Farben des Lichts - Physik

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, G-Niveau

Farben des Lichts - Physik

Einleitung

Licht macht unsere Umwelt sichtbar. Doch warum erscheint Sonnenlicht weiß, während ein Regenbogen viele Farben zeigt? Warum leuchtet ein Bildschirm mit nur roten, grünen und blauen Bildpunkten in fast allen Farben? In diesem aiMOOC untersuchst Du das sichtbare Licht, die Zerlegung von weißem Licht, die additive Farbmischung, Körperfarben, das Farbsehen und die Entstehung des Regenbogens.

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Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du erklären, wie Lichtfarben entstehen, warum ein Prisma weißes Licht zerlegt und wie Wellenlänge und Frequenz zusammenhängen. Du kannst additive Farbmischung beschreiben, Körperfarben deuten und die Farben eines Regenbogens physikalisch erklären.

Sichtbares Licht und Spektrum

Sichtbares Licht ist ein kleiner Bereich der elektromagnetischen Strahlung. Menschen nehmen ungefähr Wellenlängen zwischen 380 und 780 Nanometern wahr. Die genauen Grenzen sind nicht scharf, weil die Empfindlichkeit des Auges von Person zu Person etwas verschieden ist.

Die Farbe von nahezu einfarbigem Licht hängt mit seiner Wellenlänge zusammen. Violettes Licht besitzt kurze, rotes Licht lange Wellenlängen. Die Übergänge sind fließend.

Farbbereich	Ungefährer Wellenlängenbereich
Violett	380 bis 450 nm
Blau	450 bis 495 nm
Grün	495 bis 570 nm
Gelb	570 bis 590 nm
Orange	590 bis 620 nm
Rot	620 bis 780 nm

Wellenlänge und Frequenz

Im Vakuum gilt für Licht:

$c=\lambda \cdot f$

Dabei ist $c$ die Lichtgeschwindigkeit, $\lambda$ die Wellenlänge und $f$ die Frequenz. Mit $c\approx \mathrm{3,00}\cdot 10^8\mathrm{m}/\mathrm{s}$ folgt:

$f=\frac{c}{\lambda }$

Eine kurze Wellenlänge gehört deshalb zu einer hohen Frequenz. Violettes Licht hat eine höhere Frequenz als rotes Licht.

Weißes Licht und Spektralfarben

Weißes Licht ist keine einzelne Spektralfarbe. Der Eindruck Weiß kann entstehen, wenn viele Wellenlängen oder geeignete Lichtfarben gemeinsam auf das Auge treffen. Sonnenlicht besitzt ein breites Spektrum. Auch die Mischung von rotem, grünem und blauem Licht kann für das Auge weiß erscheinen.

Ein Prisma zerlegt weißes Licht in ein farbiges Band, das Spektrum genannt wird. Die einzelnen Farben werden verschieden stark gebrochen. Dies heißt Dispersion. Bei normaler Dispersion wird violettes Licht stärker abgelenkt als rotes Licht.

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Newtons Prismaexperiment

Isaac Newton zeigte im 17. Jahrhundert mit Prismen, dass die Farben bereits im weißen Licht enthalten sind. Er konnte das Spektrum mit einem weiteren optischen Aufbau wieder zu weißem Licht vereinigen. Damit widersprach er der damaligen Vorstellung, ein Prisma färbe das Licht erst ein.

Schulversuch: Licht am Prisma zerlegen

Du benötigst eine helle weiße Lichtquelle, einen schmalen Spalt, ein Glasprisma und eine weiße Projektionsfläche.

1. Richte einen schmalen Lichtstrahl auf das Prisma.
2. Drehe das Prisma langsam, bis auf der Projektionsfläche ein Spektrum erscheint.
3. Vergleiche die Ablenkung der roten und violetten Bereiche.
4. Verändere Abstand und Einfallsrichtung und dokumentiere Deine Beobachtungen.

Sicherheit: Blicke niemals direkt in die Sonne oder in einen Laserstrahl. Laser dürfen nur unter fachkundiger Aufsicht verwendet werden.

