Versuchsanleitung

Protokoll
Spektren und
Farben
Michael Aichinger
9855264
Inhaltsverzeichnis:
1. Einleitung
2. Lernziele
3. Literaturverzeichnis
4. Didaktische Hinleitung
5. Versuche
5.1. Farbzerlegung des Lichts mit einem Geradsichtprisma
5.2. Die Wiedervereinigung des Spektrums
5.3. Additive Farbmischung
5.3.1. Additive Farbmischung mit Leybold 46616
5.3.2. Additive Farbmischung mit Glühbirnen
5.4. Subtraktive Farbmischung
5.4.1 Subtraktive Farbmischung mit Leybold 46615
5.4.2 Subtraktive Farbmischung mit Glühbirnen
6. Zusatzinformation Farbenblindheit
S.2
S.2
S.3
S.3
S.4
S.6
S.9
S.12
S.
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S.
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1. Einleitung
Das folgende Protokoll beschäftigt sich mit Spektren und Farben, die laut Lehrplan in der
4.Klasse Unterstufe durchgenommen werden. Besonders ausführlich sind wir bei der
Versuchsauswahl auf die Farben eingegangen und in diesem Zusammenhang auf die additive
und subtraktive Farbmischung. Dieses mal haben wir nicht versucht möglichst alle Versuche
zum gestellten Thema durchzubringen, sondern wir wollten zu einem speziellen Thema eine
vielfältige Auswahl an möglichen Versuchen herausarbeiten. So kann sich jeder, der dieses
Protokoll als Arbeitsunterlage verwendet die Vor- und Nachteile der einzelnen Versuche
ansehen und so einen auswählen, der am geeignetsten erscheint.
Folgende Kenntnisse für das Durchnehmen des hier aufbereiteten Stoffgebietes sollte der
Schüler besitzen:
• Begriff der Reflexion – Reflexionsgesetz
• Absorption
• Begriff der Brechung – Brechungsgesetz
• Schatten
• Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit (im Zusammenhang mit dem Medium)
• Die geometrische Optik (Linsen, Linsensysteme, Abbildungen)
2. Lernziele
Lehrplan Licht und Farben:
• Zerlegung des weißen Lichts: Spektrum
Praxisbezug: Regenbogen
• Farbmischung, Körperfarben
Praxisbezug: Farbfernsehen, Farbdruck, Farbfotografie, Malerei
Querverbindung: Bildnerische Erziehung, BU, GW
Lernziele Licht und Farben:
Der Schüler soll...
• ...wiedergeben können, dass weißes Licht mit Hilfe eines optischen Prismas in die
Spektralfarben zerlegt werden kann.
• ... die Spektralfarben aufzählen können.
• ... Paare farbigen Lichts, die miteinander weiß ergeben, als Komplementärfarben
bezeichnen und solche Paare nennen können.
• ... wiedergeben können, dass Körper nur in jener Farbe erscheinen, die von ihnen
reflektiert wird.
• ... zwischen der additiven und der subtraktiven Farbmischung unterscheiden können.
• ... Anwendungen der beiden Farbmischungsarten nennen können.
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3. Literaturverzeichnis
Physik Oldenburg; Westermann Wien
Physik 4.Klasse; Gollenz
Tiplers Physik
Versuchsanleitung: EYDAM-KIEL
Versuchsanleitung: Bernhard
Gerätekarten: Leybold
4. Didaktische Hinleitung
Du hast sicherlich schon einen Regenbogen mit seinen schönen Farben beobachtet. Er
entsteht, wenn Sonnenlicht in einer Schicht von Wassertröpfchen (Regen, Wasserfall,
Springbrunnen) gebrochen und reflektiert wird. Man kann die Farben des Regenbogens aus
weißem Licht „herstellen“. Wie das funktioniert, welche Bedeutung diese Farben haben und
wie man sie mischen kann werden wir mit folgenden Versuchen erarbeiten.
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5.1. Versuch: Die Farbzerlegung des Lichts mit einem
Geradsichtprisma
Die Richtleuchte mit Kondensor beleuchtet den Spalt, der durch eine Linse (+100 mm) auf
dem weißen Schirm abgebildet wird. Dann wird das Geradsichtprisma in den Strahlengang
gebracht.
