Regenbogen
Abb.
1
Ein Regenbogen tritt immer im Doppel auf.
brigachtal via pixabay
Ein Glas, etwas Wasser, eine Lupe. Untersucht mit einfachen Mitteln die Eigenschaften des Lichtes und entdeckt wie Farben entstehen.

Auf dieser Seite sind einige Versuche aufgeführt, die mit einfachen Mitteln entweder in einer Schülerübung im Unterricht oder als Heimversuche gemacht werden können.

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Aufbau und Durchführung

Vor einem weißen Schirm befinden sich eine rote und eine grüne Lampe. Zwischen Lampen und Schirm befindet sich ein Objekt, z.B. ein Herz (vgl. Animation in Abb. 1).

Zuerst schaltet man nur die rote, dann nur die grüne und schließlich beide Lampen ein. Dabei beobachtet man, was sich auf dem Schirm für Schatten ergeben.

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Beobachtung

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1 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des Versuchs zu farbigen Schatten
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Aufgabe

Im Versuch sind beide Lampen eingeschaltet.

a)Gib an, welche Farbe der Schatten des Objektes hat, der von der roten Lampe verursacht wird, wenn es sich dabei um einen Halbschatten handelt?

b)Gib an, welche Farbe der Schatten des Objektes hat, der von der roten Lampe verursacht wird, wenn es sich dabei um einen Kernschatten handelt?

Lösung

a)Da der Schatten ein Halbschatten sein soll, trifft also nur das Licht der grünen Lampe auf diesen Bereich des Schirms. Daher ist der Schatten des Objektes, der von der roten Lampe verursacht wird, grün.

b)In den Kernschatten des Objektes dringt weder das Licht der roten Lampe, noch das Licht der grünen Lampe. Der Schatten ist daher schwarz.

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Beobachtung im Realexperiment

Farbige Schatten im Realexperiment
Abb.
2

Du kannst diesen Versuch leicht mit zwei Glühlampen zu Hause selbst machen, wenn du diese mit roter und grüner Glasfarbe bemalst oder mit roter und grüner Scheinwerferfolie umgibst.

Farbmischung durch örtliche Überlagerung

Versuchsaufbau zur additiven Farbmischung
Abb. 1 Klassischer Versuchsaufbau zur additiven Farbmischung

Beim klassischen Experiment (Abb. 1) wird je einei Reuterlampe mit einem roten, grünen bzw. blauen Farbfilter ausgestattet. So entstehen drei farbige Lichtquellen. Jede Leuchte benötigt im Idealfall ein eigenes, regelbares Netzgerät. Weiter sollten mittels einfacher Optik oder Blenden die Lichtkegel jeweils kreisförmig eingegrenzt werden, sodass die einzelnen Farben auf einem Schirm gut erkennbar sind. Nun werden die Lampen so ausgerichtet, dass die Farben sich auf dem Schirm überschneiden. Die entsprechenden Mischfarben werden sichtbar. Das Regeln einzelner Spannungen macht die Auswirkungen sich ändernder Farbintensitäten deutlich.

Alternativ sind inzwischen auch handlichere Aufbauten mit regelbaren LEDs verfügbar.

Simulation zur additiven Farbmischung

In der folgenden Simulation kannst du selbst beliebige Farben mithilfe der additiven Farbmischung erzeugen.

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Lichtintensität
Rot:
Grün:
Blau:
HTML5-Canvas nicht unterstützt!
2 Erzeugung beliebiger Farben mithilfe der additiven Farbmischung
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Verständnisaufgabe

Vervollständige mithilfe der Simulation das folgende Schema zur additiven Farbmischung

Aufgabe zur additiven Farbmischung
Abb. 3 Unvollständiges Schema zur additiven Farbmischung

Lösung

Es zeigen sich folgende Ergebnisse:

Übersicht Ergenisse additiver Farbmischung
Abb. 4 Ergebnisse der additiven Farbmischung

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Ein Schülerversuch zur additiven Farbmischung am LCD-Bildschirm ist hier beschrieben. Da die roten, grünen und blauen Pixel räumlich sehr dicht beisammen liegen und wir Bildschirme normalerweise aus einem bestimmten Abstand betrachten, kann unser Auge die einzelnen Lichtquellen nicht mehr auflösen. Es entsteht eine Mischfarbe.

