Farbenlehre mit Lasern, Gummibärchen und Regenbögen Teach article

Author(s): Rute C. Félix, David Paleček, Teresa M. Correia
Translator(s): Jenny Kretzschmar

Bringe Licht in die Physik der Farben: Erschaffe und kombiniere Regenbögen und erkunde wie Farben mittels Reflektion, Absorption und Transmission entstehen.

Einleitung

In diesem Artikel präsentieren wir drei Aktivitäten, die helfen Schüler*innen mit dem Konzept der Farbenlehre vertraut zu machen: Wie interagiert Licht mit Objekten und warum erscheinen Farben wie wir sie sehen?

In der ersten Aufgabe werden die Schüler*innen einen Regenbogen mittels Lichtbrechung (Refraktion) generieren. Die zweite Aufgabe demonstriert den umgekehrten Prozess: Wie können wir alle sieben Spektralfarben kombinieren, um weißes Licht zu erschaffen. Die dritte Aufgabe ermöglicht es den Schüler*innen zu erkunden, wie Licht mit farbigen Objekten interagiert. Dieses Wissen hilft wichtige Prozesse in der Natur, Wissenschaft und Medizin zu verstehen. Grüne Blätter eines Baumes zum Beispiel erscheinen Grün, weil Chlorophyll die orange-roten und violet-blauen Bestandteile des Lichtes für die Fotosynthese absorbiert, während das grüne Licht reflektiert wird. Blut verändert seine Farbe je nach dem wie viel Sauerstoff es gebunden hat. Diese kaum wahrnehmbare Farbveränderung kann von Geräten wie dem Pulsoximeter erkannt werden, die routinemäßig im Krankenhaus genutzt werden, um zu bestimmen wie viel Sauerstoff sich im Blut befindet.[1]

Aktivität 1: Kreiere deinen eigenen Regenbogen

Isaac Newton entdeckte, dass man weißes Licht mit Hilfe eines Primas in ein Spektrum von Farben unterschiedlicher Wellenlängen aufbrechen kann. Gleiches kann auch beobachtet werden, wenn Sonnenlicht auf Regentropfen trifft und die somit generierte Streuung des Lichtes einen Regenbogen erschafft.

Newtons Entdeckung schuf die Grundlage für unser Verständnis der Lichtbrechung. Immer wenn Licht in einem Winkel von einem Material (z.B. Luft) in ein anderes Material (z.B. Glas oder Wasser) gelangt, ändert dieses seine Richtung. Dieses Phänomen nennt man Lichtbrechung und Richtungsänderung des Lichtes kann durch das Snelliussche Brechungsgesetz beschrieben werden. Der Brechungsindex (n) ist abhängig vom Material sowie der Farbe (Wellenlänge) des Lichtes. Daher wird jede Farbe des Lichtes in einem leicht unterschiedlichen Winkel gebrochen. Licht mit einer kurzen Wellenlänge (z.B Magenta und Blau) wird in einem stärkeren Winkel gebrochen als Licht längerer Wellenlängen (z.B. Gelb und Rot).

Snelliussches Brechungsgesetz

Das Snelliussche Brechungsgesetz besagt, dass Licht, welches von einem Medium n1 in einem Winkel α1 (Einfallswinkel) in ein zweites Medium n2 eintritt, in einem Brechungswinkel α2 aus der Grenzfläche austritt. Die Formel des Brechungsgesetzes lautet:

Dies bedeutet, dass Licht, welches in ein Medium mit einem höheren Wert für n eintritt, stärker in Richtung des Lots der Grenzfläche gebrochen wird. Im Gegensatz dazu wird Licht weiter vom Lot der Grenzfläche weggebrochen, wenn dieses in ein Medium mit niedrigerem n eintritt.

Der Brechungsindex n bestimmt die Geschwindigkeit des Lichtes in dem jeweiligen Medium. Die Geschwindigkeit des Lichtes v wird berechnet durch:

Hierbei ist c die Geschwindigkeit des Lichtes im Vacuum (n=1). Somit ist das Snelliussche Brechungsgesetz ebenfalls eine Konsequenz des Fermatschen Prinzips, wonach Licht zwischen zwei Punkten immer den zeitlich kürzesten Weg zurücklegt.

