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Farbige Schatten

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Farbige Schatten
Blau-Gelb.jpg

Farbiger Schatten mit blauer und weißer Leuchte. Im Bereich des weißen Schattens entsteht aufgrund von Simultan-Kontrasten ein gelber Farbeindruck.

Kurzbeschreibung
Grundaufbau farbiger und gefärbter Schatten und ausgewählte Anwendungsmöglichkeiten im Schulunterricht
Kategorien
Optik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 9, 10, Sek. II
Basiskonzept: Wechselwirkungen
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment, Schülerexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Mattias Stellbaum
Kontakt: ma.stellb@googlemail.com
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Wiebke Musold
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Farbige Schatten verdeutlichen viele grundlegende Prinzipien der Farbenlehre und der Farbwahrnehmung. Als fächerübergreifendes Thema beinhalten farbige Schatten Inhalte der Physik, Biologie, Kunst u.a. Das folgende Experiment bietet eine Möglichkeit zur Betrachtung farbiger Schatten im Schulunterricht.


Didaktischer Teil

Farbige Schatten sind eine gute Anwendungsmöglichkeit für fächerübergreifenden Unterricht.

"Fächerübergreifend ist ein Oberbegriff für die verschiedenen Arten von Unterricht, der über die Grenzen des eigenen Faches hinausgeht." (vgl. [1])

Mit farbigen Schatten werden Themen aufgegriffen, die nicht nur physikalisch, sondern auch stark biologisch und im weiteren Sinne über die Naturwissenschaften hinaus orientiert behandelt werden. Wie der Name sagt, beinhaltet das Thema farbige Schatten die Lehre von Schatten. Die SuS erwerben ein Grundverständnis von Phänomenen der Optik, speziell der geometrischen Optik. Darin sind Themen der Physik und der Mathematik, nämlich die Geometrie und die Proportionalität (vgl. [2]) enthalten. Die Berechnungen von Längen und Flächen, sowie im weiteren Sinne Winkelfunktionen finden hierbei Anwendung.

Einen weiteren Schwerpunkt für die farbigen Schatten setzt die Farbenlehre, allen voran die Farbmischung und die Farbwahrnehmung. Die Farbmischung enthält sowohl Bezüge zu den Eigenschaften des sichtbaren Lichts, was sich im Fachbereich Physik ansiedelt, als auch zur Malerei und Bedeutung der Farben, was in der Kunst von besonderen Interesse ist (vgl. [3]). Additive und subtraktive Farbmischung, sowie Komplementärfarben sind hierbei von Bedeutung.

Die Farbwahrnehmung ist in der Sinnesphysiologie, also im Fachbereich Biologie, von Interesse. Hier stehen das Auge (vgl. [4]), die Sinneswahrnehmung (vgl. [5]), und die Neurobiologie (vgl. [6]) im Mittelpunkt. Aufbau und Funktionsweise der Augen spielen für das Verständnis eine grundlegende Rolle. Die Neurobiologie ist sehr wichtig, da in diesem Versuch farbige Schatten in Verbindung mit Simultan-Kontrasten gestellt werden. Dadurch sind farbige Schatten sowohl als Lehrthema der Sekundarstufe I als auch als Lehrthema der gymnasialen Oberstufe anwendbar.

Im weiteren Sinne werden mit den farbigen Schatten auch Verbindungen zu den Fachbereichen Deutsch und Geschichte geschaffen. Goethe beschreibt in seinem Werk Farbenlehre (vgl. [7] und [8]) ausführlich das Phänomen der farbigen Schatten, die er auf seiner Harzreise beobachtet hat.

Versuchsanleitung

Aufbau

Abb. 1:Schemazeichnung des Versuchsaufbaus mit zwei Leuchten und einem opaken Gegenstand

Geräteliste:

- 2-3 AC/DC – Netzgerät 0...15V 52150 Leybold

- 2-3 Leuchtbox, Halogen, 12V/20W

- verschiedene Farbfilter (rot, grün, blau)

- 1 opaker Gegenstand als Schattengeber


Der Versuchsaufbau zur Erzeugung von farbigen Schatten ist in Abbildung 1 abgebildet. Durchgeführt wird der Versuch mit 2 Leuchten, fakultativ auch mit drei Leuchten. Zusätzlich wird ein opaker Gegenstand benötigt, der als Schattengeber dienen soll.

