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5. Warum ist die Zitrone gelb? – Wie wir Farben wahrnehmen
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Warum ist die Zitrone gelb? – Wie wir Farben wahrnehmen
Axel Donges, Isny im Allgäu
Niveau: Sek. I und II
Dauer:
8 – 10 Unterrichtsstunden
Der Beitrag enthält Materialien für:
ü Offene Unterrichtsformen
ü Schülerversuche
ü Fachübergreifenden Unterricht
Hinweise zur Didaktik und Methodik
Anhand des vorliegenden Beitrags lernen die Schülerinnen und Schüler, wie wir Farben
wahrnehmen. Die Materialien sind so gestaltet, dass sie sich die Themen selbstständig
erarbeiten können. Sie nutzen dabei das Internet als Informationsquelle. Außerdem führen
sie fünf Experimente durch, in denen mit farbigem Licht experimentiert werden kann.
In M 1 beschäftigen sich die Schüler mit dem Aufbau und der Funktionsweise des Auges.
Sie nutzen dabei das Internet und die Bibliothek als Informationsquelle. Sie tragen ihre
Ergebnisse vor ihren Mitschülern vor.
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In M 2 beobachten die Schüler die Spektren verschiedener Lichtquellen. Sie sehen ein kontinuierliches Spektrum und zwei Linienspektren.
In M 3 experimentieren die Schüler und lernen dabei den Begriff der Ergänzungsfarbe
(Komplementärfarbe) kennen.
M 4 und M 5 dienen dem Experimentieren mit der additiven Überlagerung der Farben Rot,
Grün und Blau. Die Schüler lernen weiterhin das Prinzip kennen, das hinter der Erzeugung
der Farben beim Farbfernseher steckt.
In M 6 können die Schüler dann die Frage „Warum ist die Zitrone gelb?“ bearbeiten und
beantworten.
Hinweise für fachübergreifendes Arbeiten
Das menschliche Auge, dessen Aufbau und Wirkungsweise sowohl im Biologie- als auch im
Physikunterricht besprochen werden sollte, ist für Licht im Wellenlängenbereich von etwa
0,4–0,7 µm empfindlich. Dabei zeigt es sich, dass unsere Augen besonders gut grünes Licht
(0,55–0,6 µm) detektieren, während die Empfindlichkeit für rotes oder blaues Licht bereits
deutlich geringer ausfällt (siehe Abbildung).
Monochromatisches Licht, das im Wesentlichen nur eine Wellenlänge besitzt (z. B. Laserlicht), aber auch Licht, das sich aus verschiedenen Wellenlängen zusammensetzt (z. B. Sonnenlicht), nehmen wir farbig wahr. Der Farbeindruck, den Licht hervorruft, ist jedoch keine
physikalische Eigenschaft des Lichts. Der wahrgenommene Farbeindruck entsteht nämlich erst im Gehirn des Beobachters. Analog verhält es sich auch bei der Schmerzempfindung: Ein Stich mit einer Nadel in einen Finger ruft einen Schmerz hervor. Der Nadelstich
wird über die Nervenleitungen ins Gehirn gemeldet, wo erst der Schmerzeindruck entsteht.
Sticht man dagegen mit der Nadel in ein Nadelkissen, so ist es sinnlos, von Schmerz zu
reden.
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I/E
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5. Warum ist die Zitrone gelb? – Wie wir Farben wahrnehmen
Abb.: Die relative spektrale Empfindlichkeit des menschlichen
Auges bei heller Beleuchtung (Tagessehen).
I/E
Farbwahrnehmungen existieren nur für einen lebendigen, sehfähigen Beobachter und sind
somit ein physiologisches Problem. Aus diesem Grund bietet sich die Zusammenarbeit
zwischen Physik- und Biologielehrkraft an.
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5. Warum ist die Zitrone gelb? – Wie wir Farben wahrnehmen
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Materialübersicht
· V = Vorbereitungszeit
SV = Schülerversuch
· D = Durchführungszeit
Fo = Folie
M1
M2
Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt
Ab
Ein Blick ins Auge
· D: 120 min
r PC mit Internet-Anschluss und
PowerPoint©
Ab, SV
Wir untersuchen Spektren unterschiedlicher Lichtquellen
· V: 10 min
r thermische Lichtquelle (Glühlampe mit Stromversorgung)
· D: 40 min
r Kondensorlinse
r Spalt
M3
r Beobachtungsschirm
r evtl. optische Bank
r diverse Halterungen
r Abbildungslinse
r Natriumdampflampe
(mit Stromversorgung)
r Prisma
r HeNe-Laser
Ab, SV
Farbe und Ergänzungsfarbe
· V: 15 min
r thermische Lichtquelle (Glühlampe mit Stromversorgung)
· D: 30 min
r Beamer
I/E
r Beobachtungsschirm
r evtl. optische Bank
r Kondensorlinse
r diverse Halterungen
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r Spalt
r weißer Karton
r 2 Abbildungslinsen
r Schere
r Prisma
M4
M5
Ab, SV
Was ist additive Farbmischung?
