Jetzinger

Spektren und Farben
Schulversuchspraktikum
Jetzinger Anamaria
Mat.Nr.: 9755276
WS 2002/2003

1. Vorwissen der Schüler
2. Lernziele
Inhaltsverzeichnis
3. Theoretische Grundlagen
3.1 Farbwahrnehmung
3.2 Das Licht
3.3 Das Prisma
3.4 Farbmischung
3.4.1 Additive Farbmischung
3.4.2 Die subtraktive Farbmischung
4 Durchgeführte Experimente
4.1 Subtraktive Farbmischung
4.2 Additive Farbmischung
4.3 Prismatische Versuche zur Optik
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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
3.4.1 Additive Farbmischung
3.4.2 Die subtraktive Farbmischung
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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 Blau, mittelwelliges als Grün und langwelliges als Rot.
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 Schwarz.
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:
Blauem Licht, (Wellenlänge von 400 bis 500 nm)
Rotem Licht, (Wellenlänge von 600 bis 700 nm)
Grünem Licht, (Wellenlänge von 500 bis 600 nm)
ergibt Weiß.
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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: http://www1.physik.tu-muenchen.de
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 Rotanteil des Lichts am wenigsten, kurzwelliges blaues Licht am stärksten
gebrochen.
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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.
3.4.1 Additive Farbmischung
Die additive Farbmischung basiert auf den Spektralfarben.
Grundfarben: Rot, Blau und Grün
Komplementärfarben: Cyan, Magenta und Gelb
Durch Mischen entstehen hellere Farbtöne.
Aus einer Mischung von:
Rot mit Grün entsteht Gelb,
Grün und Blau entsteht Cyan
Blau und Rot 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 Schwarz als
Hintergrundfarbe eine notwendige Bedingung.
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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 = Rot, Grün, Blau).
3.4.2 Die subtraktive Farbmischung
Farbsubstanzen absorbieren bestimmte Wellenlängen des weißen Lichts, während sie andere
Wellenlängen reflektieren. Eine Farbsubstanz, die kurzwelliges Licht absorbiert (Blau),
reflektiert lang (Rot) und mittelwelliges (Grün) Licht und wird von uns deshalb als Gelb
empfunden. Absorbiert eine Farbsubstanz mittelwelliges Licht (Grün), dann reflektiert sie
kurz (Blau) und langwelliges (Rot) Licht und wir sehen Magenta. Wird von einer
Farbsubstanz langwelliges Licht (Rot) absorbiert und kurz- (Blau) und mittelwelliges (Grün)
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 Blau
Magenta gemischt mit Gelb ergibt Rot
Aus Gelb gemischt mit Cyan entsteht Grün
Mischt man Cyan, Magenta und Gelb in voller Intensität und in gleichen Anteilen
zusammen, dann erhält man Schwarz, 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).
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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:
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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
Rot Grün Blau
Rot
+
Schwarz
Grün
+
Schwarz
Blau
+
Schwarz
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Rot
&
Grün
Rot
+
Rotgrün
+
Schwarz
+
Grün
Rot
&
Blau
Violett
+
Rot
+
Schwarz
Grün
&
Blau
Türkis
+
Grün
+
Schwarz
+
Blau
Rot
&
Grün
&
Blau
Weiß
+
Orange
+
Rot
+
Violett
+
Grün
+
Schwarz
+
Blau
+
Türkis

Anhand folgender Skizzen möchte ich den beobachteten Farben, die dazu gehörigen Bereiche
festlegen.
Eingeschaltete Lampe:
Rot Blau Grün
Die Farbe der abgegrenzten Bereiche:
0…rot 0…blau 0…grün
1…schwarz 1…schwarz 1…schwarz
Eingeschaltete Lampe:
Rot & Schwarz Rot & Blau Rot & Grün
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
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Eingeschaltete Lampe:
Rot & Grün & Blau
Die Farbe der abgegrenzten Bereiche:
0…weiß 4…grün
1…orange 5…schwarz
2…rot 6…blau
3…violett 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.
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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:
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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
Rot Grün Blau
Rot
+
Schwarz
Grün
+
Schwarz
Blau
+
Schwarz
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Rot
&
Grün
Rot
+
Gelb
+
Schwarz
+
Grün
Rot
&
Blau
Blau
+
Rot
+
Violett
+
Schwarz
Grün
&
Blau
Türkis
+
Grün
+
Schwarz
+
Blau
Rot
&
Grün
&
Blau
Weiß
+
Gelb
+
Rot
+
Violett
+
Grün
+
Schwarz
+
Blau
+
Türkis

Anhand folgender Skizzen möchte ich den beobachteten Farben, die dazu gehörigen Bereiche
festlegen.
Eingeschaltete Lampe:
Rot Blau Grün
Die Farbe der beobachteten Kreise:
0…schwarz 0…schwarz 0…schwarz
1…rot 1…blau 1…grün
Eingeschaltete Lampe:
Rot & Schwarz Rot & Blau Rot & Grün
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
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Eingeschaltete Lampe:
Rot & Grün & Blau
Die Farbe der beobachteten Kreise:
0…schwarz 4…violett
1…blau 5…weiß
2…türkis 6…gelb
3…grün 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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
Aus den beobachteten Phänomenen haben wir Folgendes feststellen können:
Die Schwarzen 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.
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