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Spiegelspaltblende

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Spiegelspaltblende
Darstellung einer Spiegelspaltblende, der damit erzeugten Spektren und Nachweis der Komplementarität durch Überlagerung

Darstellung einer Spiegelspaltblende, der damit erzeugten Spektren und Nachweis der Komplementarität durch Überlagerung

Kurzbeschreibung
Optisches Demonstrationsexperiment zur objektiven Erzeugung komplementärer Spektren
Kategorien
Optik, Phänomenologie
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Doppeljahrgangsstufe 9/10; Sek II
Basiskonzept: System
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1
Anspruch des Aufbaus mittel
Informationen
Name: Kristoph Schumann
Kontakt: schumann@physik.hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Steffen Wagner
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Die Spiegelspaltblende ist eine 2009 von M. Rang[1] entwickelte Spezialform verstellbarer optischer Blenden.

Die Besonderheit der Spiegelspaltblende liegt in der beidseitigen Verspiegelung der Backen, die einen gleichzeitigen Einsatz als variable Spalt- und Stegblende erlaubt. Dadurch kann mit Hilfe von Prismen das in seiner Beschreibung auf Newton zurückgehende Spaltspektrum (auch: Newtonspektrum) aus Rot, Grün und Blau auf einem Schirm neben dem auf Goethe zurückgehenden Stegspektrum (auch: Goethespektrum) aus Cyan, Magenta und Gelb dargestellt werden (vgl. Rang[1], 2009, S. 6f). Diese Spektren können als von einander abhängige, komplementäre Teile eines Ganzen gesehen werden, was hier konkret bedeutet, dass eine Überlagerung beider Spektren in einem weißen Farbeindruck resultiert.

Didaktischer Teil

Erkenntnisgewinnung und Natur der Naturwissenschaften im Physikunterricht

Die Forderung, im Physikunterricht nicht nur Fachinhalte, sondern auch Kompetenzen in den Bereichen Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung zu vermitteln, wird in den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz (KMK[2], 2005, S. 7) ebenso wie im Rahmenlehrplan Physik für die Sekundarstufe 1 (RLP[3], 2006 , S. 9) gestellt. Im Bereich Erkenntnisgewinnung findet sich in beiden Dokumenten die Kompetenz Die Schülerinnen und Schüler beurteilen die Gültigkeit empirischer Ergebnisse und deren Verallgemeinerung (KMK[2], 2005, S.11 bzw. RLP[3], 2006, S. 21), welche im Physikunterricht gefördert werden soll. In dem hier dargestellten Zusammenhang schließt die Verallgemeinerung der empirischen Ergebnisse dabei auch das Bilden physikalischer Gesetze nach der induktiven Methode (s. Newtons erkenntnistheoretische Vorgehensweise) ein.

Auch erscheint eine erkenntnistheoretische Beschäftigung mit der Entstehung und Etablierung von Theorien innerhalb der Wissenschaft darüber hinaus für den Physikunterricht angebracht, widmet doch z. B. E. Kircher dem Thema Über die Natur der Naturwissenschaften lernen ein ganzes Kapitel in seinem Standardwerk der Physikdidaktik (vgl. Kircher[4], 2009, S. 763 ff.) und es finden sich diverse Hinweise auf Mängel in eben diesem Bereich. So stellt A. Strahl fest, dass viele Schülerinnen und Schüler einen „naiven Realismus“ vertreten, der davon ausgeht, „dass die Phänomene der Welt genauso sind, wie man sie wahrnimmt“ (Strahl[5], 2014, S. 7) und Lehrsätze somit „die Welt/ das Sein/ die Wahrheit ‚wie sie nun mal ist‘“ (ebd.) beschreiben. V. Nordmeier et al. wiederum nennen Falsifizierbarkeit als zentrales Kriterium von Hypothesen, allerdings „folgen [die Lehrenden im Physikunterricht] in der Regel eher dem vermeintlich einfacheren Weg der (empirischen) Verifikation.“ (Nordmeier et al.[6], 2014, S. 22). An diesen Punkten sollte der Physikunterricht ansetzen und Wege suchen, um Schülerinnen und Schülern im Bereich der Erkenntnisgewinnung adäquate Vorstellungen zu vermitteln.