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Additive Farbmischung

Bei der additiven Farbmischung wird Licht überlagert. Die Grundfarben sind Rot, Grün und Blau. Sie werden als RGB-Farben bezeichnet.

Lichtmischung	Ergebnis
Rot und Grün	Gelb
Grün und Blau	Cyan
Blau und Rot	Magenta
Rot, Grün und Blau	Weiß
Kein Licht	Schwarz

Die Mischung heißt additiv, weil Lichtanteile hinzukommen. Je mehr geeignetes Licht das Auge erreicht, desto heller kann der Farbeindruck werden.

Farben auf Bildschirmen

Bildschirme erzeugen Farben mit sehr kleinen roten, grünen und blauen Teilflächen, den Subpixeln. Aus normalem Abstand kann das Auge sie nicht einzeln erkennen. Ihre Lichtanteile mischen sich zu einem gemeinsamen Farbeindruck.

Körperfarben

Ein Gegenstand besitzt nicht unabhängig vom Licht immer dieselbe sichtbare Farbe. Seine Farbe entsteht durch das Zusammenspiel von Beleuchtung, Material und Auge.

Ein roter Gegenstand erscheint bei weißer Beleuchtung rot, weil er rote Lichtanteile stark reflektiert oder streut und andere Anteile stärker absorbiert. Unter rein blauem Licht kann derselbe Gegenstand sehr dunkel wirken, weil kaum rotes Licht vorhanden ist, das er zurückwerfen könnte.

Bei durchsichtigen Stoffen spielt außerdem die Transmission eine Rolle. Ein Farbfilter lässt bestimmte Wellenlängen bevorzugt hindurch und absorbiert andere.

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Additiv und subtraktiv unterscheiden

Additive Farbmischung betrifft Lichtquellen wie Displays, Scheinwerfer und Projektoren. Ihre Grundfarben sind Rot, Grün und Blau.

Subtraktive Farbmischung betrifft häufig Pigmente, Druckfarben und Filter. Sie entziehen dem einfallenden Licht bestimmte Wellenlängen. Typische Grundfarben sind Cyan, Magenta und Gelb.

Wie das Auge Farben wahrnimmt

Auf der Netzhaut liegen lichtempfindliche Sinneszellen. Die Zapfen ermöglichen das Farbsehen bei ausreichender Helligkeit. Menschen mit gewöhnlichem dreifarbigem Sehen besitzen drei Zapfentypen mit überlappenden Empfindlichkeitsbereichen für kurze, mittlere und lange Wellenlängen. Das Gehirn vergleicht ihre Signale und erzeugt daraus einen Farbeindruck.

Die Stäbchen sind besonders lichtempfindlich, unterscheiden aber keine Farben. Deshalb wirkt die Umgebung in sehr schwachem Licht eher grau.

Farben sind damit sowohl physikalisch als auch biologisch: Licht besitzt ein messbares Spektrum, der wahrgenommene Farbeindruck entsteht jedoch erst durch Auge und Gehirn.

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Der Regenbogen

Ein Regenbogen entsteht, wenn Sonnenlicht in Regentropfen gebrochen, in seine Farben zerlegt, im Tropfen reflektiert und beim Austritt erneut gebrochen wird. Beim Hauptregenbogen liegt Rot außen und Violett innen.

Ein Nebenregenbogen entsteht durch zwei innere Reflexionen. Er ist schwächer, liegt weiter außen und zeigt die umgekehrte Farbreihenfolge.

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Merksätze

1. Spektrum: Weißes Licht kann aus vielen Wellenlängen bestehen und durch Dispersion zerlegt werden.
2. Wellenlänge: Rotes Licht ist langwelliger als violettes Licht.
3. Additive Farbmischung: Rot, Grün und Blau können zusammen den Eindruck Weiß erzeugen.
4. Körperfarbe: Die sichtbare Farbe hängt von Beleuchtung, Reflexion, Absorption und Transmission ab.
5. Farbsehen: Drei Zapfentypen und die Verarbeitung im Gehirn ermöglichen die menschliche Farbwahrnehmung.
6. Regenbogen: Brechung, Dispersion und innere Reflexion trennen das Sonnenlicht in Farben.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was geschieht mit weißem Licht in einem geeigneten Prisma? (Es wird in Spektralfarben zerlegt) (!Es verliert seine Geschwindigkeit vollständig) (!Es wird nur rot) (!Es verschwindet)