Für die folgenden Versuche empfehlen wir eine viereckige, transparente, mit Wasser gefüllte Plastikbox als Prisma zu nutzen. Dies erlaubt die Durchführung des Versuches, auch wenn ein Glasprisma nicht zur Verfügung steht.

Die Wände der Plastikbox stellen zwar eine zusätzliche Grenzfläche dar, an der das Licht gebrochen wird, da die Brechungsindices von Plastik und Wasser jedoch sehr ähnlich sind, kann diese zusätzliche Brechung bei einem ausreichend großen Volumen an Wasser vernachlässigt werden. Die Ausrichtung der Lichtquelle im Verhältnis zum Wassercontainer kann herausfordernd sein. Dies liegt am limitierten Winkel, der getroffen werden muss, um das Licht effizient in seine Spektralfarben aufzuspalten. Dies kann jedoch genutzt werden, um das Prinzip der Totalreflektion zu demonstrieren. Bei einem größeren Einfallswinkel wird blaues Licht nicht aus dem Wassercontainer gebrochen, sondern wird an der Container/Luft-Grenzfläche reflektiert.

Diese Arbeitsaufgabe ist geeignet für Schüler*innen im Alter von 11-14 Jahren (oder jünger) und dauert ungefähr 30-60 Minuten.

Material

  • Weißes DIN-A4-Blatt Papier
  • Pappkarton
  • Eine weiße Lichtquelle (z.B. die Taschenlampe eines Mobiltelefons)
  • Schere
  • Einen rechteckigen Plastik- oder Glasbehälter
  • Wasser
  • Farbiges Transparentpapier

Durchführung

  1. Schneide einen 1-2 mm weiten und 5 cm langen Schlitz in den Pappkarton. Für Schritt 7b wird ein weiterer Schlitz mit einer Weite von 5 mm benötigt. Dieser kann in ein separates Stück Pappe geschnitten werden. In Abbildung 1 wurde das gleiche Stück Pappe für beide Schlitze verwendet.
  2. Fülle den Plastikcontainer mit Wasser. Dieser fungiert als Alternative für die Verwendung eines Glasprimas.
  3. Platziere die Lichtquelle, den Schlitz und das Prisma in einer Reihe, sodass das Licht durch die zwei benachbarten Wände des mit Wasser gefüllten Containers fällt (siehe Abb. 1).
  4. Platziere ein weißes Blatt Papier an die Stelle, wo der Lichtpfad das Prisma verlässt, um den Regenbogen sichtbar zu machen. Lehne das Blatt Papier gegen eine Wand, wenn nötig.
  5. Versuche die Position zu finden, an der der Regenborgen am besten zu sehen ist.
  6. Frage die Schüler*innen warum das zunächst weiße Licht als Regenbogen sichtbar wird, nachdem es den Wasserbehälter durchquert. Diskutieren und erkläre die Ergebnisse.
  7. Verändere den Versuchsaufbau schrittweise und diskutiere mit den Schüler*innen, was passiert wenn:
    1. Der Schlitz entfernt wird. Frage die Schüler*innen, warum dieser benötigt wird
    2. Die Schlitzbreite verändert wird.
    3. Das Prisma rotiert wird.
  8. Verdecke die Hälfte des Schlitzes mit einem farbigen Transparentpapier (siehe Abbildung 1). Lass die Schüler*innen erklären, was sie sehen und warum sie nun eine veränderte Abbildung des Lichtes auf dem weißen Blatt Papier sehen.
Abbildung 1: Übersicht des Versuchsaufbaus. Das Licht einer weißen Lichtquelle (z.B. die Taschenlampe eines Handys), wird durch einen Schlitz geleitet, um einen gebündelten Strahl zu erzeugen. Die Wände des mit Wasser gefüllten Plastik-Containers fungieren als Prisma, wodurch das Licht der Taschenlampe in die Spektralfarben aufgespalten wird. Dieses wird auf eine weiße Leinwand projiziert.
Mit freundlicher Genehmigung der Autoren