Geräte:
Schiene
Richtleuchte
Kondensor
Spalt
Linse +100 mm
Geradsichtprisma
Schirm
Netzanschlussgerät
Stativmaterial
Aufbau:
Achtung: Die Höhe der Geräte muss genau eingestellt werden.
Ergebnis:
Auf dem weißen Schirm erscheint ein Spektrum. Das Geradsichtprisma wird aus Prismen
gleicher Ablenkung, aber verschiedener Dispersion (Auffächerung des Spektrums) gebildet.
Dadurch wird die Ablenkung aufgehoben und das Spektrum in gerader Sicht auf den Schirm
gebracht. (nimmt man ein „normales“ Prisma muss das Spektrum in einem Winkel zur
optischen Achse gesucht werden)
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Didaktische Aufbereitung:
Wir nennen das von einem weiß glühenden Körper (z.B. Wendel einer Glühlampe)
ausgesendete Licht weißes Licht. Auch die Sonne sendet weißes Licht aus. Beim Durchgang
durch ein Geradsichtprisma wird das Licht durch die unterschiedliche
Ausbreitungsgeschwindigkeit der verschiedenen Wellenlängen im Medium (Dispersion) in
verschiedene Farben zerlegt. Man nennt diese Erscheinung Farbzerlegung. Das entstehende
Farbband heißt Spektrum, seine einzelnen Farben heißen Spektralfarben. Nach Newton
unterscheidet man sieben Hauptfarben, nämlich Rot , Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo,
Violett. In Wirklichkeit gehen die Spektralfarben jedoch stufenlos ineinander über, sodass das
Spektrum eine dichte Folge von Einzelfarben darstellt. Man spricht von einem
kontinuierlichem Spektrum.
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5.2. Versuch: Die Wiedervereinigung des Spektrums
Die Spektralfarben des weißen Lichts lassen sich zu weißem Licht vereinigen.
Geräte:
Farbscheiben
Halterung für Farbscheiben
Aufbau:
Die Farbscheibe auf dem drehbaren Stativ befestigen.
Durchführung:
Wir versetzen die Farbscheibe in eine schnelle Drehung. (Umdrehungszahl >8/sec) Man
erhält eine additive Mischung (siehe Versuch 3) der Farben zu weiß. Da in den auf dem
Papier aufgetragenen technischen Farben immer etwas grau enthalten ist , ist die Mischung
kein ganz reines weiß.
Ergebnis und didaktische Aufbereitung:
Durch schnelles Drehen der Farbscheiben, kann unser Auge die einzelnen Sektoren nicht
mehr wahrnehmen und sieht eine Vereinigung der Farben. Die bei Stillstand farbigen
Scheiben erscheinen uns weiß.
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Im folgenden sind noch einige Bilder von Farbscheiben im Stillstand und bei schneller
Rotationsbewegung angeführt:
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Wenn man bei der Vereinigung der Farben des Spektrums eine oder mehrere Farben des
Spektrums weglässt, so erhält man im allgemeinen kein weißes Licht. (siehe letzten beiden
Fotos) Wird aus dem Spektrum des Lichts eine ganz bestimmte Farbe herausgenommen, so
ergibt die Vereinigung des übrigen Lichtes eine ganz bestimmte Mischfarbe. Diese ergibt
zusammen mit dem ausgeblendeten Licht wieder weißes Licht. Die Farben zweier Lichter, die
zusammen weißes Licht ergeben, nennt man Ergänzungs- oder Komplementärfarben.
Aus dem Alltag: Wegen der Farbzerlegung des Lichts erscheinen Gegenstände bei der
Abbildung durch Linsen oft farbig umsäumt. Diese Farbabweichung kann durch die
Kombination von Linsen aus verschiedenen Glassorten behoben werden. Farbkorrigierte
Linsensysteme heißen achromatisch. Gute Photoapparate und Fernrohre sind mit solchen
Systemen ausgestattet.
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5.3. Versuch: Additive Farbmischung
Es wurden zwei Versuche zur additiven Farbmischung durchgeführt, die alle an dieser Stelle
besprochen werden. Die didaktische Aufbereitung erfolgt gesammelt am Ende der beiden
Versuche.
5.3.1. Additive Farbmischung mit dem Gerätesatz 46616 von Leybold
Die additive Farbmischung durch Überlagerung einzelner Farben wird gezeigt. Die
Entstehung eines Farbbildes aus den Grundfarben Rot, Grün und Blau wird demonstriert.