· V: 10 min
r 3 Taschenlampen
r Beobachtungsschirm
· D: 30 min
r 3 Farbfilter (rot, grün, blau)
r PC mit Internetzugang
Ab, Fo
Additive Farbmischung beim Farbfernseher und Farbkreisel
· V: 30 min
r Farben (rot, grün, blau), alternativ r
PC mit Farbdrucker
r
r einige runde Bierdeckel
r
r einige Schraubendeckel von Flar
schen
· D: 5 min
Schere
Pinsel
Klebstoff
Hammer und Nagel
r weißes Papier
M6
Ab
Warum ist die Zitrone gelb?
· D: 15 min
Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 14.
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M 1 Ein Blick ins Auge
Bereits Aristoteles kannte fünf Sinne, über die ein
Mensch im Allgemeinen verfügt:
•
Gesichtssinn
•
Gehörsinn
•
Geruchssinn
•
Geschmacksinn
•
Tastsinn
Die moderne Physiologie kennt weitere Sinne, z. B. den Temperatursinn, den Gleichgewichtssinn und die Schmerzempfindung. Bei Tieren kommen eventuell weitere Sinne,
z. B. der Sinn für die Erkennung von polarisiertem Licht oder der Sinn zur Wahrnehmung
von Magnetfeldern, hinzu.
I/E
Der Gesichtssinn ist der wichtigste Sinn des Menschen. Weit über 90 % aller Informationen
nimmt er mit dem Gesichtssinn wahr. Dabei werden etwa 10 Millionen Bits pro Sekunde
aufgenommen. Zum Vergleich: Solche Datenraten sind heute im privaten Internet-Verkehr
üblich (DSL 6000: 6 Millionen Bits/s downstream).
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Aufgabe
Aufgrund der Bedeutung des Gesichtssinns ist es wichtig, den Aufbau und die Funktionsweise
eines menschlichen Auges zu verstehen. Informiert euch mithilfe des Internets oder in eurer
Bibliothek darüber.
Bei der Lösung dieser Frage geht ihr folgendermaßen vor:
1. Schritt: Gruppeneinteilung
Bildet mehrere Gruppen mit jeweils 3–4 Schülern.
2. Schritt: Aufarbeiten
Jede Gruppe bereitet eine kleine Präsentation (z. B. mit PowerPoint) vor.
3. Schritt: Präsentieren
Jede Gruppe präsentiert vor den anderen Gruppen und der Lehrkraft ihre Ergebnisse.
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5. Warum ist die Zitrone gelb? – Wie wir Farben wahrnehmen
M2
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Wir untersuchen Spektren unterschiedlicher Lichtquellen
Schülerversuch
· Vorbereitung: 10 min
Geräte
r thermische Lichtquelle (Glühlampe
mit Stromversorgung)
r Kondensorlinse
r Spalt
Durchführung: 40 min
r Beobachtungsschirm
r evtl. optische Bank
r diverse Halterungen
r Abbildungslinse
r Natriumdampflampe (mit Stromversorgung)
r Prisma
r HeNe-Laser
Achtung: Beim Experimentieren mit einem Laser ist Vorsicht geboten. Nicht
in den Laserstrahl blicken!
Versuchsdurchführung
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Die Glühlampe (a) wird mithilfe einer Kondensorlinse (b) auf einen Spalt (c) abgebildet.
Dieser Spalt wiederum wird mit der Abbildungslinse (d) vergrößert auf einen Schirm (f)
abgebildet. Anschließend wird zwischen Sammellinse und Schirm ein Prisma (e) platziert
und das Ganze so justiert, dass ein ausreichend leuchtendes Farbband (Spektrum) auf dem
Schirm zu erkennen ist.
Aufbau zum Sichtbarmachen des Spektrums
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I/E
5. Warum ist die Zitrone gelb? – Wie wir Farben wahrnehmen
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M 4 Was ist additive Farbmischung?