Zu erwartende Ergebnisse und Diskussion

Wenn das weiße Licht durch den Schlitz und anschließend durch das Prisma tritt, wird ein Farbenspektrum auf der weißen Projektionsfläche sichtbar. Der Schlitz hilft dabei die Separation der einzelnen Farben des Regenbogens zu verstärken. Jeder einzelne Punkt des Schlitzes fungiert als kleine Lichtquelle, resultierend in einem lateral verschobenen Regenbogen. Ist der Schlitz zu breit, überlappen sich die einzelnen Regenbögen und erzeugen ein verschwommenes Bild. Ein zu dünner Schlitz jedoch verringert den Kontrast des Regenbogens. Hierbei muss also ein guter Kompromiss in der Dicke des Schlitzes gefunden werden. Wird der Einfallswinkel der Lichtquelle vergrößert, vergrößert sich auch die Separation der einzelnen Farben. Wird die Distanz des Prismas zur Projektionsfläche vergrößert, verbessert sich die Separation der Farben, die Intensität verringert sich jedoch.

Eine vereinfachte Simulation des Spektrometers ist auf folgender Internetseite zu finden: http://palec.eu.pythonanywhere.com/demo/009.

Aktivität 2: Lasse einen Regenbogen verschwinden

In dieser Aufgabe basteln Schüler*innen eine Farbscheibe nach Newton. Diese demonstriert auf simple Art und Weise das Phänomen der additiven Farbmischung.

Die Newtonsche Farbscheibe besteht aus einem runden Stück Pappe oder Papier, welches in sieben kolorierte Segmente unterteilt ist. Diese sind in der Reihenfolge der Farben eines Regenbogens angeordnet, welche bei Drehung der Scheibe zu einem weißen Farbeindruck verschmelzen. Dieser Versuch bietet eine gute Gelegenheit den Schüler*innen den Zusammenhang zwischen der Farbe Weiß und den einzelnen Farben des Regenbogens näher zu bringen.

Diese Aktivität eignet sich für Schüler*innen im Alter von 11-14 Jahren (oder jünger) und dauert ungefähr 1-1,5 Stunden.

Material

  • Weißes DIN-A4-Blatt Papier
  • Buntstifte
  • Schere
  • DIN A4 Pappe
  • Bindfaden

Durchführung

Bitte die Schüler*innen der untenstehenden Anleitung zu folgen oder nutzt das Arbeitsblatt “Aktivität 2”.

  1. Male einen Kreis auf ein weißes DIN-A4-Blatt und unterteile diesen in sieben gleiche Teile.
  2. Male die einzelnen Segmente der Scheibe mit den Farben des Regenbogens aus. Befolge dabei die folgende Reihenfolge der Farben: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violet.
  3. Klebe den bemalten Kreis auf ein Stück Pappe und schneide die Scheibe mit Hilfe einer Schere aus.
  4. Stanze zwei Löcher in die Nähe des Zentrums der Scheibe, die ca. 1cm voneinander entfernt sind.
  5. Fädle ein Stück Faden durch die Löcher und binde die Enden zusammen.
  6. Halte die entgegengesetzten Enden der Fadenschleife in deinen Fingern und drehe die Scheibe mehrere Male um den Faden, bis der Faden gründlich verdreht ist (Abbildung 2).
  7. Ziehe deine Hände auseinander und schaue dabei zu, wie sich die Scheibe dreht.
Eine Person hält die Newtonsche Farbscheibe an den Bindfäden fest.
Abbildung 2: Die ineinander verdrehten Bindfäden vor dem Drehen der Scheibe.
Mit freundlicher Genehmigung von Tamaryin Godinho

Zu erwartende Ergebnisse und Diskussion

Bei schneller Drehung der Farbscheibe erscheint es, als würden sich die einzelnen Farben vermischen und es entsteht ein weißer oder leicht grauer Farbeindruck (Abbildung 3). Dieses Phänomen der Newtonschen Farbscheibe entsteht durch die Art und Weise, wie unsere Augen und unser Gehirn Farbinformationen verarbeiten. Bei schneller Drehung der Farbscheibe erreicht die Information über einzelne Farben auf der Scheibe unsere Augen in zu hoher Geschwindigkeit, um einzelne Farbeindrücke noch unterscheiden zu können. Unser Gehirn nimmt diese Kombination aus den verschiedenen Farben der Farbscheibe dann als Weiß wahr. Genaugenommen mischen sich die eigentlichen Farben also nicht, sondern nur die Wahrnehmung der einzelnen Farben in unserem Auge verschmilzt und wir sehen diese als Weiß. Dieser faszinierende Effekt der Newtonschen Farbscheibe wird die Schüler*innen überraschen, als hätten sie soeben einen Zaubertrick gesehen!