Welche sichtbare Farbe besitzt die kürzeste Wellenlänge? (Violett) (!Rot) (!Orange) (!Gelb)

Wie hängen Wellenlänge und Frequenz bei gleichbleibender Lichtgeschwindigkeit zusammen? (Eine kürzere Wellenlänge bedeutet eine höhere Frequenz) (!Eine kürzere Wellenlänge bedeutet eine niedrigere Frequenz) (!Wellenlänge und Frequenz sind immer gleich) (!Die Frequenz hängt nur von der Helligkeit ab)

Welche Farben sind die Grundfarben der additiven Farbmischung? (Rot Grün und Blau) (!Cyan Magenta und Gelb) (!Rot Gelb und Blau) (!Orange Grün und Violett)

Welche Lichtfarbe entsteht additiv aus Rot und Grün? (Gelb) (!Cyan) (!Blau) (!Schwarz)

Warum kann ein roter Gegenstand unter blauem Licht dunkel erscheinen? (Weil kaum rotes Licht zur Reflexion vorhanden ist) (!Weil blaues Licht keine Energie besitzt) (!Weil der Gegenstand plötzlich durchsichtig wird) (!Weil das Auge nur weißes Licht sehen kann)

Welche Sinneszellen ermöglichen vor allem das Farbsehen? (Zapfen) (!Stäbchen) (!Haarzellen) (!Tastkörperchen)

Welche Vorgänge sind für einen Hauptregenbogen wesentlich? (Brechung Dispersion und innere Reflexion) (!Nur Absorption) (!Nur geradlinige Ausbreitung) (!Elektrische Leitung)

Wie ist die Farbreihenfolge beim Nebenregenbogen im Vergleich zum Hauptregenbogen? (Sie ist umgekehrt) (!Sie ist genau gleich) (!Es erscheint nur Grün) (!Der Nebenregenbogen ist farblos)

Welche Sicherheitsregel gilt bei Experimenten mit Licht? (Niemals direkt in Sonne oder Laserstrahl blicken) (!Das Prisma direkt vor das Auge halten) (!Laser auf spiegelnde Flächen richten) (!Die Sonne mit einem Fernglas betrachten)

Memory

Prisma	Zerlegt weißes Licht durch Dispersion
Rot	Lange sichtbare Wellenlänge
Violett	Kurze sichtbare Wellenlänge
RGB	Grundfarben der additiven Mischung
Magenta	Mischung aus rotem und blauem Licht
Zapfen	Sinneszellen für das Farbsehen
Absorption	Aufnahme bestimmter Lichtanteile
Regenbogen	Spektrum durch Wassertropfen

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Beschreibung
Dispersion	Wellenlängenabhängige Aufspaltung des Lichts
Reflexion	Zurückwerfen von Licht
Transmission	Durchgang von Licht durch einen Stoff
Additive Farbmischung	Überlagerung farbiger Lichtanteile
Körperfarbe	Farbeindruck eines beleuchteten Gegenstands

