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Farbmischung

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Farbmischung
Farbmischung allgemein 1.JPG

Additive (links) und subtraktive Farbmischung (rechts)

Kurzbeschreibung
Farbeindrücke können auf verschienene Weisen erzeugt werden, beispielswiese durch Überlagerung (Addition) von Licht mehrerer Lichtquellen oder Filterung (Subtraktion) bestimmter Anteile weißen Lichts
Kategorien
Optik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: 9/10
Basiskonzept: Materie
Sonstiges
Durchführungsform Demoexperiment für Schüler und Lehrer
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 2
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Robert M. Buge
Kontakt: \text{buge}@\text{math.hu-berlin.de}
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Nico Westphal
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Farben spielen in unserem alltäglichen Leben eine große Rolle. Sie helfen uns beispielswiese zu erkennen, ob Lebensmittel noch genießbar sind, ob wir die Straße überqueren können, usw. Ebenso können sie uns vor Gefahren warnen und Dinge hervorheben sowie Assoziationen hervorrufen. Dabei können feinste Nuancen einen Unterschied machen. Welcher Farbeindruck dabei entsteht hängt von der Mischung der Farbreize im Auge und von der Verarbeitung dieser im Gehirn ab. Dabei können Farbreize mehrerer Lichtquellen zusammengefasst werden.


Didaktischer Teil

Da Farben ein wichtiger Bestandteil unseres Alltgas sind, ist es wichtig zu wissen, was sie eigentlich sind und wie sie wahrgenommen werden. Nach der DIN-Norm 5033 ist Farbe diejenige Gesichtempfindung, durch die sich zwei aneinandergrenzende, sturkturlose Teile des Gesichtsfeldes bei einäugiger Betrachtung mit unbewegtem Auge allein unterscheiden können.[1] Farbe wird daher meist mit der Empfindung der elektromagnetischen Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm gleichgesetzt. Unser Auge nimmt Licht in diesem Wellenlängenbereich wahr und übersetzt es in Farbeindrücke. Dabei spielen auch noch die Sättigung und die Helligkeit der auftreffenden Strahlung für die Farbempfindung eine Rolle.

An dieser Stelle setzt dieses Experiment an. Ziel soll es sein, dass Schülerinnen und Schüler lernen, dass eine Farbe nicht eine einzelne Wellenlänge ist. Vielmehr soll erkannt werden, dass Wellenlängen Farbempfindungen zugeordnet werden können. Zudem soll der erste Schritt hin zu einem Farbraum erfolgen, indem jede Farbe eindeutig definiert werden kann. Das folgende Experiment zeigt dabei, wie sich einzelne Beispielfarben zusammenmischen lassen. Dies erfolgt zum Einen durch Überlagerung von Licht mehrerer Lichtquellen unterschiedlicher Farben (additive Farbmischung), zum Anderen durch Absorbtion bestimmter Anteile des elektromagnetischen Spektrums (subtraktive Farbmischung). Dabei soll deutlich werden, dass man viele - aber nicht alle - Farben durch Mischen dreier Grundfarben erzeugen kann.

Für die additive Farbmischung werden hierbei die Normvalenzen des menschlichen Auges, welche bei 435,8nm (entspricht Blau), 546,1nm (Grün) und circa 700nm (Rot) liegen, verwendet. Dadurch ergeben sich die drei Komplentärfarben Gelb, Magenta und Türkis, deren Mischung mit den Grundfarben Weiß ergibt, wie man im Experiment feststellen wird.

Für die subtraktive Farbmischung werden die Grundfarben aus der Drucktechnik verwendet, also Gelb, Magenta und Türkis. Ihre Komplentärfarben sind Blau, Grün und Rot mit deren Mischung sie Schwarz ergeben, was ebenfalls durch das Experiment nachweisbar ist.

Versuchsanleitung

Aufbau

Es empfiehlt sich für diesen Versuch den Raum vollständig abzudunkeln.