Eine Person hält die sich drehende Newtonsche Farbscheibe an ihren Bindfäden.
Abbildung 3: Durch Erhöhen der Drehgeschwindigkeit der Newtonschen Farbscheide scheinen sich Farben zu vermischen und ein weißer Farbeindruck entsteht.
Mit freundlicher Genehmigung von Maria Paola Pisano

Aktivität 3: Laser und Gummibärchen

Während dieser Aktivität lernen die Schüler*innen, dass die Farbe eines Objektes davon bestimmt wird, wie dieses mit Licht interagiert. Objekte reflektieren oder lassen dieses durch (Transmission). Somit enthält die wahrgenommene Farbe ebenso Informationen über die Eigenschaften des Objektes selbst. Diese Aktivität lässt Schüler*innen wissenschaftliche Prinzipien unter zur Hilfenahme von Gummibärchen verstehen. Dies macht den Versuch nicht nur schmackhaft, sondern auch unvergesslich.

Abbildung 4: Genutzte Materialien in Aktivität 3: Taschenlampe (weißes Licht), rote und grüne Laserpointer, rote und grüne Gummibärchen und zweifarbige Gummitiere. Die Gummibärchen und weitere Süßigkeiten werden auf Glas-Objektträger platziert und mit Hilfe von Lego Bausteinen stabilisiert.
Mit freundlicher Genehmigung der Autoren

Diese Aktivität ist geeignet für Schüler*innen im Alter von 11-14 Jahren (oder jünger) und dauert ca. 1-1.5 Stunden.

Sicherheitshinweise

Diese Aktivität ist unter Beachtung folgender Hinweise sicher in der Durchführung:

  1. Ausschließlich Laser der Laserklasse 2 sollten genutzt werden. Diese haben eine Laserpower von weniger als 1mW und emittieren Licht im sichtbaren Spektrum. Diese Laser der Klasse 2 verursachen keinerlei Schäden, solange nicht direkt in das Licht geschaut wird.
  2. Die Laser sollten ausschließlich von den Lehrpersonen bedient werden und nicht direkt auf Personen gerichtet werden.
  3. Der natürliche Lidschlussreflex sowie das Abwenden des Blickes verhindert Schädigung des Auges.
  4. Priorisiere jederzeit die Sicherheit aller Beteiligten. Die Laser sollten von einem rechtmäßigen und zertifizierten Händler bezogen werden. Bei Zweifeln bezüglich der Herkunft des Produktes sollte davon ausgegangen werden, dass dieses nicht der angegeben Laserklasse entspricht und gefährlicher ist als angeben.
  5. Benutze glatte Gummibärchen, um Reflektionen des Lasers an Zuckerkristallen zu verhindern.

Die Schüler*innen sollten die in den Versuchen genutzten Gummibärchen nicht essen. Es bietet sich aber an ein paar zusätzliche Packungen Gummibärchen für die Schüler*innen bereit zu halten.

Material

  • Rote und grüne Gummibärchen, sowie andere Gummitierchen in verschiedenen Formen und Farben (z.B. zweifarbige Gummitierchen)
  • Roter Laser
  • Grüner Laser
  • Taschenlampe (weißes Licht)
  • Lego-Steine
  • Glas-Objektträger