Newtons erkenntnistheoretische Vorgehensweise

Isaac Newton hat nicht nur die physikalischen Fachinhalte an vielen Stellen stark beeinflusst – auch seine Art und Weise, Wissenschaft zu betreiben, hat die Physik lange Zeit geprägt.
Newton vertritt dabei unter anderem die induktive Methode, die von Kircher als „Weg […], der von den aus Experimenten gewonnenen Daten ausgehend zu physikalischen Gesetzen und Theorien führt“ (Kircher[4], 2009, S. 775, Hervorhebung im Original) definiert wird. Newton schreibt selbst zu diesem Thema: „Ich bin auf die von mir vorgelegte Theorie nicht dadurch gestoßen, dass ich gefolgert habe, es müsse sich so verhalten, weil es sich nicht anders verhalten könne. [...] Vielmehr habe ich sie positiv und direkt aus Experimenten abgeleitet.“ (Newton, Brief an Oldenburg vom 6.7.1672, zitiert nach Müller[7], 2015, S. 60, Hervorhebung im Original).
Für einen zeitgemäßen Physikunterricht ist diese Methode nicht aktuell, denn „in neuerer Zeit hat sich die Wissenschaftstheorie weitgehend von der hinter dem Ausdruck ‚Induktion‘ stehenden Wissenschaftsauffassung distanziert“, wie Kircher[4] (2009, S. 777) schreibt und weiter ausführt: „Die hier vorgetragene Kritik richtet sich vor allem gegen die der ‚induktiven Methode‘ immanente Praxis des Unterrichtens. Denn diese Praxis manipuliert die Lernenden, wenn sie durch sogenannte ‚generalisierende Induktion‘ fraglos und vorschnell, das Vorverständnis der Schülerinnen und Schüler übergehend, aus wenigen Messdaten allgemeine physikalische Gesetze ‚gewinnt‘“ (ebd., S. 778, Hervorhebung im Original).

Ebenfalls stellt Newton in seinem Werk Opticks den Anspruch, nicht nur „die Eigenschaften des Lichts durch Hypothesen zu erklären, sondern sie anzugeben, sowie durch vernünftige Argumentation und Experimente zu beweisen“ (Newton, 1983 [1898 erstmals erschienene Übersetzung des erstmals 1704 erschienenen Originals], zitiert nach Müller[7], 2015, S. 60, Hervorhebung durch Müller, 2015). Diese Beweisbarkeit durch experimentelle Verifikation, die sich lt. Nordmeier et al.[6] (2014) auch oft als Methode im Physikunterricht findet, wie bereits in Erkenntnisgewinnung & Natur der Naturwissenschaften im Physikunterricht dargestellt, entspricht dabei jedoch auch nicht dem Verständnis von Erkenntnisgewinnung, das im heutigen Unterricht angestrebt werden soll. Kircher formuliert es in seinen Erkenntnistheoretischen Zielen im Unterricht folgendermaßen: „Schülerinnen und Schüler verstehen, dass bei Entscheidungsprozessen innerhalb der Naturwissenschaften (Bestätigung oder Widerlegung einer Hypothese) experimentelle Tatsachen einen hohen Stellenwert haben, (insbesondere wenn durch verschiedene Messanordnungen und Messmethoden das gleiche experimentelle Resultat erzielt wird), aber Theorien weder endgültig beweisen noch widerlegen.“ (Kircher[4], 2009, S. 766, Hervorhebung im Original).