Geräte:
1 Overheadprojektor
1 Gerät zur additiven Farbmischung 46616
Stativmaterial
Projektionswand
Aufbau:
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Hinweise zum Aufbau:
1. Versuchsanordnung gemäß Bild aufbauen.
Das Spiegelsystem ist derart an der Stativstange anzubringen, dass sich der einzelne Spiegel
über den beiden nebeneinander liegenden Spiegeln befindet. Die Platte zur additiven
Farbmischung wird so am Projektor aufgelegt, dass die einzelne Farbe (siehe Bild) vom
Spiegelsystem abgekehrt ist.
2. Die beiden justierbaren Spiegel werden zunächst so eingestellt, dass am Projektionsschirm
drei getrennte Farbkreise entstehen.
Versuchsdurchführung:
1.Spiegel durch Drehen an den Stellschrauben so einstellen, dass nacheinander 3 sich
teilweise überdeckende Farbkreise am Projektionsschirm zu sehen sind. Mischfarben
beobachten.
2.Herstellung eines farbigen Bildes aus 3 Teilbildern. Die beiden justierbaren Spiegel mit den
Stellschrauben zunächst so einstellen, dass am Projektionsschirm zunächst drei getrennte
Farbkreise zu sehen sind. Bedruckte Acrylglasplatte so auf den Auflagerahmen legen, dass die
beiden Pfeilspitzen auf Platte und Rahmen übereinander zu liegen kommen. Die beiden
Spiegel hintereinander durch Drehen an den Stellschrauben so einstellen, dass die von ihnen
reflektierten Farbkreise vollständig mit dem grünen Farbkreis zur Deckung gebracht werden.
Farbbild beobachten.
Versuchsergebnisse:
1.Bei Überlagerung einzelner Farben auf dem Projektionsschirm kommt es zur additiven
Farbmischung:
Rot und Grün ergeben Gelb
Grün und Blau ergeben Blaugrün
Blau und Rot ergeben Purpur
Rot, Grün und Blau
ergeben Weiß
Komplementärfarben ergeben additiv gemischt Weiß:
Rot und Blaugrün
Grün und Purpur
Blau und Gelb.
2. Durch Überlagerung in den Grundfarben Rot, Blau und Grün entsteht durch additive
Farbmischung ein mehrfarbiges Bild mit insgesamt 8 Farben:
Grundfarben: Rot, Blau, Grün
Mischfarben: Gelb, Purpur, Blaugrün, Weiß, Schwarz.
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Ergebnisse des ersten Teilversuchs:
Aufbau:
Bild an Projektionswand:
Beim Ergebnis ist besonders schön die Farbe Purpur zu erkennen. Auch die Mischung von
Rot und Grün zu Gelb ist zu sehen. Die Mischung aller drei Farben zu weiß ist leider von der
Mischung von Blau und Grün zu Blaugrün nur schwer zu unterscheiden.
Ergebnisse des zweiten Teilversuchs:
Aufbau:
Bild an der Projektionswand:
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5.3.2. Additive Farbmischung mit Hilfe von Glühbirnen
Dieser Versuch dient zur Demonstration der additiven Farbmischung mittels auf einem Stativ
befestigter Glühbirnen in den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau.
Geräte:
Stativmaterial
Fassungen für 40W Glühbirnen
1 Glühbirne 40W rot
1 Glühbirne 40W grün
1 Glühbirne 40W blau
Transparentpapier
Versuchsaufbau:
Die Fassungen der Glühbirnen werden so an den Stativstangen befestigt, dass sie die
Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks mit einer Seitenlänge von ca. 70 cm bilden. Die
Lampen werden nicht parallel ausgerichtet, sondern etwas zueinander gerichtet. Über einen
Schalter kann jede Lampe einzeln ein- und ausgeschaltet werden.
Versuchsdurchführung:
Die Versuchsanordnung aufbauen. In ca. 5m Entfernung betrachtet man bei abgedunkeltem
Raum die Überlappung der einzelnen Lichtkegel durch ein Transparentpapier, welches man
von hinten betrachtet. Alle möglichen Farbkombinationen der Lampen werden eingeschaltet.