Versuchsablauf

  1. Platziere vier oder mehr rote Gummibärchen nebeneinander auf einen Glas-Objektträger, welcher mit Hilfe kleiner Lego-Steine mit etwas Abstand oberhalb des Tisches platziert ist (Abbildung 4). Wiederhole das Gleiche mit grünen und durchsichtigen Gummibärchen.
  2. Platziere ein zweifarbiges Gummitierchen (z.B. Kirschen mit Rot und Grün) auf einen Objektträger. Tue das Gleiche auch für Gummitiere mit anderen Farbkombinationen, z.B. Gelb und Rot.
  3. Scheine weißes Licht von oben auf die grünen Gummibärchen (Abbildung 5). Lasse die Schüler*innen die Farbe des Schattens beschreiben und erklären.
  4. Wiederhole den Versuch mit den roten Gummibärchen, sowie weiteren vorhandenen Farben.
  5. Frage die Schüler*innen, was sie erwarten zu beobachten, wenn der grüne Laser seitlich auf die grünen Gummibärchen gerichtet wird. Zeige den Schüler*innen anschließend was passiert, wenn der grüne Laser auf die grünen Gummibärchen gerichtet wird (Abbildung 6).
  6. Wiederhole den Versuch beschrieben in Schritt 5 mit einem grünen Laser und roten Gummibärchen.
  7. Wiederhole Schritt 5 und 6 mit einem roten Laser.
  8. Scheine den grünen Laser von oben auf die verschiedenen Regionen der mehrfarbigen Gummitiere aus Schritt 2 (Abbildung 7). Lasse die Schüler*innen erklären, was sie beobachten.
  9. Wiederhole Schritt 8 mit dem roten Laser.

Zu erwartende Ergebnisse

Wird weißes Licht auf die grünen Gummibärchen geschienen, erscheint eine Silhouette oder Schatten unter jedem dieser Gummibärchen. Dieser Schatten erscheint in der Farbe des Gummibärchens. So erscheint der Schatten des roten Gummibärchens rot, da nur rotes Licht transmittiert wird, während alle anderen Farben (Wellenlängen) absorbiert werden.

Zwei Gummibärchen sind zwischen Legosteinen platziert und werden mit weißem Licht beschienen. Dies resultiert in der Erscheinung zweier Schatten.
Abbildung 5: Schatten roter und gelber Gummibärchen wenn sie mit weißem Licht beschienen werden.
Mit freundlicher Genehmigung der Autoren

Wird ein grüner Laser auf die grünen Gummibärchen geschienen, so wird dieses Licht durchgelassen. Im Gegensatz dazu absorbieren rote Gummibärchen alle Farben (Wellenlängen) außer Rot. Bei Verwendung eines roten Lasers trifft genau das Gegenteil zu.

Abbildung 6: Grünes Licht scheint durch die grünen Gummibärchen hindurch und bringt somit sogar die hinteren Bärchen zum Scheinen. Im Gegensatz dazu wird das Licht von den roten Gummibärchen absorbiert, wodurch nahezu kein Licht bis zu den hinteren Bärchen durchdringt. Umgekehrt scheint rotes Licht durch die roten Gummibärchen hindurch, nicht aber durch die Grünen.
Mit freundlicher Genehmigung der Autoren

Wird ein grüner Laser auf gleichfarbige Gummibärchen gerichtet, leuchten diese hell in grün auf. Die Gummibärchen haben eine gewisse Durchlässigkeit, zerstreuen das Licht jedoch auch. Dies trdultiert darin, dass das Licht in verschiedene Richtungen innerhalb des Gummibärchens abgeleitet wird, statt gerade durch diese hindurchzuscheinen. Dies führt zu dem Eindruck eines glühenden Gummibärchens.

Abbildung 7: Wird der grüne Laser auf den grünen Anteil des zweifarbigen Gummibärchens gerichtet, breitet sich das Licht in dem Gummibärchen aus und ein Aufleuchten kann beobachtet werden. Wird dieser jedoch auf den roten Anteil gerichtet, wird das Licht absorbiert und kein Leuchten kann beobachtet werden. Das Gegenteil hiervon wird bei Verwendung des roten Lasers beobachtet.
Mit freundlicher Genehmigung der Autoren

Es ist wichtig zu bedenken, dass Gummibärchen nicht vollkommen transparent sind, was dazu führt, dass auch Gummibärchen mit derselben Farbe wie das eintreffende Licht Teile davon absorbieren. Zudem wird die Farbe der Gummibärchen in der Regel durch die Verwendung und Vermischung von Nahrungsmittelfarben erreicht. Zum Beispiel wird die grüne Farbe mancher Gummitierchen durch das Mischen von Tartrazin (gelb), Brillantblau (blau) und Erdbeerfarbstoff (rot) erreicht. Dies macht diese Art von Gummibärchen suboptimal für die Verwendung als Grünlichtfilter.