Kreuzworträtsel

Prisma	Welcher Glaskörper kann weißes Licht in Spektralfarben zerlegen?
Spektrum	Wie heißt das geordnete Band der Lichtfarben?
Dispersion	Wie heißt die wellenlängenabhängige Aufspaltung des Lichts?
Magenta	Welche Mischfarbe entsteht aus rotem und blauem Licht?
Reflexion	Wie heißt das Zurückwerfen von Licht?
Zapfen	Welche Sinneszellen ermöglichen das Farbsehen?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Der für Menschen sichtbare Bereich gehört zum Spektrum. Ein Prisma zerlegt weißes Licht durch . Rotes Licht besitzt eine längere als violettes Licht. Bei der additiven Farbmischung bilden Rot, Grün und die Grundfarben. Rotes und grünes Licht ergeben gemeinsam . Die Körperfarbe hängt unter anderem von Reflexion und ab. Für das Farbsehen sind vor allem die zuständig. Im Regentropfen wird Sonnenlicht gebrochen und im Inneren .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Farbspektrum beobachten: Erzeuge mit einem Prisma oder einer alten CD ein Spektrum und zeichne die beobachtete Farbreihenfolge.
2. RGB-Suche: Fotografiere drei Geräte, die additive Farbmischung nutzen, und erkläre ihre Funktion in wenigen Sätzen.
3. Körperfarben vergleichen: Beleuchte farbige Gegenstände nacheinander mit weißem, rotem und blauem Licht und protokolliere die Veränderungen.
4. Regenbogenwissen: Erstelle eine beschriftete Skizze zum Lichtweg in einem Regentropfen.

Standard

1. Prismaexperiment planen: Formuliere Fragestellung, Materialliste, Durchführung, Beobachtung und Auswertung für einen sicheren Schulversuch.
2. Bildschirmpixel untersuchen: Vergrößere einen weißen Bildschirmbereich mit einer Lupe oder Makrokamera und beschreibe die sichtbaren Subpixel.
3. Farbfilter testen: Untersuche mehrere transparente Farbfolien mit verschiedenen Lichtquellen und erkläre die Ergebnisse mit Transmission und Absorption.
4. Erklärvideo gestalten: Produziere ein kurzes Video, das additive und subtraktive Farbmischung anhand eigener Beispiele unterscheidet.

Schwer

1. Frequenzen berechnen: Berechne mit $f=c/\lambda$ die Frequenzen für rotes Licht mit 650 nm und violettes Licht mit 400 nm und vergleiche sie.
2. Spektren vergleichen: Untersuche mit einem einfachen Spektroskop das Licht einer LED, einer Glühlampe und des Tageslichts und deute die Unterschiede.
3. Farbwahrnehmung erforschen: Entwickle eine kleine Untersuchung zu Nachbildern oder Farbkontrasten und diskutiere die Rolle des Gehirns.
4. Ausstellung konzipieren: Plane eine interaktive Schulausstellung mit Stationen zu Prisma, RGB-Mischung, Körperfarben, Auge und Regenbogen.

Lernkontrolle

1. Licht unter farbiger Beleuchtung: Erkläre, warum ein gelbes T-Shirt unter rotem Licht anders aussehen kann als unter blauem Licht.
2. Display und Druck vergleichen: Begründe, warum ein Bildschirm mit RGB arbeitet, ein Farbdrucker aber meist Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz verwendet.
3. Prisma und zweites Prisma: Sage voraus, was geschieht, wenn ein erzeugtes Spektrum mit einem geeigneten zweiten Prisma wieder vereinigt wird.
4. Regenbogen übertragen: Erkläre, warum Du einen Regenbogen nur bei einer passenden Stellung von Sonne, Regentropfen und Beobachtungsort siehst.
5. Messwert deuten: Entscheide, ob Licht mit 430 nm eher blauviolett oder rot erscheint, und begründe Deine Entscheidung.
6. Modellkritik: Erkläre, warum die Aussage Weißes Licht enthält immer jede sichtbare Wellenlänge zu ungenau ist.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

1. die Begriffe Wellenlänge, Frequenz, Spektrum und Dispersion korrekt verwendest,
2. die Zerlegung und Wiedervereinigung von weißem Licht erklären kannst,
3. additive Farbmischungen sicher zuordnest,
4. Körperfarben mit Reflexion, Absorption und Beleuchtung begründest,
5. die Rolle von Zapfen und Gehirn beim Farbsehen beschreibst,
6. den Lichtweg im Regentropfen fachlich richtig darstellst,
7. Beobachtungen aus Experimenten auswertest und Sicherheitsregeln einhältst.

Verknüpfte Lernbereiche

Farben des Lichts - Physik Sichtbares Licht Elektromagnetisches Spektrum Wellenlänge Frequenz Brechung Dispersion Additive Farbmischung Körperfarbe Farbwahrnehmung Regenbogen