernziele 3. Theoretische Grundlagen 3.1 Farbwahrnehmung 3.2 Das Licht 3.3 Das Prisma 3.4 Farbmischung Additive Farbmischung Die subtraktive Farbmischung 4 Durchgeführte Experimente 4.1 Subtraktive Farbmischung 4.2 Additive Farbmischung 4.3 Prismatische Versuche zur Optik 1

3 Literaturliste Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 2, M. Bernhard, S. Jezik Angewandte Physik 1, Schreiner Paul A. Tipler, Physik, Spektrum Physik 2 Optik Eydam Kiel Beiträge zur Optik Prismatische Versuche zur Optik nach J. W. v. Goethe 1. Vorwissen der Schüler Diese Arbeit wird sich auf den, in der Oberstufe behandelten Stoff beschränken. Vor der Behandlung dieser Thematik haben die Schüler folgende Stoffgebiete bearbeitet: Reflexion des Lichtes Brechung und Totalreflexion Beugung an Gittern 2. Lernziele Dieser Stoff wird in der sechsten Klasse behandelt. Nach der Durchführung dieses Stoffgebietes sollen die Schüler in der Lage sein, anhand konkreter Experimente die additive und subtraktive Farbmischung zu erklären. Die Beispiele dienen auch für ein tieferes Verständnis des Prismas. 3. Theoretische Grundlagen 3.1 Farbwahrnehmung 3.2 Das Licht 3.3 Das Prisma 3.4 Farbmischung Additive Farbmischung Die subtraktive Farbmischung 2

4 3.1 Farbwahrnehmung Unsere Augen ermöglichen es uns Objekte wahrzunehmen. Licht spielt hierbei die entscheidende Rolle, denn zum Erkennen und Wahrnehmen von Objekten ist eine gewisse Helligkeit nötig. Der Mensch nimmt Licht bestimmter Wellenlängen zwischen 400 und 700 Nanometer als Farben wahr. Kurzwelliges Licht sehen wir als, mittelwelliges als und langwelliges als. Wenn sich Licht aus 2 verschiedenen Wellenlängen zusammensetzt, sehen wir bei einer Kombination aus: kurz- und mittelwelligen Strahlen: Cyan, mittel- und langwelligem Licht: Gelb lang- und kurzwelligen Farbstrahlen: Magenta Licht, das sich mit voller Intensität und gleichen Anteilen aus allen 3 Wellenlängen zusammensetzt, empfinden wir als Weiß. Wenn keine elektromagnetischen Wellen des Farbspektrums in unser Auge treffen, dann entsteht die Farbempfindung. 3.2 Das Licht Das weiße sichtbare Licht ist nur ein kleiner Ausschnitt aus der elektromagnetischen Strahlung, zu der auch Radio- und Mikrowellen sowie Röntgenstrahlen gehören. Ein kleines "Fenster" dieses Bereiches (zwischen dem Infrarot- und UV-Licht) macht unsere Welt farbig: Weißes Licht setzt sich aus all diesen Farben zusammen. Eine Überlagerung aus: em Licht, (Wellenlänge von 400 bis 500 nm) em Licht, (Wellenlänge von 600 bis 700 nm) em Licht, (Wellenlänge von 500 bis 600 nm) ergibt Weiß. 3

5 Man kann weißes Licht mit einem Prisma in seine farbigen Bestandteile zerlegen. 3.3 Das Prisma Ein Prisma ist ein durchsichtiger Körper, der von mindestens zwei nicht parallelen ebenen Flächen ("brechende Flächen") begrenzt wird. Die Kante, die die brechenden Flächen miteinander verbindet, bezeichnet man als brechende Kante. Ihr gegenüber liegt die Basis. Quelle: Ein einfaches Prisma hat drei Seiten. Verläuft ein Lichtstrahl durch ein solches Prisma, wird er sowohl beim Eintritt als auch beim Austritt gebrochen. Das weiße Licht setzt sich aus Licht verschiedener Wellenlängen zusammen. Beim Durchgang durch das Prisma wird es dann in die Regenbogenfarben zerlegt (Spektralfarben). Jeder lichtbrechende Stoff hat die Eigenschaft, Licht unterschiedlicher Wellenlängen verschieden stark zu brechen. So wird der langwellige anteil des Lichts am wenigsten, kurzwelliges blaues Licht am stärksten gebrochen. 4