Farbmischung durch zeitliche Überlagerung

Regenbogeneffekt am DLP-Beamer
Abb. 5 Regenbogeneffekt am DLP-Beamer bei schneller Bewegung

Viele im Handel erhältliche Beamer sind sogenannte DLP-Beamer. Diese besitzen nur eine Lichtquelle, vor der ein sich schnell drehendes Farbrad (mind. 100x pro Sekunde) positioniert ist. So erzeugt der Beamer schnell hintereinander verschiedene, einfarbige Bilder auf die Projektionsfläche, je nachdem welcher Teil des Farbrades sich gerade vor der Lampe befindet. Dies geschieht so schnell hintereinander , dass unsere Auge diese nicht auflösen kann und Mischfarben bildet. Bei schnellen Bewegungen und am Rand der Projektionsflächen können jedoch viele Leute Farbblitzer wahrnehmen. Auch experimentell kann man sehr einfach zeigen, dass das Bild beim DLP-Beamer aus einzelnen Farben zusammengesetzt wird. Man bewegt bei einem weißen Bild bspw. seine Hand sehr schnell im Strahlengang hin und her. Rund um die Finger werden einige Farben des Farbrades mit bloßem Auge sichtbar. Fotografiert man dies mit kurzer Belichtungszeit, so lässt sich der Effekt auch fotographisch zeigen (Abb. 5). Dieser Effekt wird auch Regenbogeneffekt genannt.

Subtraktive Farbmischung mit Filtern

Versuch zur subtraktiven Farbmischung
Abb.
1
Versuch zur subtraktiven Farbmischung

Auf einen Overheadprojektor werden, sich jeweils teilweise überlappend, drei Farbfilter (Cyan, Magenta, Gelb) gelegt. An der Wand oder auch direkt beim Blick auf den Overheadprojektor werden die Mischfarben der subtraktiven Farbmischung sichtbar. Der Bereich in der Mitte, wo alle drei Farbfilter übereinander liegen, wirkt schwarz, da die Kombination der drei Filter kein Licht des Projektors mehr durchlässt.

Simulation der subtraktiven Farbmischung

In der folgenden Simulation kannst du selbst verschiedenste Farben mithilfe der subtraktiven Farbmischung erzeugen. In der Simulation werden dazu aus dem weißen Hintergrundlich mithilfe von Farbfiltern entsprechende Farben herausgefiltert, sodass ein neuer Farbeindruck entsteht. Du kann jeweils die Filterstärke der drei Farbfilter verändern.

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Filterstärke
Cyan:
Magenta:
Yellow:
HTML5-Canvas nicht unterstützt!
2 Erzeugung beliebiger Farben mithilfe der subtraktiven Farbmischung
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Verständnisaufgabe

Vervollständige mithilfe der Simulation das folgende Schema zur subtraktiven Farbmischung

Aufgabe zur subtraktiven Farbmischung
Abb.
3
Aufgabe zur subtraktiven Farbmischung

Lösung

Die folgende, vereinfachte schematische Darstellung erklärt, wie es zu den einzelnen Farbeindrücken kommt.

Schema subtraktive Farbmischung
Abb.
4
Schema zur subtraktiven Farbmischung

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Bei undurchsichtigen Körpern werden einzelne Farbbereiche des auffallenden Lichts absorbiert. Das diffus reflektierte Licht enthält somit nicht mehr alle Farben des einfallenden Lichtes. Die reflektierten Farben zusammen ergeben eine Mischfarbe. Diese Mischfarbe, die du mit dem Auge wahrnimmst, nennt man die Körperfarbe.

Körperfarbe einer Zitrone

Versuchsaufbau zu Körperfarben

Man könnte die gelbe Farbe der Zitrone wie folgt erklären:
"Fällt auf die Zitrone weißes Licht, so werden von diesem einfallenden Licht alle Spektralfarben außer Gelb absorbiert."