Abb.1: Farbfilter in den Grundfarben der additiven (links) und subtraktiven (rechts) Farbmischung

Material:

  1. Additive Farbmischung:
    • drei Projektoren
    • Farbfilter in den Grundfarben (rot, blau, grün)
    • Projektionsfläche (einfarbig weiß)
  2. Subtraktive Farbmischung:
    • ein Projektor
    • Farbfilter in den Grundfarben (gelb, türkis, magenta)
    • Projektionsfläche (einfarbig weiß)
Abb.2: Versuchsaufbau der additiven Farbmischung mit Diaprojektoren

Um die additive Farbmischung vorzuführen, sollten die Projektoren so nebeneinander angeordnet werden, dass sich ihre Projektionen auf der Projektionsfläche überlappen. (vgl. Abb.2) Dabei ist darauf zu achten, dass sie sich nicht vollständig überdecken. Es empfiehlt sich zwei Projektoren auf der gleichen Höhe anzuordnen und den dritten darüber oder darunter. Nun werden vor die Projektionslampen je ein Farbfilter so positioniert, dass der gesamte Lichtkegel dadurch bedeckt wird.

Für die subtraktive Farbmischung wird lediglich ein Projektor so eingestellt, dass er möglichst viel der Projektionsfläche beleuchtet. Die anderen Projektoren sind ausgeschaltet und werden nicht benötigt.

Durchführung

Additive Farbmischung

Zunächst werden nur zwei Projektoren benutzt. Vor jede Projektorlampe wird nun ein Farbfilter gebracht und das Ergebnis betrachtet.

Dabei sind drei verschiedene Kombinationen möglich:

  1. roter und grüner,
  2. roter und blauer,
  3. grüner und blauer Farbfilter.

Mit anderen Filtern sind auch andere Kombinationen möglich. So lassen sich beispielsweise Orangetöne mithilfe eines Rot- und eines Gelbfilters erzeugen. Auch kann bereits auf diese Weise ein Weiß erzeugt werden, indem man Filter in komplementären Farben benutzt.

Anschließend wird auch der dritte Projektor in Betrieb genommen. Vor die Projektorlampen wird nun je ein Filter der drei Grundfarben positioniert.

Subtraktive Farbmischung

In den Strahlengang des Projektors wird zunächst ein Filter gehalten. Und eine Stelle für ein möglichst scharfes Bild gesucht. Ist dieser Punkt gefunden wird ein zweiter direkt an den ersten Filter gehalten. Dabei können die Filter vollständig überlappen. Eindrucksvoller ist es jedoch, wenn sie nur teilweise überlappen. Auch sind bei den drei Grundfarben drei verschiedene Kombinationen möglich:

  1. Türkis und Gelb
  2. Gelb und Magenta
  3. Türkis und Magenta.

Abschließend werden nun alle drei Filter aneinander gehalten. Auch hier ist es anschaulicher die Filter so zu überlappen, dass sowohl die Überlappung aller drei Filter, als auch von je zwei Filtern sichtbar sind.

Ebenso wie bei der additiven Farbmischung sind auch hier mit anderen Farbfiltern andere Kombinationen möglich. Beispielsweise lassen sich Orangetöne mittels roter und grüner Filter erzeugen. Auch lässt sich so bereits mit zwei Filtern ein schwarz erzeugen.

Ergebnisse

Additiv

Abb.3: Additive Farbmischung von rotem und grünem Licht

Das Licht der beiden Projektoren wird auf der Fläche abgebildet. Dabei sind die Farben der Ränder entsprechend der Farben der Filter gefärbt, d.h. der rechte Rand ist in der Farbe des rechten Filters, der linke in der Farbe des linken gefärbt. In der Mitte, wo sich die Projektionen beider Projektoren überschneiden, entsteht eine dritte von den Filtern verschiedene Farbe.

Abb.4: Additive Farbmischung von rotem und blauem Licht

Bei den einzelnen Kombinationen treten dabei verschiedene Mischfarben auf:

  1. Gelb bei der Mischung von rotem und grünem Licht, (Abb.3)
  2. Magenta bei der Mischung von rotem und blauem Licht (Abb.4) und
  3. Türkis bei der Mischung von grünem und blauem Licht. (Abb.5)
Abb.5: Additive Farbmischung von blauem und grünem Licht

Bei dem Versuch mit drei Projektoren sind widerum die äußeren Ränder in den Farben der Filter gefärbt. In den Schnittflächen zweier Projektoren entsteht der Mischeindruck wie oben aufgeführt. Dort, wo sich die Projektionen aller drei Projektoren überschneiden, entsteht ein weißer Farbeindruck. (Abb.6)