Zusammenfassung

Unter der Verwendung von Alltagsgegenständen bringen diese simplen und interaktiven Versuche den Schüler*innen die unterschiedlichen Arten der Interaktion von Licht mit Objekten bei. Schüler*innen lernen die Prinzipien von Absorption, Reflektion, Lichtbrechung und Transmission (Lichtdurchlässigkeit). Auch wenn die Verwendung von Gummibärchen nicht als ideales Model für die Demonstration von Transmission und Absorption geeignet ist (wie die traditionelle Verwendung von transparenten Farbfolien), so bieten sie eine zugängliche und einprägsame Alternative zu den gewohnten experimentellen Aufbauten. Die leichten Abweichungen des Verhaltens von Licht, wenn dieses auf die Gummibärchen trifft, im Vergleich zu Lehrbuchtexten bietet zudem eine gute Gelegenheit, um zu diskutieren, wie viele unterschiedliche Faktoren das Verhalten von Licht und unsere Wahrnehmung beeinflussen. Die gelernten Lehrinhalte finden praktische Anwendung in verschiedenen Bereichen der Wissenschaften, fördern kritisches Denken und wecken Interesse an der Welt der Wissenschaft.

Acknowledgments

TMC erhielt Förderung von der “la Caixa” Fundation und FCT, I.P., unter dem Projektcode LCF/PR/HR22/00533; dem European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programm unter dem Marie Skłodowska-Curie Grant Agreement Nr. 867450 und vom European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme unter der Grant Agreement Nr. 871124.

RCF wird gefördert vom FCT (“Norma Transitória” – DL57/2016/CP1361/CT0020). TMC, RCF und DP erhielten Förderung von der Fundation for Science and Technology (Projekte UIDB/04326/2020, UIDP/04326/2020, und LA/P/0101/2020.

References

[1] Chan ED, Chan MM, Chan MM (2013) Pulse oximetry: understanding its basic principles facilitates appreciation of its limitations. Respiratory Medicine 107: 789–799. doi: 10.1016/j.rmed.2013.02.004

Resources

Cutting-edge science: related EIROforum research

Europäisches Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL)

Eine innovative Methode namens Light-Seq revolutioniert die Möglichkeit für Forschende, biologische Gewebe zu untersuchen. Diese Methode kombiniert nahtlos bildgebende Verfahren mit Sequenzierung, was es ermöglicht die Genexpression von spezifischen Zellen zu untersuchen, ohne diese zu schädigen, was subsequente Untersuchungen zulässt. Diese Methode wurde erfolgreich genutzt, um seltene neuronale Zelltypen zu studieren und ebnet den Weg für eine vielversprechende neue Ära der Untersuchung von Genexpressionsmustern auf sub-zellulärer Ebene.

Europäische Südsternwarte (ESO)

Licht ist für Astronomen die primäre Informationsquelle, um mehr über das Universum zu lernen. Die Mysterien der Evolution von Galaxien können durch das Beobachten dieser in verschiedenen Farben durch Teleskope und Kameras entschlüsselt werden. In diesem ESO Blog-Beitrag kannst du mehr über die Ursprünge von Licht in Galaxien erfahren. Wir erklären auch, wie die Studie von Licht das Erforschen von Galaxien ermöglicht und was nötig ist, um die uns bekannten, faszinierenden Aufnahmen von gigantischen Sterneninseln im Universum zu erzeugen.

Author(s)

Rute C. Félix (PhD in Biomedizischer Wissenschaft vom NOVA Institute of Hygiene and Topical Medicine, Portugal), David Paleček (PhD in Physikalischer Chemie von der Lund Universität) und Teresa M. Correia (PhD in Medizinischer Physik vom University College London, UK) sind Senior-Wissenschaftler am Centre for Marine Science Algarve und Quantitative Bio-Imaging Lab, Portugal. Sie nutzen biologische Bildgebung, inklusive verschiedener Lichtmikroskopie-Techniken, für eine Vielzahl an Anwendungen, wie zum Beispiel Kardiologie, Onkologie und Meeresforschung.

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