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Farbenmischung

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Farbenmischung
Land'sche-Zwei-Farben-Projektion mit rot beleuchteter s/w-Rotfilterfolie und weiß beleuchteter s/w-Grünfilterfolie

Land'sche-Zweifarben-Projektion mit rot beleuchteter s/w-Rotfilterfolie und weiß beleuchteter s/w-Grünfilterfolie

Kurzbeschreibung
Überlagerte Projektion zweier s/w-Folien, welche durch zwei verschiedene Farbfilter aufgenommen wurden, wobei die Folie mit dem Rotfilter rotem Licht und die mit dem Grünfilter mit weißem Licht beleuchtet wird. Durch den vom Auge durchgeführten Weißabgleich sowie dessen physiologische Reaktion auf Simultan-Kontraste erscheinen neben dem Rot noch weitere Farbeindrücke.
Kategorien
Optik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: DJS 9/10 , Sek II
Basiskonzept: Materie
Sonstiges
Durchführungsform Demoexperiment,

Gruppenexperiment
(Folien selbst herstellen)

Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1 (in doppelter Ausführung)
Anspruch des Aufbaus leicht,

(mittel bei Eigenherstellung)

Informationen
Name: Sandra Ebel
Kontakt: \text{ebelsand}@\text{student.hu-berlin.de}
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Wiebke Musold
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Als Edwin Land 1958 Experimente zu Maxwells Drei-Farben-Projektion durchführte, entdeckte er dabei Widersprüche zu den Gesetzen der gewöhnlichen additiven Farbmischung, als er zur Zwei-Farben-Projektion überging. Bei dem sogenannten Landeffekt werden zwei schwarz/weiß-Bilder übereinanderprojiziert, wobei es sich bei den beiden s/w-Bildern um durch verschiedene Farbfilter fotografierte Aufnahmen handelt. Nimmt man dazu beispielsweise eine rot gefilterte sowie eine grün gefilterte Aufnahme und beleuchtet erstere mit rotem sowie die zweite Aufnahme mit weißem Licht, dann beschränkt sich die Farbigkeit des entstandenen Bildes nicht auf die erwarteten Grau-, Rot-, und Rosatöne. Dieses Phämomen ist nicht quantitativ beschreibbar, da es von der subjektiven Wahrnehmung des Beobachters abhängt. Es lässt sich aber dennoch fotografieren.(Vgl. Nico Westphal, Marc Müller & Johannes Grebe-Ellis [1], 2009, S. 1)


Didaktischer Teil

Theoretischer Hintergrund:
Viele grundlegende Prinzipien der Farbenlehre und der Farbwahrnehmung finden sich in Experimenten zu gefärbten und farbigen Schatten , zu welchen auch das Land'sche Zwei-Farben-Projektions-Experiment gezählt werden kann. Denn zur Demonstration des Landeffekts werden zwei schwarz/weiß-Folien übereinanderprojiziert. Und diese Folien sind vereinfacht formuliert, nichts Anderes als unterschiedlich durchlässige Schattengeber.
Gefärbte und farbige Schatten treten dann auf, wenn eine farbige und eine weiße Lichtquelle einen undurchlässigen Schattengeber beleuchten und hinter diesem zwei Halbschatten (und je nach Platzierung auch einen Vollschatten) erzeugt werden. Der Halbschatten, welcher von der farbigen Lichtquelle beleuchtet wird, erscheint in selbiger Farbe und wird als gefärbter Schatten bezeichnet. Der zweite Halbschatten ist dann jedoch nicht farbneutral wie die verwendete Lichtquelle, sondern komplementärfarbig. D.h. bei einer roten und einer weißen Lichtquelle, nimmt er die Farbe Cyan an. Solche Schatten werden als farbige Schatten bezeichnet. Dieser Effekt entsteht durch einen Weißabgleich , welcher die Projektionsfläche auf welche beide Lichtquellen scheinen, als "neues" Weiß definiert sowie die physiologische Reaktion des Auges auf Simultan-Kontraste. Bei dem simultanen Farb-Kontrast erscheint eine graue Fläche auf einem roten Untergrund grünlich bzw. auf einem grünen Untergrund rötlich. Dies gilt ebenfalls für alle anderen Farben, wobei die graue Fläche jeweils in der Komplementärfarbe erscheint (Vgl. Spektrum-Kontrastverstärkung [2] ). Am Beispiel der farbigen Schatten kommt es bei der Betrachtung der farbigen Halbschatten zu einer neuronalen Kontrastverstärkung (Vgl. Reichert [3], 2000). Hierbei entstehen unterschiedliche Eingangserregungen von benachbarten Sinneskanälen, die von mehreren Rezeptorzellen aufgenommenen Informationen an das Gehirn weiterleiten. Dies bedeutet, dass bei einem Blick auf eine blaue Fläche die Blau-Rezeptoren verstärkt angeregt werden, beim Blick auf eine weiße Fläche jedoch überproportional abgeregt werden und somit das Auge im erhöhten Maße auf die grünen und roten Anteile der weißen Fläche reagieren. Sie erscheint daher gelb. (genauer nachzulesen im Artikel gefärbten und farbigen Schatten )
Jedoch handelt es sich bei dem beschriebenen Phämonen um eine subjektive Wahrnehmung, weshalb sie nicht immer von jedem Betrachter gleich wahrgenommen wird.
Ein "kleiner" aber feiner Unterschied besteht aber bei dem Vergleich des Versuches der gefärbten und farbigen Schatten mit der Land'schen Zwei-Farben-Projektion. Die Folien, welche als Schattengeber fungieren, sind nicht vollständig durchlässig oder undurchlässig, sondern eher als Graufilter zu verstehen (Vgl. Nico Westphal, Marc Müller & Johannes Grebe-Ellis [1], 2009, S. 2). Wie sich dies auf die Schattenfarbigkeit auswirkt, wird im folgenden diskutiert.