Je nach Wahl der Farbkombinationen der Lampen erscheinen verschiedenfärbige bzw.
verschieden viele Kreise die sich überlappen. Will man die Farben eindeutig abgrenzen und
soll die Farbe außerhalb der Kreise schwarz sein kann der Versuch durchgeführt werden
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indem man zwischen Transparentpapier und Lampe einen Karton mit kreisrunder Öffnung
gibt.
Dabei sollten folgende Beobachtungen gemacht werden:
Die Farbe der Überlappungsbereiche entsteht durch additive Farbmischung.
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Didaktische Aufbereitung:
Der Farbkreis:
Die obige Abbildung zeigt einen Farbkreis. Er enthält sechs Farben, die in der gleichen
Reihenfolge wie im Spektrum des weißen Lichts angeordnet sind. Die Verbindungsfarbe
zwischen dem Anfang und dem ende des Spektrums bildet das Purpur, eine Mischfarbe aus
rotem und blauem Licht. Purpur selbst ist im Spektrum nicht enthalten. Lichter von Farben,
die einander im Farbkreis gegenüber liegen, ergeben zusammen die Farbempfindung Weiß.
Jede einzelne Farbe lässt sich aus den lichtern der benachbarten Farben zusammensetzen.
Helmholtz und Maxwell wiesen nach, dass alle Farbempfindungen durch Mischung von nur
drei farbigen Lichtern (Grundlichtern) in unserem Auge hervorgerufen werden können. Als
Grundlichter wurden von ihnen ROT, GRÜN; BLAU (RGB) angegeben. Im Farbkreis liegen
diese Farben an den Eckpunkten des gleichseitigen Dreiecks.
Dort wo rotes und grünes Licht zugleich auftrifft, entsteht für unser Auge gelbes Licht.
Entsprechend ergibt rotes und blaues Licht im Auge die Farbmischung Purpur; grünes und
blaues Licht ergibt im Auge Blaugrün. Alle drei Grundlichter zusammen erscheinen uns als
weißes Licht.
Ändert man die Intensität der einzelnen Farben, erhält man andere Mischfarben. Auf diese
Weise lassen sich alle Farbempfindungen in unserem Auge erzeugen. Da unser Auge die
Grundlichter zu neuen Farben zusammensetzt sprechen wir von additiver Farbmischung.
Auch die im vorigen versuch gemachte Zusammensetzung der Spektralfarben zu weißem
Licht entspricht additiver Farbmischung.
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5.4. Subtraktive Farbmischung
Es wurden zwei Versuche zur subtraktiven Farbmischung durchgeführt, die alle an dieser
Stelle besprochen werden. Die didaktische Aufbereitung erfolgt gesammelt am Ende der
beiden Versuche.
5.4.1. Subtraktive Farbmischung mit dem Gerätesatz 46615 von Leybold
Die Subtraktive Farbmischung durch Ausfiltern einzelner Farben wird gezeigt.
Geräte:
Gerät zur subtraktiven Farbmischung (Leybold 46615)
Overheadprojektor
Projektionswand
Versuchsaufbau:
Hinweise zum Versuchsaufbau:
Der Auflagerahmen des Gerätes für subtraktive Farbmischung wird auf den
Overheadprojektor gelegt. Die Farbkreise werden auf der Projektionswand scharf abgebildet.
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Versuchsdurchführung:
Nach Scharfeinstellung Projektionsbild (3Kreise, die einander teilweise überdecken) am
Projektionsschirm beobachten.
Versuchsergebnis:
Die einzelnen Filter absorbieren bestimmte Farbanteile des weißen Lichtes, sodass auf dem
Schirm Mischfarben sichtbar werden. Die drei Grundfarben (RGB) ergeben durch subtraktive
Farbmischung schwarz.
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5.4.2. Subtraktive Farbmischung mit Hilfe von Glühbirnen
Dieser Versuch dient zur Demonstration der subtraktiven Farbmischung mittels auf einem
Stativ befestigter Glühbirnen in den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau.
Geräte und Aufbau: siehe oben
Versuchsdurchführung:
In ca. 5m Entfernung vom Versuchsaufbau betrachtet man bei abgedunkeltem Raum die
Abbildung des Schattens einer Zündholzschachtel, eines Fingers oder der ganzen Hand durch
ein Transparentpapier. Die Hand befindet sich also zwischen Lampen und Transparentpapier.
Beobachtung: Je nach Wahl der Farbkombination der Lampen erscheinen verschieden viele
und verschiedenfärbige Schatten, die sich überlappen.