So wichtig es ist, Schülerinnen und Schülern insgesamt ein zeitgemäßes Wissenschaftsverständnis zu vermitteln, kann es dafür gerade interessant sein, Ansichten aus früheren Zeiten zu diesem Thema im Unterricht zu behandeln. Eine umfangreiche Darstellung dazu findet sich in Kircher[4] (2009) und in Bezug auf Newtons Wissenschaftssicht auch in Müller[7] (2015).

Einordnung des Experiments in den Physikunterricht

Das hier vorgestellte Experiment ist gut geeignet, um die zuvor genannten Aspekte im Unterricht zu thematisieren. Mit dem Spalt- und Stegspektrum liefert es zwei verschiedene, ebenbürtige Theorien der Zusammensetzung des Lichts: Im newtonschen Modell wäre das weiße Licht aus roten, grünen und blauen Strahlen (mit unendlich vielen farblichen Zwischenabstufungen) zusammengesetzt und der schwarze Schatten optisch unwirksam; im goetheanischen Gegenmodell wäre der schwarze Schatten aus cyan- und magentafarbenden, sowie gelben Strahlen (mit unendlich vielen farblichen Zwischenabstufungen) zusammengesetzt und das weiße Licht optisch unwirksam. Dadurch kann ein kognitiver Konflikt bei den Schülerinnen und Schülern ausgelöst werden, der zu einer Reflexion ihrer erkenntnistheoretischen Alltagsvorstellungen führt.

Eine Einordnung in den Rahmenlehrplan ist in die Module P3 9/10 Besser sehen (RLP[3], 2006, S. 44); W4 9/10 Farben sehen, Regenbogen (ebd., S. 52) oder WP 7 Farben wahrnehmen (ebd., S. 68) möglich. Dabei ist auch eine fächerübergreifende Gestaltung des Unterrichts gut denkbar, z. B. mit Geschichte (historische Aspekte des Wissenschaftsverständnisses), Deutsch (Goethe als Literat und Naturwissenschaftler) oder Kunst (Farbenlehre, insb. additive und subtraktive Farbmischung) als zweitem Fach.

Versuchsanleitung

Vor dem hier geschilderten Experiment sollten Spiegelungen abschließend im Unterricht behandelt worden sein; es empfiehlt sich, auch optische Hebung und Linsenabbildung bereits thematisiert zu haben (vgl. Rang [1], 2009, S. 17).
Innerhalb einer Unterrichtseinheit über Farben bietet es sich an, zuerst den newtonischen Aufbau gründlich zu behandeln und auch schon Goethes Umkehrung dieses Aufbaus (dunkler Fleck vor hellem Grund statt hellem Fleck vor dunklem Grund) anzuführen. Letzteres kann im Rahmen subjektiver Experimente geschehen, bei denen jeder am Unterricht Teilnehmende durch ein Prisma auf ein an die vordere Wand projiziertes Bild schaut (Details zu subjektiven Experimenten können z. B. in Müller[7] (2015, S. 66 ff.) nachgelesen werden). Anschließend kann die Spiegelspaltblende als Möglichkeit zur objektiven Erzeugung des Stegspektrums eingeführt werden.

Abb. 1: Gesamter Versuchsaufbau im Überblick

Aufbau

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

Das Hauptstück der Versuche stellt die Spiegelspaltblende dar, die über die Lehrmittelabteilung der Pädagogischen Forschungsstelle Kassel bezogen werden kann.
Zur Zerlegung des Lichts werden hier Geradsichtprismen (4 × 4 cm) verwendet, die in dieser Größe leider nicht mehr produziert werden und deshalb schwer zu beschaffen sind. Alternativ können laut Rang gewöhnliche Prismen auf Spiegel geklebt werden, die dann horizontal geneigt in den Strahlengang gestellt werden (Details siehe Rang[1], 2009, S. 15).