Didaktische Einordnung - Phänomenologie der Natur:

"Ein Phänomen ist ... eine ganzheitliche Erkentniserfahrung; im goetheschen Sinn kann man vom Ergebnis 'anschaulischer Urteilskraft' sprechen"
(von Mackensen 1992 aus Chimica didactica 32 zitiert von Grebe-Ellis [4] , 2006, S. 139)

Die Forderung in den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz (KMK [5], 2005, S. 7 ff) im Physikunterricht neben den Fachinhalten auch Kompetenzen in den Bereichen Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung zu vermitteln, ist im Rahmenlehrplan Physik für die Sekundarstufe I (RLP[6], 2006 , S. 9 ff) zu finden. Hierzu zählt unter Anderem die Kompetenz der Schülerinnen und Schüler die Gültigkeit empirischer Ergebnisse und deren Verallgemeinerung beurteilen zu können. An diesem Punkt soll folgendes Experiment ansetzen, um Schülerinnen und Schülern im Bereich der Erkenntnisgewinnung adäquate Vorstellungen und Umgänge mit Verallgemeinerungen zu vermitteln. Die Faszination des Effekts der, nicht auf die Erwartung beschränkten, Farbigkeit des entstandenen Bildes der Projektion soll genutzt werden, um die Grenzen der gewöhnlichen additiven Farbmischung im Physikunterricht phänomenologisch zu behandeln.
Das Experiment bietet sich als Weiterführung zu Experimenten für gefärbte und farbige Schatten, wie bereits im Theoretischer Hintergrund erwähnt, an. Hierbei sind bisherige Kenntnisse anzuwenden, zu vertiefen und zu erweiteren. Werden für das Experiment nicht existierende Zwei-Farben-Projektionsfolien gekauft, sondern selbst hergestellt (siehe Versuchanleitung ), empfiehlt es sich, es als Schülergruppenexperiment im Sinne des Moduls W0 Experimentieren, protokollieren und auswerten (RLP [6], S. 33) vorzusehen, wobei die Schülerinnen und Schüler gemäß der Bildungsstandards im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung das Experiment selbstständig planen, durchführen und auswerten können.

Eine Einordnung des Themas in den Rahmenlehrplan ist in die Module P3 9/10 Besser sehen (RLP [6] , 2006, S. 44) also auch in W4 9/10 Farben sehen, Regenbogen (RLP [6], S. 52) oder WP 7 Farben wahrnehmen (RLP [6], S. 68) möglich. Dabei ist eine fächerübergreifende Gestaltung des Unterrichts zu empfehlen, besonders mit Kunst (Farbenlehre, insb. additive und subtraktive Farbmischung) sowie Biologie (Sinneswahrnehmung: Auge).

Versuchsanleitung

Vor dem hier geschilderten Experiment sollte die additive und subtraktive Farbmischung additive und subtraktive Farbmischung sowie das Themengebiet der gefärbten und farbigen Schatten behandelt worden sein.

Abb. 1: Versuchsaufbau zur Zwei-Farben-Projektion

Aufbau

Ein Überblick über den hier verwendeten Versuchsaufbau ist in Abb. 1 dargestellt.