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Erklärung:
Ist nur eine Lampe eingeschaltet, so ergibt sich nur ein Schatten der schwarz erscheint. Der
Rest ist entsprechend der Lampenfarbe. Der Schatten stellt jenen Bereich dar, der von der
betreffenden Lampe nicht ausgeleuchtet wird.
Sind zwei Lampen eingeschaltet, so ergeben sich zwei farbige Umrisse der Zündholzschachtel
oder des Fingers, die je nach Abstand des Gegenstands von der Lichtquelle überlappen
können. Der Schatten im Überlappungsbereich ist schwarz.
Sind alle drei Lampen eingeschalten, so ergeben sich drei Umrisse, die sich überlappen. Der
Bereich, der von allen drei Lampen ausgeleuchtet wird erscheint weiß. Da sich die drei
Grundfarben hier vereinigen.
In den Bereichen, die von einer oder mehreren Lampen nicht ausgeleuchtet wird, ergibt sich
die Farbe aus subtraktiver Farbmischung, also durch Ausfilterung eben dieser einer oder
mehrerer Grundfarben. Der Überlappungsbereich aller Umrisse bleibt nach wie vor schwarz.
Einige Fotos zur Dokumentation:
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Didaktische Aufbereitung:
Bestimmte Farbeindrücke können durch Farbfilterung erreicht werden. Bei der subtraktiven
Farbmischung kann man mit den Farbfiltern Purpur, Gelb und Blaugrün die
Farbempfindungen Rot, Grün, Blau und Schwarz hervorrufen.
Prinzip der subtraktiven Farbmischung:
Weißes licht kann als Mischfarbe der Farben des Farbkreises aufgefasst werden. Man erkennt,
dass die verwendeten Filter außer ihrer Farbe auch die im Farbkreis benachbarten Farben
durchlassen. Hingegen werden die Komplementärfarben absorbiert. Die durchgelassenen
Farben ergeben als Mischfarbe die Farbe des Filters.
Durch Verwendung von geeigneten Filtern kann man ebenfalls alle Farbempfindungen
hervorrufen. Dabei wird von den Filtern ein bestimmter Teil des Spektrums physikalisch
absorbiert (subtrahiert). Man spricht daher von subtraktiver Farbmischung. Die Mischfarbe ist
die Komplementärfarbe zum absorbierten Teil des Spektrums.
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6. Zusatzinformation Farbenblindheit
Unter Farbenblindheit verstehen wir eine Störung der Farbwahrnehmung beim Menschen.
Sie tritt vor allem bei Männern auf. Diese Form der Fehlsichtigkeit ist entweder angeboren
oder erworben, z. B. durch Augenkrankheiten, Vergiftungen oder Schädigungen der
Sehnerven. Erste Beschreibungen dieser Erkrankung stammen von dem britischen Chemiker
John Dalton, der selber farbenblind war. Bei völliger Farbenblindheit werden alle Farbtöne
– wie beim Sehen in der Dämmerung – als unterschiedliche Grauabstufungen
wahrgenommen. Sie ist angeboren, tritt allerdings sehr selten auf. Bei der teilweisen
Farbenblindheit, kann jeweils eine der drei Farbkomponenten nicht wahrgenommen werden.
So können einige Menschen nicht zwischen Rot und Grün unterscheiden, sehen diese
Farben also nur in unterschiedlichen Grauabstufungen. In seltenen Fällen ist die Blau-GelbEmpfindung gestört. Dies ist die häufigste Form der Farbenblindheit. Ungefähr sieben
Prozent der Männer und weniger als ein Prozent der Frauen leiden daran. Teilweise
Farbenblindheit wird geschlechtsgebunden vererbt.
Abgesehen von dem Fehlen des Farbensinnes ist das Sehvermögen normal. Farbenblinde
können im Allgemeinen lernen, bestimmte Farben unterschiedlichen Helligkeitswahrnehmungen zuzuordnen. Daher sind sich viele der Betroffenen ihrer Farbenblindheit
nicht bewusst. Die Erkrankung kann durch Sehtests diagnostiziert werden. Man verwendet
so genannte Tafeln, auf denen Zahlen oder Buchstaben dargestellt sind, die aus Punkten
unterschiedlicher Farbe und Helligkeit bestehen.
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