Die sonst benötigten optischen Geräte werden von verschiedenen Herstellern angeboten und sollten in jeder Physik-Sammlung zu finden sein. Hier wurden folgende Geräte verwendet:

  • Leybold: optische Bank (Seriennummer 460 34)
  • Leybold: optische Reiter (Seriennummer 460 351 bzw. 460 352 bzw 460 357)
  • Leybold: Verschiebereiter (Seriennummer 460 383)
  • Hedler Systemlicht: Leuchte C10 (1000 W)
  • Phylatex: variable Spaltblende
  • Leybold: Sammellinse (f = +150~\mathrm{mm} und f = +200~\mathrm{mm} – Seriennummer 460 04 bzw. 460 08)
  • Leybold: Prismentisch (Seriennummer 460 25)
  • Leybold: Spiegel (Seriennummer 463 20)


Abb. 2: Abgeschirmte Lichtquelle mit Spaltblende und Kondensorlinse sowie Bild des Glühfadens nach Justierung der Kondensorlinse

Beim Aufbauen des Experiments sollten zuerst die Lichtquelle und ein Spiegel an den Enden einer diagonal über den Experimentiertisch gelegten optischen Bank montiert werden. Dabei müssen der Raum verdunkelt und die Lampe gut abgeschirmt sein, um Streulicht auf dem Schirm zu vermeiden. Es empfiehlt sich außerdem, den Tisch mit einem schwarzen Tuch abzudecken. Da der Abstand des Tisches zum Schirm die Größe der Spektren bestimmt, sollte er auf die Größe des Schirms und die Leistung der Lampe abgestimmt werden. Mit den hier beschriebenen Geräten war ein Abstand von vier Metern möglich, was zu etwa einem Meter hohen Bildern auf dem Schirm führte.

Als nächstes wird die Kondensorlinse in einfacher Brennweite der Lampe aufgestellt und der Spiegel so gedreht, dass das Bild der Lampe in der Mitte des Schirms zu sehen ist. Nun ist der Abstand der Linse so zu justieren, dass sich ein scharfes Bild des Glühfadens ergibt, wie in Abb. 2 gezeigt. Anschließend kann die Spiegelspaltblende etwa in der Mitte der optischen Bank angebracht werden. Für eine bessere Darstellung der Kantenspektren kann es hierbei von Vorteil sein, einen senkrecht zur optischen Achse verschiebbaren Verschiebereiter zu verwenden, falls so etwas zur Verfügung steht.

Abb. 3a: Abbildungslinse, Prisma und Spiegel, aus denen das Spaltpektrum generiert wird
Abb. 3b: Abbildungslinse, Prisma und Spiegel, aus denen das Stegspektrum generiert wird
Abb. 3c: Bild des Stegs (links) und des Spalts (rechts) nach Justierung beider Abbildungslinsen

Hinter die Spiegelspaltblende werden Abbildungslinse und Prismentisch so wie in Abb. 3a gestellt. Dabei ist die Abbildungslinse vor dem Auflegen des Prismas auf den Prismentisch so zu justieren, dass sich auf dem Schirm ein scharfes Bild der Kanten der Spiegelspaltblende ergibt. Zur Darstellung des Steakspektrums muss nun noch das an der Spiegelspaltblende reflektierte Licht durch eine identische Anordnung aus Linse, Prisma und Spiegel gelenkt werden, wie in Abb. 3b gezeigt wird. Mithilfe der beiden Stellschrauben ist die Spiegelspatblende so einzustellen, dass die Kanten der Spiegel parallel, nicht gegeneinander versetzt und in einem angemessenen Abstand zueinander stehen. Das resultierende Bild auf dem Schirm sollte wie in Abb. 3c aussehen.