Materialien ohne Eigenherstellung der Folien:

  1. zwei Overheadprojektoren
  2. drei Farbfilter-Folien in den Grundfarben der additiven Farbmischung: RGB (rot, grün, blau)
  3. (drei Farbfilter-Folien in den Grundfarben der subtraktiven Farbmischung: CMG (cyan, magenta, gelb) )
  4. Projektionsfläche (einfarbig weiß)
  5. mindestens zwei Folienpaare zur Zweifarbenprojektion

Das Hauptstück des Versuches stellen die Folienpaare zur Zwei-Farben-Projektion (Punkt 5) dar. Hier wurden diese aus der Experimentieranleitung von Cornelia Iden, Stephanie Tatge & Johannes Grebe-Ellis Vom farbigen Schatten zur Zweifarbenprojektion [7] verwendet, wecher ebenfalls drei Farbfilter-Folien in den Grundfarben der additiven Farbmischung (Punkt 2) beiliegen.
Besagtes Arbeitsmaterial kann über die Lehrmittelabteilung der Pädagogischen Forschungsstelle Kassel[8] bezogen werden.

zusätzliche Materialien, wenn die Folien selbst hergestellt werden:

  1. mehrere Gegenstände in möglichst vielen Farben
  2. eine Kamera mit Stativ (hier: Sony SLT-A65V mit Sigma DC-Objektiv 18 200mm 1:3.5-6.3 II HSM)
  3. Druckfolien
  4. einen Drucker, welche auf Folien drucken kann

sonstige Hinweise:
Es wird ein Raum mit genügend Platz benötigt, da (nach eigener Erfahrung) die Trapezverschiebung, welche durch die Überlagerung beider Projektionen entsteht, besser ausgeglichen werden kann, wenn sich die Overheadprojektoren nicht zu nah an der Projektionsfläche befinden.
Besagter Versuch ist auch unter Verwendung von Diaprojektoren durchführbar, wenn entsprechend der Folien Dias hergestellt werden.

Aufbau für die Zwei-Farben-Projektion:
Beim Aufbau ist darauf zu achten, die beiden Overheadprojektoren möglichst parallel auszurichten, um die Trapezverschiebung gering zu halten. Dies ist z.B. möglich durch Ausrichten der Projektion an horizonten Kanten wie dem Ende der Projektionsfläche. Wenn beide OHPs ausgerichtet stehen,sind jeweils die Bilder einzeln scharf zu stellen und in der Zwischenzeit den anderen OHP auszuschalten. Anschließend sind die Projektionen übereinander zu legen.
Achtung: Hierfür ist relativ viel Zeit einzuplanen, da alleine das Aufeinanderschieben der Projektionen dauern kann. Zudem besteht die Möglichkeit noch einmal die "Scharfstellung" verändern zu müssen, da beide Projektionen nicht gleich groß sind.

Durchführung

Folien in Eigenherstellung:
Um die verschiedenen gefilterten Folien für die Land'sche Zwei-Farben-Projektion aufzunehmen, empfiehlt es sich, die Szenerie auf einem weißen Tischtuch und vor einer weißen Wand zu fotografieren (Abb.: 2a).
Hierbei ist es besonders wichtig, beim Vorhalten der Filterfolien (Abb.: 2b und 2c), nicht das Stativ oder den Fokus der Kamera zu verstellen, damit die Zentrierung der Bilder nicht verrutscht. Dies würde Schwierigkeiten bei der Überlagerung zweier Projektionen mit sich bringen.

Abb. 2a: Aufbau für die Aufnahme der verschieden gefilterten s/w-Fotos ohne Filter
Abb. 2b: Bunte Aufnahme der für die Zwei-Farben-Projektion verwendeten Szenerie
Abb. 2c: s/w-Aufnahme durch rote Filterfolie der für die Zwei-Farben-Projektion verwendeten Szenerie














Die so entstandenen s/w-Bilder (Abb.: 2d) sind anschließend auf Folien zu drucken. Im Vergleich der beiden s/w-Aufnahmen fällt hier auf, dass rote oder rotähnliche Gegenstände auf der rotgefilterten Fotografie weiß sind, während sie im grüngefilterten Bild dunkel bleiben. Genau andersherum verhält es sich bei der s/w-Aufnahme durch den Cyanfilter. Hier sind annähernd cyanfarbende Gegenstände, hier helles grün, weiß geblieben sowie die satten grünen und die blauen Gegenstände etwas heller. Zusätzlich wurden die roten und rotähnlichen Spielzeuge noch dunkler.