6 3.4 Farbmischung Das Mischen von Farben unterliegt unterschiedlichen Gesetzen, je nachdem ob wir es mit farbigem Licht oder mit Farbsubstanzen (Körperfarben) zu tun haben. Die zwei wesentlichen Farbmischgesetze sind die der additiven Farbmischung und der subtraktiven Farbmischung Additive Farbmischung Die additive Farbmischung basiert auf den Spektralfarben. Grundfarben:, und Komplementärfarben: Cyan, Magenta und Gelb Durch Mischen entstehen hellere Farbtöne. Aus einer Mischung von: mit entsteht Gelb, und entsteht Cyan und entsteht Magenta. Die Bereiche, in denen sich zwei Kegel überlagern, weisen die oben dargestellten Farben auf. Fehlen bestimmte Farben aus diesem Spektrum, so ergeben die restlichen Farben eine Mischfarbe. Damit diese Farbwirkungen erzielt werden können, ist als Hintergrundfarbe eine notwendige Bedingung. 5

7 Kommen alle drei Farben in voller Intensität und gleichen Anteilen zusammen, ergänzen sie sich zu Weiß. Das ist das Prinzip, nach dem das Farbfernsehen und die Farbdarstellung am Computer-Bildschirm funktioniert. Bei Grafik-Software kennen wir es als RGB Modell (RGB =,, ) Die subtraktive Farbmischung Farbsubstanzen absorbieren bestimmte Wellenlängen des weißen Lichts, während sie andere Wellenlängen reflektieren. Eine Farbsubstanz, die kurzwelliges Licht absorbiert (), reflektiert lang () und mittelwelliges () Licht und wird von uns deshalb als Gelb empfunden. Absorbiert eine Farbsubstanz mittelwelliges Licht (), dann reflektiert sie kurz () und langwelliges () Licht und wir sehen Magenta. Wird von einer Farbsubstanz langwelliges Licht () absorbiert und kurz- () und mittelwelliges () reflektiert, dann sehen wir Cyan. Von diesen drei Grundfarben Gelb, Cyan und Magenta wird bei der subtraktiven Farbmischung ausgegangen (Sekundärfarben). Gemischte Farbsubstanzen absorbieren mehrere Wellenlängen des Lichts und reflektieren Mischtöne, die dunkler als die drei Grundfarben sind. Die Leuchtkraft der Farben nimmt beim Mischen ab, weshalb diese Art der Farbmischung subtraktive Farbmischung genannt wird. Aus einer Mischung von: Cyan und Magenta entsteht Magenta gemischt mit Gelb ergibt Aus Gelb gemischt mit Cyan entsteht Mischt man Cyan, Magenta und Gelb in voller Intensität und in gleichen Anteilen zusammen, dann erhält man, d.h., es wird kein Licht mehr reflektiert. Nach dem Prinzip der subtraktiven Farbmischung arbeiten die Farbfotografie und der Farbendruck. Bei Grafik-Software kennen wir dieses Prinzip als CMYK-Modell (CMYK = Cyan, Magenta,Yellow, Black). 6

8 4 Durchgeführte Experimente Subtraktive Farbmischung Additive Farbmischung Prismatische Versuche zur Optik 4.1 Subtraktive Farbmischung Benötigte Materialien 1 Stativstange (130 cm) 1 Stativstange (90 cm) 1 Stativfuß 1 blaue Glühbirne 40 W 1 rote Glühbirne 40 W 1 grüne Glühbirne 40 W 4 Verbindungsklemmen 3 Schraubfassungen mit Schalter 1 DinA4 Blatt Transparentpapier 1 Zündholzschachtel Versuchsanordnung / Versuchsdurchführung Die folgende Skizze zeigt, die für diesen Versuch notwendige Annordnung: 7

9 Die Fassungen der drei Lampen werden an der Stativstange so befestigt, dass sie die Ecken eines gleichseitigen Dreiecks bilden. Die Länge der Seite soll ca. 70 cm sein. Über einen Schalter kann jede Lampe einzeln ein und ausgeschaltet werden. Eine Zündholzschachtel wird vor einem Transparentpapier gehalten. Die Entfernung der Zündholzschachtel vor der Lampenanordnung beträgt ca. 3 m. Es werden nun alle möglichen Kombinationen der Lampen eingeschaltet. Bei jeder Lampenkombination werden die Farben auf dem Transparentpapier beobachtet und notiert. Folgende Tabelle gibt einen Überblick über unsere Beobachtungen: Farbe der eingeschalteten Lampe Farbe der abgegrenzten Bereiche grün Violett Türkis Weiß Orange Violett Türkis 8