Um die Komplementarität der Spektren zeigen zu können, müssen zudem noch die Höhen der Abbildungslinsen aufeinander abgestimmt werden. Hierzu die Prismen auf die Tische legen, mit den Spiegeln beide Bilder überlagern und die Höhe einer Linse so verstellen, dass die Komplementärfarben sich zu weiß ergänzen. Je nach dem, wie ausführlich beide Spektren vor Versuchsdurchführung im Unterricht behandelt wurden (siehe Einordnung des Experiments in den Physikunterricht), kann es außerdem ratsam sein, zu Beginn der Durchführung erst das Spalt- und anschließend das Stegspektrum zu zeigen. Dazu braucht lediglich ein Gegenstand, zum Beispiel ein kleiner optischer Schirm, in den Strahlengang des von der Spiegelspaltblende reflektierten Lichts gestellt zu werden.

Durchführung

Wenn das Experiments wie im Aufbau beschrieben aufgebaut wurde, muss während der Durchführung nur noch die Lage der Spiegel der Spiegelspaltblende variiert werden. Alle anderen Geräte brauchen nicht verändert zu werden.

Als Einstieg kann das Bild des Spaltes und Steges, wie in Abb. 3c zu sehen, gezeigt werden, bevor die Prismen aufgelegt werden. Wenn zuvor im Unterricht subjektive Experimente behandelt wurden (s. Einordnung des Experiments in den Physikunterricht), wird somit daran angeknüpft. Je nachdem, wie viel Zeit zur Verfügung steht, kann auch der Versuchsaufbau mit den Schülerinnen und Schülern gemeinsam erarbeitet und die Funktion der einzelnen Elemente erfahren werden. Anregungen dazu finden sich in Rang[1] (2009, S. 18 ff.) – hier soll darauf nicht näher eingegangen werden.

Nachdem beide Spektren gezeigt wurden, wird der Abstand der Spiegel systematisch vergrößert bzw. verkleinert, wobei die Veränderungen in den Spektren beobachtet werden. Die Prismen bleiben dabei die ganze Zeit im Strahlengang.
Achtung! Äußerste Vorsicht beim vollständigen Schließen des Spaltes – die Spiegelkanten sind sehr empfindlich!

Anschließend werden die Spiegel mithilfe der zweiten Stellschraube gegeneinander versetzt, wobei die Richtung so gewählt werden sollte, dass sich die Bilder der entsprechenden Spiegelkanten auf dem Schirm von einander weg bewegen, damit es nicht hier schon zu einer Überlagerung kommt.

Zuletzt werden beide Spektren bei gleicher Einstellung der Spiegelspaltblende wie zu Beginn durch Drehen an einem der Spiegel übereinander gelegt.

Ergebnisse

Vor der Beschreibung der konkreten Beobachtungen sei bemerkt, dass sich selbige auf die vor Ort wahrgenommenen Phänomene und nicht auf ihre fotografische Wiedergabe beziehen. Die Abbildungen dienen mehr der Orientierung, da die Wiedergabe einzelner Farben auf den Fotos nur mäßig gelungen ist und auf verschiedenen PC-Bildschirmen uneinheitlich dargestellt wird. Auch die klare Abgrenzung der einzelnen Bereiche und die Zwischenfarben erscheinen zum Teil nicht korrekt.

Abb. 4: Darstellung des Bildes auf dem Schirm bei anfänglicher Konfiguration der Blende