Abb. 2d: Ungefilterte s/w-Aufnahme (links) im Vergleich zu rot gefiltert (mittig) und cyangefiltert (rechts)

Zwei-Farben-Projektion:
Liegen zwei verschieden gefilterte s/w-Bildfolien auf den ausgerichteten Overheadprojektoren, können nun die Farbbelichtungen durch Auflegen von Farbfolien variiert werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Bildfolien nicht verrutscht werden.

Ergebnisse

In beiden Projektionen (Abb.: 3a und 3b) sind neben der roten Farbe der verwendeten roten Lichtquelle noch weitere Farbeindrücke zu erkennen, wobei sie in der Projektion mit den selbsthergestellen Folien (Abb.: 3b) schwerer wahrzunehmen sind (subjektiver Eindruck!).

Abb. 3a: rot-gefilterte-s/w-Projektion (oben/links),grün-gefilterte-s/w-Projektion (oben/recht), überlagerte Projektion mit rot-gefilterte-s/w-Folie rot beleuchten und grün-gefilterte-s/w-Folie weiß beleuchet (unten/links) im Vergleich zum Original (unten/rechts)
Abb. 3b: rot-gefilterte-s/w-Projektion (oben/links),cyan-gefilterte-s/w-Projektion (oben/recht), überlagerte Projektion mit rot-gefilterte-s/w-Folie rot beleuchten und cyan-gefilterte-s/w-Folie weiß beleuchet (unten/links) im Vergleich zum Original (unten/rechts)






















einzelne Betrachtung der beiden Projektionen:

In Abbildung 3a ist die überlagerte Projektion von rot beleuteter s/w-Folie (mit rotem Filter aufnommen) und weiß beleuchteter s/w-Folie (mit grünem Filter aufgenommen), welche den Arbeitsmaterialien von Cornelia Iden, Stephanie Tatge & Johannes Grebe-Ellis Vom farbigen Schatten zur Zweifarbenprojektion [7] entnommen waren, dargestellt.
Hier sind neben den roten Erdbeeren und den roten Äpfeln folgende Farbeindrücke (eigene subjektive Wahrnehmung) zu erkennen (mit Vergleich zum Originalbild):

  • cyanfarbenes Sieb (Original: hellblau)
  • violette Weintrauben (Original: violett)
  • orange/apricot Orangen (Original: orangeangefärbtes gelb / dunkles gelb)
  • gelblich/rosa Zitronen (Original: gelb)

In Abbildung 3b ist die überlagerte Projektion von rot beleuteter s/w-Folie (mit rotem Filter aufnommen) und weiß beleuchteter s/w-Folie (mit cyan Filter aufgenommen) aus der Eigenherstellung. Hier sind neben dem roten Auto, den roten Kreiseln und den roten Flummis folgende Farbeindrücke (eigene subjektive Wahrnehmung) zu erkennen (mit Vergleich zum Originalbild):

  • cyanfarbener Kreisel in der Mitte (Original: grün)
  • cyanfarbener Flummi am rechten Bildrand (Original: grün)
  • gräulich/cyaner Kreisel unten in der Mitte (Original: blau)
  • gräulich/cyane Kugel oben in der Mitte (Original: blau)