10 Anhand folgender Skizzen möchte ich den beobachteten Farben, die dazu gehörigen Bereiche festlegen. Eingeschaltete Lampe: Die Farbe der abgegrenzten Bereiche: 0 rot 0 blau 0 grün 1 schwarz 1 schwarz 1 schwarz Eingeschaltete Lampe: Die Farbe der abgegrenzten Bereiche: 0 rotgrün 0 violett 0 türkis 1 rot 1 rot 1 grün 2 schwarz 2 schwarz 2 schwarz 3 grün 3 blau 3 blau 9

11 Eingeschaltete Lampe: Die Farbe der abgegrenzten Bereiche: 0 weiß 1 orange 2 rot 3 violett 4 grün 5 schwarz 6 blau 7 türkis Erklärungen Falls nur eine Lampe eingeschaltet ist, ergibt sich hinter der Zündholzschachtel ein Bereich der nicht beleuchtet wird. Dieser Bereich erscheint schwarz. Der Rest des Papiers wird in der Farbe der eingeschalteten Lampe erscheinen. Falls zwei Lampen eingeschaltet sind, ergibt sich hinter der Zündholzschachtel ein Bereich der nicht beleuchtet wird. Dieser Bereich erscheint schwarz. Die zwei farbigen Umrisse der Zündholzschachtel sind von dem Abstand zwischen dem Transparentpapier und der Lichtquelle abhängig. Bei einem niedrigen Abstand kommt es zur Überlappung. Der Schatten im Überlappungsbereich ist schwarz. Falls alle drei Lampen eingeschaltet sind, ergibt sich hinter der Zündholzschachtel ein Bereich der nicht beleuchtet wird. Dieser Bereich erscheint schwarz. Die drei farbigen Umrisse der Zündholzschachtel sind von dem Abstand zwischen dem Transparentpapier und der Lichtquelle abhängig. Bei einem niedrigen Abstand kommt es zur Überlappung. Der Schatten im Überlappungsbereich ist schwarz. Insgesamt ergeben sich 7 verschieden gefärbte Bereiche. Die drei Grundfarben ergeben durch Vereinigung die Farbe weiß. Deswegen erscheint der Bereich, der durch alle drei Lampen beleuchtet ist, weiß. Es gibt auch Bereiche, die nur von einer oder zwei Lampen beleuchtet werden. In diesen Bereichen ergibt sich die Farbe aus subtraktiver Farbmischung. 10

12 Bemerkungen Dieser Versuch lässt sich ohne größeren Aufwand in der Schule durchführen. Wir haben zuerst den Versuch mit Hilfe eines weißen Schirms durchgeführt. Die Zündholzschachtel haben wir etwa 20 cm vor dem Schirm befestigt. Die einzelnen gefärbten Bereiche waren nicht sehr leicht zu beobachten, da die Zündholzschachtel fix war. Die Abstandsabhängigkeit war somit schwer erkennbar. 4.2 Additive Farbmischung Benötigte Materialien 1 Stativstange (130 cm) 1 Stativstange (90 cm) 1 Stativfuß 1 blaue Glühbirne 40 W 1 rote Glühbirne 40 W 1 grüne Glühbirne 40 W 4 Verbindungsklemmen 3 Schraubfassungen mit Schalter 1 DinA4 Blatt Transparentpapier 1 DinA4 Papier mit Loch Versuchsanordnung / Versuchsdurchführung Die folgende Skizze zeigt, die für diesen Versuch notwendige Annordnung: 11

13 Die Fassungen der drei Lampen werden an der Stativstange so befestigt, dass sie die Ecken eines gleichseitigen Dreiecks bilden. Die Länge der Seite soll ca. 70 cm sein. Über einen Schalter kann jede Lampe einzeln ein und ausgeschaltet werden. Der Karton mit dem Loch wird vor einem Transparentpapier gehalten. Die Entfernung des Kartons von der Lampenanordnung beträgt ca. 3 m. Man beobachtet die Abbildung des kreisförmigen Lochs durch das Transparentpapier. Es werden nun alle möglichen Kombinationen der Lampen eingeschaltet. Bei jeder Lampenkombination werden die Farben auf dem Transparentpapier beobachtet und notiert. Folgende Tabelle gibt einen Überblick über unsere Beobachtungen: Farbe der eingeschalteten Lampe Farbe der beobachteten Kreise Gelb Violett Türkis Weiß Gelb Violett Türkis 12