Die Leuchten werden so nebeneinander angeordnet, dass sich die Projektionsflächen möglichst vollständig überschneiden. Die Leuchten werden mit Standfüßen gestützt. Mittels Kabelverbindungen werden die Leuchten mit den AC/DC-Netzgeräten verbunden. Die Netzgeräte werden auf 14V eingestellt. Je nachdem, welche Farbfilter verwendet werden, muss die angelegte Spannung (um wenige V) variiert werden. Dies ist darin begründet, dass Filter, die kurzwelliges Licht durchlassen, weniger lichtintensiv sind als Filter, die langwelliges Licht durchlassen. Die Spannung müsste daher beim blau-Filter um ca. 2V vergrößert, beim rot-Filter um ca. 2V verringert werden, damit die Intensitäten der Leuchten sich nicht zu stark unterscheiden.

Der schattenwerfende Gegenstand wird so vor den Leuchten platziert, dass sich auf der Projektionsfläche zwei Halbschatten bilden. Der Gegenstand kann entweder fixiert oder mit der Hand gehalten werden. Als Schirm kann eine (sofern vorhanden) weiße Leinwand oder eine weiße Wand dienen. "Die Frage nach dem Verhältnis, in dem sich die „Figuren" von Schattengeber und Leuchte im Schattenbild „vermischen" [11, S. 94], so dass mal die Figur des Schattengebers, mal die Figur der Leuchte im Schattenbild stärker hervortritt, führt auf eine Betrachtung der räumlichen Bedingungen und insbesondere der relativen Größen von Schattengeber- und Leuchtengeometrie." (vgl. [9]). Grebe-Ellis sagt darüber aus, dass das Schattenbild sich besser aufzeigen lässt, je kleiner der Schattengeber im Verhältnis zur Ausdehnung der Leuchte ist. Experimentelle Eigenerfahrungen zeigen, dass bei einem Gegenstand der Größe einer Untertasse das Phänomen der farbigen Schatten mit Kern- und Halbschatten sehr gut aufgezeigt werden kann, wenn der Schattengeber etwas mehr als 1/3 der Gesamtlänge zwischen Leuchte und Schirm von der Leuchte entfernt ist. Der Gesamtabstand sollte nicht weniger als 1m betragen.

Durchführung

Abb. 2:Gefärbte Halbschatten zur Erzeugung eines Farbkreises

Zunächst wird der Versuch mit zwei Leuchten durchgeführt. Nachdem die Netzgeräte angestellt wurden, werden 14V eingestellt. Der Raum sollte möglichst stark abgedunkelt werden. Vor eine Leuchte wird nun ein Filter gebracht. Auf der Projektionsfläche werden die Farben der weißen Leuchte und der farbigen Leuchte additiv gemischt. Nun wird der Gegenstand zwischen die Leuchten und die Projektionsfläche gebracht. Auf der Projektionsfläche entstehen zwei Halbschatten. Der eine Schatten wird in der Farbe des Filters abgebildet, der andere Schatten scheinbar in der Komplementärfarbe der Umgebung. Die Filter werden dann nacheinander gewechselt, was zu unterschiedlichen Farbeindrücken der weißen Fläche führt. Wurde der Versuch mit zwei Leuchten durchgeführt, kann noch eine dritte Leuchte hinzugenommen werden. Das Prinzip ist dann das Gleiche wie mit zwei Leuchten, es entstehen jedoch andere Farbeindrücke, da die Farben von nun zwei verwendeten Farbfiltern gemischt werden.

Es ist zwischen farbigen und gefärbten Schatten zu unterscheiden. Der gefärbte Schatten ist der Schatten der weißen Leuchte. Er wird durch die farbige Leuchte erhellt und somit angefärbt. Der farbige Schatten wird von der weißen Leuchte bestrahlt und es kommt in Verbindung mit der Umgebungsflächenfarbe zu einer Kontrastverstärkung, wodurch er farbig wirkt.

Westphal (siehe [10]) erläutert drei Konzepte zur Erklärung der farbigen Schatten:

1. „Farbige Schatten als Beispiel für simultane Farbkontraste“ ,

2. „Farbige Schatten als Folge der Farbkonstanz“ und

3. „Farbige Schatten als farbige Finsternis“ .


In diesem Experiment wird vorzugsweise Bezug zum 1. Konzept „Farbige Schatten als Beispiel für simultane Farbkontraste“ genommen, da dieses Konzept Bezüge zu Lehrinhalten wie Kontraste und optische Täuschungen stellt und daher gute Übergänge zu weiteren Themen des Lehrplans ermöglicht. Dabei werden farbige Schatten als physiologische Reaktion der Augen auf Simultan-Kontraste beschrieben.

Abb. 3:Farbiger Schatten mit blauer und weißer Leuchte
Abb. 4:Farbiger Schatten mit roter und weißer Leuchte
Abb. 5:Farbiger Schatten mit grüner und weißer Leuchte

Ergebnisse

In diesem Experiment wurden die Farbeindrücke der farbigen Schatten unter Einfluss der Umgebungsfarbe bei zwei Leuchten untersucht. Anhand eines Farbkreises, wie in Abb. 2 dargestellt, kann man erkennen, welche Farbeindrücke unter welchen Bedingungen entstehen.