Dass diese Erklärung falsch ist, zeigt eindrucksvoll der folgende Versuch nach einem Artikel von Prof. A. Donges MNU 60/2007:

Messung der Reflektion für verschiedene Farben

In dem nebenstehend skizzierten Versuch wurde zunächst weißes Papier der Reihe nach mit verschiedenen einfarbigen LEDs bestrahlt und mit einem Lichtnachweisgerät (Detektor) jeweils die Intensität Sweißes Blatt des in den Detektor gestreuten Lichtes gemessen.
Anschließend wird das weiße Papier durch die zu untersuchende Probe (z.B. ebene Zitronenschale) ersetzt und wieder mit verschieden farbigen LEDs beleuchtet und wieder die Intensität SProbe des Streulichts registriert. Der Reflexionsfaktor der Probe ergibt sich wie folgt:

\[R = \frac{{{S_{\Pr {\rm{obe}}}}}}{{{S_{{\rm{weisses}}\,{\rm{ Blatt}}}}}}\]

In den untenstehenden Diagrammen ist dieser Reflexionsfaktor für die verschiedenen LED-Farben bei einer Zitrone und einer Banane dargestellt.

Die Ergebnisse zeigen, dass bei der reifen Zitrone bzw. Banane außer der Farbe Blau alle verwendeten LED-Farben gut reflektiert werden. Der gelbe Eindruck der Körperfarbe entsteht durch die Vereinigung der reflektierten Farben (Komplementärfarbe zu Blau).

Zustandekommen der Körperfarben allgemein

Farbeindruck einer Zitrone bei unterschiedlichem Licht

Die Farbe, in der uns ein Körper erscheint hängt also im wesentlichen von zwei Faktoren ab:

  1. Vom Körper selbst und deinen Eigenschaften in Bezug auf die Absorption und Reflketion verschiedener Farben.
  2. Von der Zusammensetzung des Lichtes, mit dem er bestrahlt wird.

Mit bloßem Auge kannst du daher nicht zu bestimmen, welche Farben ein Körper besonders gut reflektiert und welche Farben der Körper absorbiert. Du bekommst nur einen subjektive Farbeindruck. Durch geeignete Experimente oder Messgeräte kannst du jedoch zu genauen Aussagen gelangen.

Hinweis: Als Detektor kann auch ein Spektrometer genutzt werden, wenn verfügbar.

Mit dem unten dargestellten Versuch wird mit Hilfe eines Geradsichtprismas ein Spektrum entworfen. Durchfährt man dieses Spektrum mit einer Thermosäule, so stellt man besonders in dem nicht sichtbaren Spektralbereich jenseits vom Rot starke Ausschläge am Mikrovoltverstärker fest.

Man nennt die mit der Thermosäule nachgewiesene Strahlung Infrarot-Strahlung (kurz: IR). Besonders Interessierte können sich genauere Informationen über die Funktionsweise der Thermosäule hier einblenden lassen; der Inhalt geht allerdings über den momentanen Kenntnisstand etwas hinaus.

In einem Film der Universität Würzburg (längere Ladezeit, da 3,9 Mb) kannst Du die detaillierte Durchführung des Versuches zum Nachweis der Infrarotstrahlung betrachten. Die Adresse lautet: http://www.physik.uni-wuerzburg.de/video/waermelehre/transport/t12.html

Bringt man in den nicht sichtbaren Teil des Spektrum jenseits vom Blau einen Zinksulfid-Schirm, so leuchtet dieser auf. Ein Zeichen dafür, dass auch hier eine Strahlung auftritt, die wir Ultraviolett-Strahlung (UV) nennen. Man kann diese Strahlung übrigens auch dadurch nachweisen, dass man ein frisch gewaschenes weißes Hemd in diese Zone bringt. Die "Weißmacher" des Waschmittels, die sich noch im Hemd befinden wandeln - ähnlich wie der Zinksulfid-Schirm - das für uns unsichtbare UV in sichtbares Licht um.

Der Nachweis des UV gelingt besonders gut, wenn man ein Quarzprisma und als Objektiv eine Quarzlinse zur Verfügung hat, da Quarzglas das UV weniger absorbiert, als normales Glas.

Sowohl das sichtbare Spektrum als auch das Infrarot und die Ultraviolett-Strahlung sind Anteile des sogenannten elektromagnetischen Spektrums, welches du in der Oberstufe näher kennenlernen wirst.