14 Anhand folgender Skizzen möchte ich den beobachteten Farben, die dazu gehörigen Bereiche festlegen. Eingeschaltete Lampe: Die Farbe der beobachteten Kreise: 0 schwarz 0 schwarz 0 schwarz 1 rot 1 blau 1 grün Eingeschaltete Lampe: Die Farbe der beobachteten Kreise: 0 schwarz 0 schwarz 0 schwarz 1 grün 1 rot 1 blau 2 gelb 2 violett 2 türkis 3 rot 3 blau 3 grün 13

15 Eingeschaltete Lampe: Die Farbe der beobachteten Kreise: 0 schwarz 1 blau 2 türkis 3 grün 4 violett 5 weiß 6 gelb 7 rot Erklärungen Falls nur eine Lampe eingeschaltet ist, ergibt sich ein Umriss der Kreisscheibe im Karton der in der jeweiligen Farbe erscheint. Der Rest des Papiers wird nicht beleuchtet. Dieser Bereich erscheint schwarz. Falls zwei Lampen eingeschaltet sind, erscheinen auf dem Transparentpapier zwei Kreisscheiben. Das Überlappungsgebiet ist sichtbar und es ist von dem Abstand zwischen dem Karton und der Lichtquelle abhängig. Die Farbe des Überlappungsgebietes entsteht durch die Überlappung der beiden Farben, also durch additive Farbmischung. Der Rest des Papiers wird nicht beleuchtet. Dieser Bereich erscheint schwarz. Falls alle drei Lampen eingeschaltet sind, erscheinen auf dem Transparentpapier drei Kreisscheiben. Das Überlappungsgebiet ist sichtbar und es ist von dem Abstand zwischen dem Karton und der Lichtquelle abhängig. Die Farbe des Überlappungsgebietes entsteht durch die Überlappung dieser drei Farben. Das Überlappungsgebiet kann nur von einer, von zwei oder von allen drei Lampen beleuchtet werden. In diesen Bereichen ergibt sich die Farbe aus additiver Farbmischung. Die drei Grundfarben ergeben durch Vereinigung die Farbe weiß. Deswegen erscheint der Bereich, der durch alle drei Lampen beleuchtet ist, weiß. Der Rest des Papiers wird nicht beleuchtet. Dieser Bereich erscheint schwarz. Insgesamt ergeben sich 7 verschieden gefärbte Bereiche. 14

16 4.3 Prismatische Versuche zur Optik ( nach J. W. v. Goethe ) Benötigte Materialien 3 Karten nach J. W. v. Goethe 1 gleichseitiges Prisma ( 12 cm lang ) Versuchsdurchführung Dieses Experiment beinhaltet 2 voneinander unabhängige Teilversuche. Teilversuch Die folgende Karte wird auf den Tisch gelegt, und zwar so, dass sich der schwarze Teil oben und der weiße Teil unten befinden. 15

17 Durch das Prisma wird die Karte nun beobachtet. An dem Rand zwischen den zwei Teilen erscheinen ein roter und ein gelber Streifen. Die Karte wird anschließend langsam gedreht, solange bis sich der schwarze Teil unten und der weiße Teil oben befinden. An dem Rand, der vorher rot und gelb erschien, lässt sich nun eine blauer und ein violetter Streifen beobachten. Teilversuch 2 Die folgende Karte wird auf den Tisch gelegt, und zwar so, dass der weiße Streifen parallel mit der Achse des Prismas gerichtet ist. Durch das Prisma wird die Karte nun beobachtet. Es lässt sich ein wenig gebogener Regenbogenstreifen erkennen, wobei die Farben die gleiche Anordnung wie in der Natur aufweisen: Oben rot, dann gelb, grün, blau und anschließend violett. 16

18 Die Karte wird nun gedreht, und zwar so, dass der weiße Streifen senkrecht auf der Achse des Prismas steht.. Durch das Prisma wird die Karte nun beobachtet. Die rote und die gelbe Farbe lassen sich nun oben beobachten. Die blaue und die violette Farbe erscheinen unten. Teilversuch 2 Die folgende Karte wird durch das Prisma horizontal, vertikal und diagonal beobachtet. Man beobachtet eine ganze Palette von Farben (rot, gelb, violett ). Die Farben ändern sich beim Drehen der Karte. 17

19 Zusammenfassung Aus den beobachteten Phänomenen haben wir Folgendes feststellen können: Die en und die weißen Flächen zeigen durch das Prisma keine Farben. An allen Rändern zeigen sich Farben. Kein Rand, der mit der Achse des Prismas perpendikular steht, erscheint gefärbt. Strahlen mit verschiedenen Wellenlängen werden unterschiedlich stark gebrochen. 18