Abb.6: Additive Farbmischung von blauem, rotem und grünem Licht
Ergebnisse additiver Farbmischung mit zwei Lichtquellen
Licht der ersten Lichtquelle Licht der zweiten Lichtquelle Dadurch fehlende Grundfarbe(n) Entstehender Farbeindruck
- - Rot, Grün, Blau Schwarz
Rot - Grün, Blau Rot
Grün - Rot, Blau Grün
Blau - Rot, Grün Blau
Rot Grün Blau Gelb
Rot Blau Grün Magenta
Blau Grün Rot Türkis
Türkis Rot - Weiß
Magenta Grün - Weiß
Gelb Blau - Weiß

Betrachtet man bei den einzelnen Versuchen die Projektoren aus den einzelnen Bereichen, kann man sehen, welche Lampe vorrangig die Fläche beleuchtet. In den Randbereichen sind das jeweils die Lampen in der entsprechenden Farbe. In den Schnittflächen zweier Lampen scheinen diese etwa gleich stark und aus dem weißen Erscheinungsfeld sind alle drei Lampen gleich stark.


Subtraktiv

Abb.7: Subtraktive Farbmischung von Türkis und Gelb

Zunächst wird der Filter auf der Projektionsfläche abgebildet. Das Bild hat dabei dieselbe Farbe wie der Filter. Wird nun ein zweiter Filter in den Lichtkegel gebracht wird auch dieser farbtreu abgebildet. Sobald sich die beiden Filter überlappen, erscheint die Schnittfläche beider in einer dritten von den Filtern verschiedene Farbe. Ebenso verhält sich die Abbildung auf der Projektionsfläche.

Abb.8: Subtraktive Farbmischung von Magenta und Gelb

Die dabei entstehenden Farben der Schnittfläche sind abhängig von der Wahl der Filter:

  1. grün bei Türkis- und Gelbfilter (Abb.7)
  2. orangerot bei Gelb- und Magentafilter sowie (Abb.8)
  3. violett bei Türkis- und Magentafilter. (Abb.9)
Abb.9: Subtraktive Farbmischung von Türkis und Magenta

Bringt man alle man drei Filter zusammen, so entsteht dort, wo sich zwei Filter überlagern obiger Farbeindruck. Die Fläche, an welcher sich alle drei Filter überschneiden erscheint dem Betrachter grau bis schwarz. (Abb.10)

Abb.10: Subtraktive Farbmischung zu Schwarz
Ergebnisse subtraktiver Farbmischung
Farbe des ersten Farbfilters Farbe des zweiten Farbfilters Entstehender Farbeindruck
- - Weiß
Magenta - Magenta
Gelb - Gelb
Türkis - Türkis
Türkis Gelb Grün
Gelb Magenta Rot
Türkis Magenta Blau
Grün Magenta Schwarz
Rot Türkis Schwarz
Blau Gelb Schwarz


Auswertung

Wir haben also nun für jede Farbe zwei Möglichkeiten diese wahrzunehmen. Entweder durch Filtern der komplentären Farbanteile oder durch Lichtquellen in den entsprechenden Farben der additiven Farbmischung.

Gewünschter Farbeinduck Benötigte Farben der Lichtquellen (additiv) Benötigte Farbfilter (subtraktiv)
Weiß Rot, Grün, Blau -
Rot Rot Gelb, Magenta
Gelb Rot, Grün Gelb
Grün Grün Gelb, Türkis
Türkis Grün, Blau Türkis
Blau Blau Türkis, Magenta
Magenta Rot, Blau Magenta
Schwarz - Gelb, Türkis, Magenta

Sicherheitshinweise

Zu beachten ist, dass für das Experiment der Raum verdunkelt werden muss. Dabei sind aufgrund der geringen Lichtverhältnisse Hindernisse nur schwer sichtbar. Vermeiden Sie also Stolperfallen (hier vor Allem die Kabel der Projektoren) und andere Hindernisse.

Außerdem ist zu beachten, dass die Farbfilter bei lang anhaltender Beleuchtung warm werden.

Literatur

  1. Lübbe, E.: Farbempfindung, Farbbeschreibung und Farbmessung, (Wiesbaden 2013), S.1.