Zu Beginn des Experiments sind vor dem Auflegen der Prismen am Schirm zum einen ein horizontaler weißer Steifen auf schwarzem Grund zu sehen und zum anderen ein weißer Kreis, der von einem horizontalen schwarzem Streifen durchbrochen wird. Beide Streifen haben dabei die gleiche Höhe und Breite, sind allerdings vertikal gegeneinander verschoben (vgl. Abb. 4, links). Hier befindet sich der weiße Streifen rechts vom schwarzen, das hängt allerdings vom konkreten Aufbau ab und ist weiter nicht relevant. Statt des weißen Kreises sind je nach Aufbau auch andere Formen möglich.
Nachdem die Prismen hinzugefügt wurden, sind dort, wo der weiße Streifen auf schwarzem Grund war, horizontale Streifen in den Farben des Regenbogens blau - cyan - grün - gelb - rot (sowie Zwischenstufen als Mischung dieser Farben) zu sehen. Hier treten diese Farben von oben nach unten auf; dies hängt allerdings von der Stellung des Prismas ab, ebenso ist die Reihenfolge von unten nach oben möglich. Unter Einbeziehung der Farben der Kanten ergibt sich also der Farbverlauf schwarz - blau - cyan - grün - gelb - rot - schwarz.
Dort, wo vor Auflegen der Prismen der schwarze Streifen auf weißem Grund war, werden auf gleicher Höhe wie die eben beschriebenen Farben deren Komplementärfarben weiß - gelb - rot - magenta - blau - cyan - weiß sichtbar. Darüber hinaus bilden sich an den Rändern des weißen Kreises ebenfalls Farbsäume (oben schwarz - blau - cyan - weiß unten weiß - gelb - rot - schwarz), die sich stellenweise mit dem Spektrum mischen (vgl. Abb. 4, rechts). Wie schon gesagt wird der rechte Farbverlauf als Spalt- oder Newtonspektrum bezeichnet, der linke als Steg- oder Goethespektrum.


Abb. 5a: Darstellung des Bildes auf dem Schirm bei Variation des Abstands der Blendenkanten: großer Abstand
Abb. 5b: Darstellung des Bildes auf dem Schirm bei Variation des Abstands der Blendenkanten: geringer Abstand

Bei einer Vergrößerung des Abstands der Blendenkanten verschiebt sich die untere Blendenkante nach unten, die obere bleibt an Ort und Stelle (vgl. Abb. 5a, links). Mit aufgelegten Prismen verschwindet bei einer gewissen Breite die mittlere Farbe des jeweiligen Spektrums (grün bzw. magenta), stattdessen wird ein weißer bzw. schwarzer Streifen sichtbar. Eine weitere Vergrößerung des Abstands verändert lediglich die Position dieser Streifen. Die Farben dieses weiten Spektrums sind schwarz - blau - cyan - weiß - gelb - rot - schwarz bzw. weiß - gelb - rot - schwarz - blau - cyan - weiß, somit treten auf beiden Seiten die Verläufe schwarz - blau - cyan - weiß und weiß - gelb - rot - schwarz auf, allerdings in verschiedener Reihenfolge (vgl. Abb. 5a, rechts).

Eine Verkleinerung des Abstands bewirkt analog eine Verschiebung der unteren Blendenkante nach oben. Dabei verändern sich im Vergleich zum Spalt- und Stegspektrum lediglich die Höhen der einzelnen Farbstreifen, wobei die Zwischenfarben nicht mehr so deutlich erkennbar sind (vgl. Abb. 5b). Die Farbsäume am Rand des Stegspektrums bleiben dabei die ganze Zeit unverändert und mischen sich wiederum mit den beschriebenen Spektren.


Abb. 6: Darstellung des Bildes auf dem Schirm bei horizontalem Versatz der Blendenkanten zu einander (sogenanntes Kantenspektrum)

Werden die Kanten vertikal gegeneinander verschoben, bilden sich in jedem Spektrum zwei Bereiche, in denen entweder beide Kanten vorhanden sind, oder eine der beiden fehlt (vgl. Abb. 6, links). In den Bereichen mit beiden Kanten bilden sich die aus dem Spalt- und Stegspektrum bekannten Farbverläufe. Neben dem Spaltspektrum fehlt die obere Kante und der Farbverlauf gleicht dem unteren Teil des weiten Spaltspektrums: weiß - gelb - rot - schwarz. Dazu bildet sich nun auch an dem oberen Ende des weißen Flecks ein kreisbogenförmiger blauer Farbsaum. Neben dem Stegspektrum fehlt dagegen die untere Kante. Hier gleicht der Farbverlauf dem oberen Teil des weiten Stegspektrums: schwarz - blau - cyan - weiß. Der Farbsaum am Rand des Kreises verschwindet an der Stelle der fehlenden Kante, bleibt sonst jedoch bestehen (vgl. Abb. 6, rechts).