Schülerversuch
· Vorbereitung: 10 min
Durchführung: 30 min
Geräte
r 3 Taschenlampen
r Beobachtungsschirm
r 3 Farbfilter (rot, grün, blau)
r PC mit Internetzugang
Leuchtest du mit einer Taschenlampe in einem dunklen Zimmer auf einen Beobachtungsschirm (oder eine weiße Wand), wirst du einen kreisrunden, hellen Fleck auf dem Schirm
sehen. Beleuchtest du nun mit einer zweiten Taschenlampe das gleiche Gebiet des Schirms,
überlagern sich die beiden Lichtkegel und die Fläche wird heller ausgeleuchtet. Diese
Lichtaddition kannst du auch mit farbigem Licht ausführen.
Versuchsdurchführung
Versieh drei Taschenlampen jeweils mit einem roten, grünen und blauen Farbfilter und bring
das Licht der Lampen auf einem Schirm zur Überlagerung.
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Aufgaben
1. Welche Farben entstehen, wenn du jeweils 2 Lichtkegel unterschiedlicher Farbe additiv
überlagerst? Welcher Farbeindruck entsteht bei der Überlagerung aller drei Farben?
2. Such im Internet eine Animation zur additiven Farbmischung von Rot, Grün und Blau.
Spiel die verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten durch.
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I/E
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M5
5. Warum ist die Zitrone gelb? – Wie wir Farben wahrnehmen
Additive Farbmischung beim Farbfernseher und Farbkreisel
Durch das additive Farbmischen von Rot, Grün und Blau lassen sich nahezu
alle Farben erzeugen. Beim Farbfernseher und Computermonitor nutzt
man dieses Prinzip bewusst. Der Bildschirm besteht aus einer großen
Anzahl von eng beieinanderliegenden roten, grünen und blauen Leuchtpunkten. Hiervon kann man sich leicht mithilfe einer Lupe überzeugen. Je
nach Bild werden die einzelnen farbigen Bildpunkte unterschiedlich stark
zum Leuchten angeregt. Da die einzelnen Farbpunkte so klein sind und eng
beieinanderliegen, können wir sie mit dem Auge nicht auflösen: Die Farben werden additiv gemischt.
Tipp: Betrachte zunächst den Fernseher oder Bildschirm mit einer Lupe.
I/E
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Der Bildschirm des Farbfernsehers besteht aus vielen rot, grün und blau leuchtenden Punkten.
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5. Warum ist die Zitrone gelb? – Wie wir Farben wahrnehmen
M5
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Additive Farbmischung beim Farbfernseher
I/E
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5. Warum ist die Zitrone gelb? – Wie wir Farben wahrnehmen
Erläuterungen und Lösungen
Lösung (M 1)
Aufgabe 1: Das Auge liegt, von Natur aus gut geschützt, in der Augenhöhle des Schädelknochens. Es ist umgeben von Muskel-, Fett- und Bindegewebe. Es ist durch Lid, Wimpern
und Augenbrauen gegen Einflüsse von außen geschützt. Die Verbindung zwischen Auge
und Lid stellt die Bindehaut dar. Als Schmierstoff und zur Reinigung dient die Tränenflüssigkeit.
I/E
Der Augapfel besteht aus dem Glaskörper, einer transparenten, gallertartigen Masse. Er
wird von der weißen Lederhaut umschlossen, die vorne in die lichtdurchlässige Hornhaut
übergeht. Unter der Lederhaut liegt die gefäßreiche Aderhaut. Sie versorgt das Auge mit
Nährstoffen. Vorne geht die Aderhaut in die Regenbogenhaut, auch Iris genannt, über. In
deren Mitte ist die Pupille, durch die das Licht ins Auge eindringt. Hinter der Regenbogenhaut sitzt die Augenlinse, welche das einfallende Licht durch den Glaskörper auf die dahinterliegende Netzhaut abbildet. Die Netzhaut beherbergt die Sehzellen (Stäbchen und Zapfen). Gegenüber der Pupille liegt die Netzhautgrube. Dies ist der Bereich des schärfsten
Sehens. Dort, wo der Sehnerv in die Netzhaut eintritt, ist sie lichtunempfindlich („blinder
Fleck“). Der Bereich zwischen Linse und Hornhaut wird Augenkammer genannt.
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Anatomischer Aufbau des Auges
Wie bei einem Fotoapparat entsteht auf der Netzhaut ein reelles, auf dem Kopf stehendes Bild. Die Netzhaut ist mit Sehzellen ausgestattet, die Licht in elektrische Nervenreize
umwandeln können. Obwohl die Netzhaut einen großen Teil der Innenkugel auskleidet, sind
die meisten Sehzellen um den Punkt gegenüber der Pupille angesiedelt. Hier ist das Zentrum des schärfsten Sehens (Netzhautgrube oder „gelber Fleck“). Die Netzhautgrube ist
dicht mit farbsensiblen Zapfen-Sehzellen bestückt.
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