Anwendung von Infrarot- und UV-Strahlung

IR und UV finden in Medizin, Natur und Technik eine Vielzahl von Anwendungen. Im Themenbereich Elektromagnetisches Spektrum sind eine Auswahl an Anwendungsbeispielen von Infrarotstrahlung und UV-Strahlung erklärt.

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video zeigt Karlheinz Meier eine Nachweissmethode für Infrarot-Strahlung.

zum Video

Grundversuch

Im Jahre 1671 untersuchte Isaac NEWTON (1642 - 1726) die Farbzerlegung des weißen Lichts, die er dann in seinem Werk "Opticks" ausführlich beschrieb.

Von den zahlreichen Untersuchungen werden hier drei wesentliche Experimente herausgegriffen und die entsprechenden Schulexperimente, die sich oft noch sehr eng an die NEWTON'schen Vorschläge anlehnen dargestellt.

In dem Grundversuch zeigt NEWTON, dass sich weißes Licht in Spektralfarben zerlegen lässt. Er schreibt:

"Nachdem ich mein Zimmer verdunkelt und ein Loch in meinen Fensterladen gemacht hatte, um eine Menge Sonnenlicht einzulassen, brachte ich hinter der Öffnung mein Prisma an, damit jenes an die gegenüberliegende Wand gebrochen wurde. Es war anfangs recht vergnüglich, die lebhaften und kräftigen Farben anzuschauen. Aber als ich sie dann genauer betrachtete, war ich überrascht, dass sie eine längliche Form hatten (PT), während ich nach entsprechenden Gesetzen der Brechung erwartete, dass sie rund wären."

NEWTON folgerte aus dem Versuch, dass das weiße Licht aus verschiedenen Bestandteilen besteht, die durch das Prisma unterschiedlich stark gebrochen werden. Am stärksten werden die blauen, am schwächsten die roten Farben gebrochen (daher die längliche Form des Spektrums).

Schulversuch zum Entwurf des Spektrums

Sehr einfach und eindrucksvoll lässt sich ein Spektrum auch mit Hilfe des Tageslichtprojektors entwerfen: Man legt auf die Projektionsfläche einen schwarzen Karton mit Schlitz. Nach dem Objektiv und dem Umlenkspiegel bringt man das Prisma an. An der Wand entsteht ein helles Spektrum.

Anstelle eines Dreikantprismas kann man auch ein sogenanntes Geradsichtprisma verwenden. Es besteht aus mehreren zusammengekitteten Prismen. Das Spektrum wird dadurch breiter und es entsteht fast symmetrisch zur optischen Achse (leichterer Aufbau des Versuches!).

Unzerlegbarkeit der Spektralfarben

Die nebenstehende eigenhändige Zeichnung von NEWTON gibt das sogenannte "Experimentum crucis" wieder. Sonnenlicht tritt durch ein Loch in der Wand (rechts), geht durch eine Sammellinse und wird dann durch das Prisma in die Regenbogenfarben zerlegt, welche auf einem Brett (links) erscheinen. Durch ein Loch in diesem Brett wird ein farbiger Strahl ausgeblendet, der durch ein zweites Prisma zwar gebrochen, aber nicht mehr zerlegt wird.

"Nec variat lux fracta colorem" schreibt NEWTON dazu (das gebrochene Licht ändert seine Farbe nicht).

Schulversuch zur Unzerlegbarkeit der Spektralfarben

Vereinigung der Spektralfarben

NEWTON schreibt zu dem nebenstehenden Versuch:

"Das Spektrum des Bildes der Sonne falle jetzt auf die über vier Zoll große Linse VR, die etwa sechs Fuß vom dem Prisma ABC entfernt und so geformt ist, dass sie das vom Prisma ausgehende divergente farbige Licht konvergent macht und in ihrem Brennpunkt, der ungefähr sechs Fuß von der Linse entfernt ist, wieder vereinigt, wo es dann senkrecht auf ein weißes Blatt Papier fällt [...] Das gesamte Licht erscheint nun als ein kleiner weißer Kreis."

Schulversuch zur Vereinigung der Spektralfarben zu Weiß (schematisch)

Die nebenstehende Fotografie zeigt den möglichen Aufbau eines Demonstrationsversuchs zur Vereinigung der Spektralfarben.

