Versuchsanleitung
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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. S. S. 1 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. 2 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. 3 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) 4 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. 5 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. 6 Im folgenden sind noch einige Bilder von Farbscheiben im Stillstand und bei schneller Rotationsbewegung angeführt: 7 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. 8 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: 9 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. 10 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: 11 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 12 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. 13 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. 14 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. 15 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. 16 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. 17 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: 18 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. 19 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. 20