Eine weiße Fläche, die von einer farbigen Fläche umgeben ist, wirkt in der Komplementärfarbe der Umgebungsflächenfarbe. Als Komplementärfarbe wird die Farbe verstanden, die keinen Anteil der Umgebungsfarbe beinhaltet. Im Fall von blau wäre die Komplementärfarbe gelb, bei rot wäre es cyan und bei grün ist es magenta. Dabei wird den Regeln der Farbmischung gefolgt. Im Farbkreis können die Komplementärfarben untersucht werden. Die von einer Grundfarbe aus gesehen im Farbkreis gegenüberliegende Farbe ist immer deren Komplementärfarbe, also die Farbe, die keinen Anteil an der Grundfarbe hat.

In Abb. 3 bis 5 sind die Farbeindrücke abgebildet.

Auswertung

Wie bereits beschrieben, entsteht auf der weißen Fläche ein scheinbar farbiger Eindruck. Der Farbfilter vor der anderen Leuchte beeinflusst die Farbwahrnehmung der Augen.

Es kommt zu einer neuronalen Kontrastverstärkung (siehe [11]). Bei der Kontrastverstärkung handelt es sich um unterschiedliche Eingangserregungen von benachbarten Sinneskanälen. Ein Sinneskanal leitet die von mehreren Rezeptorzellen aufgenommenen Informationen an das Gehirn weiter.

Als Beispiel wird eine weiße Fläche umgeben von einer blauen Fläche betrachtet. Der eine Sinneskanal erhält ein stärkeres Blau-Signal als der nächste Benachbarte. Aufgrund lateraler Inhibition wird der erste Sinneskanal den Zweiten stärker inhibieren, sodass die Ausgangsmeldungen des zweiten Sinneskanals überproportional abgeschwächt werden. Der Eingangskontrast wird daher verstärkt weitergegeben. Für unser „Blau-Beispiel“ bedeutet das, dass die Blau-Rezeptoren beim Blick auf die blaue Fläche verstärkt angeregt werden, beim Blick auf die weiße Fläche jedoch überproportional abgeregt werden und wir verhältnismäßig im erhöhten Maße auf die Grün- und Rot-Anteile der Weiß-Fläche reagieren. Die Fläche erscheint daher gelb. Die Mach’schen Bilder veranschaulichen dieses Prinzip sehr gut. Wird die weiße Fläche separat betrachtet (z.B. durch eine Röhre), scheint sie weiß.

Fotoapparate führen eine "technische" Kontrastverstärkung durch mit dem Ziel der Imitation menschlicher Farbwahrnehmung. Auf einer Fotografie entstehen daher die gleichen Farbeindrücke wie in der Realität. Der Unterschied zum Auge ist, dass die farbig scheinende Fläche des farbigen Schattens auf der Fotografie separat betrachtet farbig bleibt und nicht, wie in der Realität, weiß wird, da der farbige Eindruck als solches mit aufgenommen wurde.

Sicherheitshinweise

Da der Raum möglichst abgedunkelt wird, sollte darauf geachtet werden, dass der Aufbau platzsparend ist, um Verletzungs- und Stolpergefahr einzuschränken.


Literatur

  1. Labudde, Peter (2010):Fachdidaktik Naturwissenschaften - 01. - 09. Schuljahr, 1. Auflage, Haupt UTB
  2. Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I Physik, 1. Auflage (2006), Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport, Berlin, S. 28
  3. Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I Physik, 1. Auflage (2006), Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport, Berlin, S. 52
  4. Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I Biologie, 1. Auflage (2006), Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport, Berlin, S. 38
  5. Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I Biologie, 1. Auflage (2006), Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport, Berlin, S. 38, 61
  6. Rahmenlehrplan für die gymnasiale Oberstufe Biologie, 1. Auflage (2006), Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport, Berlin
  7. Goethe, Johann-Wolfgang (1810): Farbenlehre, Band 1, Verlag Freies Geistesleben 1979
  8. Goethe, Johann-Wolfgang (1810): Farbenlehre, Band 2 - Von den farbigen Schatten (1792), Verlag Freies Geistesleben 1979
  9. Grebe-Ellis, Johannes (2010): Schattenbilder wie Schriftzeichen lesen - Eine bildoptische Studie nach Kepler
  10. Westphal, Nico (2008): Der Zusammenhangzwischen Phänomenen der farbigen Schatten und den Farberscheinungen bei Edwin H. Lands Projektionsexperimenten
  11. Reichert, Heinrich (2000): Neurobiologie, 2. Auflage, Georg Thieme Verlag

Siehe auch

Farbmischung