Das von der weißen Lichtquelle (Kohlebogenlampe) ausgehende Licht wird durch einen Kondensor auf die Objektivmitte konzentriert.

Das Objektiv bildet den Spalt scharf auf einem Schirm ab, auf dem zunächst einen weißes Spaltbild zu sehen ist.

Bringt man das Geradsichtprisma in den Strahlengang, so entsteht auf dem Schirm ein sehr schönes Spektrum.

Eine anschließend zwischen Prisma und Schirm eingebrachte Zylinderlinse vereinigt die Spektralfarben auf dem Schirm wieder zu weiß.

Bringt man bei obigem Versuch hinter der Zylinderlinse einen kleinen Papierstreifen an, mit dem man der Reihe nach einzelne Spektralfarben ausblenden kann, so sieht man am Schirm die zur ausgeblendeten Spektralfarbe gehörige Komplementärfarbe.

Die Idee und die Fotos zu dieser Seite stammen von Jost Degen

Versuchsaufbau Prismablick
Abb.
1
Beim Blick durch das Prisma erscheinen an Kontrastreichen Rändern die Lichtfarben.
Geräte

Versuchsdurchführung
Lege auf die Tischplatte zunächst das Arbeitsblatt mit den Vorlagen 1abc) (Verschieden breite weiße Streifen auf schwarzem Grund) und beleuchte sie mit weißem Licht.
Betrachte diese durch das Prisma und zeichne die Farbreihenfolge ab.

Mach das gleiche mit den Vorlagen 2abc) (Verschieden breite schwarze Streifen auf weißem Grund)
   

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1a

2a


1b


2b

1c

2c

Die folgenden Fotos sind durchs Prisma entsprechend dem Versuchsuafbau gemacht. Ordne die Fotos den Vorlagen zu.

Ordne die Fotos den Vorlagen zu und erkläre das Geschehen. Hilfen: Blau wird stärker gebrochen als rot, beachte Farbaddition und Farbsubtraktion.

Wie dir auf der Regenbogenseite erläutert wurde, muss man für die Entstehung des Regenbogens alle Strahlen betrachten, welche über den ganzen Durchmesser in einen Regentropfen eintreten. In dem sehr schönen Simulationsprogramm von Dr. Dittmann (Uni Erlangen) kannst du mit dem im Detail die Entstehung eines Regenbogens im Strahlenmodell und Wellenmodell studieren. Dazu musst du das entsprechende Programm herunterladen und installieren (nur für Windows). Für die Unter- und Mittelstufe ist die Betrachtung im Strahlenmodell sinnvoll.

Screenshot Simulation Regenbogen

  • Farbe:
    Zunächst kannst du per Mausklick die Strahlen auswählen, welche auf den Tropfen treffen sollen. Dabei hast du die Wahl zwischen drei Farben.
  • Reflexionen:
    Auch die Zahl der Reflexionen im Tropfen ist wählbar. Bei einer Reflexion erhältst du den Haupt-Regenbogen, bei zwei Reflexionen den Neben-Regenbogen.
  • Reflektierte Strahlen:
    Das Programm zeigt der Vollständigkeit halber auch Strahlen an, die für das Entstehen des Regenbogens nicht so wichtig sind. Diese Strahlen kann man hier abschalten. Es ist aber auch einmal ganz interessant die Strahlen in ihrer Vollständigkeit zu betrachten.
  • Bild:
    Hier hat man die Wahl zwischen einer detaillierten (vergrößerten) Darstellung oder einer Übersichts-Darstellung.
  • Stoßparameter:
    Hier kann man die Strahlen automatisch (langsam und schnell) auf den Regentropfen treffen lassen.

Um an das Programm zu gelangen, musst du folgende Adresse wählen:
http://www.solstice.de/physikprogramme/simulationsprogramm-zum-regenbogen/

Du kannst hier verschiedene Versionen des Programms zum Installieren herunterladen.

1 Erzeuge einen ganzen Regenbogen durch Mischen von Rot, Grün und Blau. Ändere die Wellenlänge des monochromatischen Strahls oder filtere weißes Licht. Mache das Licht als Strahl oder als einzelne Photonen sichtbar.