Auswertung

Im Vergleich zum Experiment zu gefärbten und farbigen Schatten ist die Sättigung der gefärbten und des komplementären farbigen Schattens in der überlagerten Projektion geringer. Dies entsteht auf Grund der Transparenz der s/w-Folien. Es wird kein kompletter Schatten mehr erzeugt, wodurch Licht von beiden Quellen auf die Projektionsfläche fällt. Zudem beleuchten die beiden Lampen der Overheadprojektoren einige Bereiche, je nachdem wie stark auf beiden Folien der s/w-Druck an diesen Stellen jeweils ausfällt, unterschiedlich abgeschwächt (Vgl. Nico Westphal, Marc Müller & Johannes Grebe-Ellis [1], 2009, S. 3). Durch diesen Effekt entstehen entstehen die weiteren Farbeindrücke. Einen systematischen Versuch bzgl. dieser Farbeindrücke beschreiben Nico Westphal, Marc Müller & Johannes Grebe-Ellis in Wie aus farbigen Schatten bunte Bilder hervorgehen - Experimente zur Zwei-Farben-Projektion zuerst durchgeführt von Wilson & Brocklebank (Vgl. [1], 2009, S. 4 ). Hierzu wurden auf zwei Folien sechs Abstufungen zwischen durchsichtig und undurchsichtig in 90° zueinander verdreht übereinander projiziert. Belichtet man diese Projektion erneut mit rotem und mit weißem Licht, so ergaben sich 36 verschiedene Farben, unter ihnen auch gelbe und grüne Töne, also nicht nur Abschwächungen von rot und cyan. (In den Arbeitsmarialien "Vom farbigen Schatten zur Zweifarbenprojektion: Experimentiermaterial" [7] sind ebenfalls solche Folien enthalten, so dass es sich anbietet dieses Experiment zusätzlich zur Erklärung der weiteren Farbeindrücke durchzuführen.)
Unter diesem Aspekt betrachtet, bedeutet der fehlende weitere Farbeindruck bei den selbst hergestellten Folien, dass es zu wenig Abstufungen bzgl. der Tranzparenz (ergo der Grautöne) gab. Dies könnte unter Anderem daran gelegen haben, dass - besonders bei der durch den Rotfilter aufgenommenen Fotografie - beide Aufnahmen einen generellen Grauschleier aufwiesen (Abb.: 3b). Im Vergleich dazu sind die Folien aus den Arbeitsmaterialien [7] deutlich heller, besitzen dementsprechend keinen überlagernden Grauschleier. Hier ist die Aufnahmequalität der Fotografien für die Eigenherstellung der s/w-Folien zu optimieren.
Zusätzlich wäre es sinnvoll, Schablonen zur Lichtabschirmung für die eigenen Folien zu verwenden (wie bei den gekauften Folien), um den Effekt des Weißabgleiches durch eine nebenliegende weiße Fläche nicht zu behindern. Ebenso ist der subjektive Aspekt nicht zu vernachlässigen. Den Farbeindruck, welcher ein Beobachter A wahrnimmt, muss nicht derselbe sein, wie der des Beobachters B.
Abschließend ist festzuhalten, dass der Landeffekt bei der Zwei-Farben-Projektion zumindest bei den Arbeitsmaterialien "Vom farbigen Schatten zur Zweifarbenprojektion: Experimentiermaterial" [7] zu beobachten ist.

Sicherheitshinweise

Da für das Experiment ein vollkommen abgedunkelter Raum benötigt wird, sollte der Aufbau möglichst "stolpersicher" erfolgen, wobei ein besonderer Augenmerk auf die Kabel der zwei Overheadprojektoren zu legen ist. Denn ein guter Zugang von allen Seiten an die OH-Projektoren sollte Zwecks des Austauschens der Filterfolien gewährleistet sein.

Literatur

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 Nico Westphal, Marc Müller & Johannes Grebe-Ellis (2009): Wie aus farbigen Schatten bunte Bilder hervorgehen - Experimente zur Zwei-Farben-Projektion ; Didaktik der Physik; Bochum
  2. Spektrum Akademischer Verlag - Lexikon der Neurowissenschaft (2000): Kontrastverstärkung, Heidelberg, verfügbar unter www.spektrum.de/lexikon/neurowissenschaft/kontrastverstaerkung/6682 , Link vom 05.06.17 (22:57Uhr)
  3. Reichert, Heinrich (2000): Neurobiologie, 2. Auflage, Georg Thieme Verlag
  4. Chimica didactica 32 (Hrsg.),(2006), von Johannes Grebe-Ellis: Phänomenologische Optik: eine "Optik der Bilder"-Teil 1: Erkenntnistheoretische, experimentiermethodische und didaktische Merkmale eines nichtreduktionistischen Zugangs zur Optik
  5. Kultuministerkonferenz (2005): Beschlüsse der Kultusministerkonferenz. Bildungsstandards im Fach Physik für den Mittleren Schulabschluss (Jahrgangsstufe 10); Luchterhand; München
  6. 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport Berlin (Hrsg.) (2006): Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I, verfügbar unter www.berlin.de/sen/bildung/unterricht/faecher-rahmenlehrplaene/rahmenlehrplaene/ , Link vom 05.06.17 (15:07Uhr)
  7. 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 Cornelia Iden, Stephanie Tatge & Johannes Grebe-Ellis: Vom farbigen Schatten zur Zweifarbenprojektion: Experimentiermaterial ; Pädagogische Forschungsstelle Kassel; Kassel
  8. Lehrmittelabteilung der Pädagogischen Forschungsstelle Kassel, Link vom 05.06.2017 (18:26 Uhr)

Siehe auch

Additive Farbmischung an der optischen Tafel, Farbmischung, Farbige Schatten, Spiegelspaltblende