Abb. 7: Darstellung des Bildes auf dem Schirm bei Überlagerung des Spalt- und Stegspektrums

Bei einer teilweisen Überlagerung beider Bilder auf dem Schirm ist mit Prismen im nicht-überlagerten Bereich das Spalt- oder Stegspektrum erkennbar, im überlagerten Bereich dagegen (allerdings nur bei entsprechend feiner Abstimmung der Positionen der Bilder, wie im Aufbau beschrieben) nur ein einfarbiger, weißer Bereich (wobei auch hier wieder die Farbsäume an den Rändern des Stegspektrums nicht fehlen).

Auswertung

Über alle beobachteten Bilder finden sich (ohne Prismen) vier verschiedene Situationen:

  • schwarz - weiß - schwarz (in nicht zu weitem Abstand)
  • weiß - schwarz - weiß (in nicht zu weitem Abstand)
  • weiß - schwarz
  • schwarz - weiß

Die Farbverläufe (mit Prismen) sind dabei für gleiche Situationen gleich, egal, in welchem Spektrum sie auftreten:

  • schwarz - weiß - schwarz \rightarrow schwarz - blau - cyan - grün - gelb - rot - schwarz (Spaltspektrum)
  • weiß - schwarz - weiß \rightarrow weiß - gelb - rot - magenta - blau - cyan - weiß (Stegspektrum)
  • weiß - schwarz \rightarrow weiß - gelb - rot - schwarz (sogenanntes rotes Kantenspektrum)
  • schwarz - weiß \rightarrow schwarz - blau - cyan - weiß (sogenanntes blaues Kantenspektrum)

Auch die beobachteten Farbsäume passen in diese Situationen.

Zu den oberen beiden Situationen wurden bereits Modelle für Licht und Schatten diskutiert, in denen jeweils eine der Situationen als ursprüngliche betrachtet wird:
Wenn man damit beginnt, wie Newton es getan hat, das Licht durch ein kleines Loch im Fensterladen über ein Prisma in einen abgedunkelten Raum fallen zu lassen, sieht man zuerst das Spaltspektrum und kann legitimerweise das Modell aufstellen, das weiße Licht bestehe aus Strahlen in den Farben blau, grün und rot (mit unendlich vielen Zwischenabstufungen) und der schwarze Schatten sei optisch unwirksam. Das Prisma fördert dabei diese sonst nicht sichtbaren Bestandteile des Lichts zutage. Mit diesem Modell lassen sich auch, wenngleich etwas komplizierter, die Farbverläufe der anderen Situationen schlüssig und abschließend als Überlagerung von einfarbigen Lichtstrahlen erklären (s. Müller[7], 2015, S. 155 und Farbtafel 12).
Beginnt man dagegen wie Goethe mit dem Prisma nahe am Auge und betrachtet dunkle Gegenstände vor hellem Grund, ist es naheliegender, die zweite Situation als ursprüngliche zu betrachten, und aus dem Modell, dass der schwarze Schatten aus Strahlen in den Farben gelb, magenta und cyan (mit unendlich vielen Zwischenabstufungen) bestehe und das weiße Licht optisch unwirksam sei, Erklärungen für die anderen Situationen zu finden (s. Müller[7], 2015, S. 159 und Farbtafel 13).
Eine dritte Möglichkeit besteht darin, von den weiß-schwarzen bzw. schwarz-weißen Kanten auszugehen und die Entstehung der Farben Grün und Magenta als Überlagerungen dieser Kantenspektren zu betrachten.

In dem Experiment mit der Spiegelspaltblende zeigen sich dabei die Vor- und Nachteile der einzelnen Modelle: Je nach Situation ist ein anderes Modell am elegantesten – beim engen Spalt das von Newton beschriebene, beim engen Steg das nach Goethe benannte, bei weit geöffneten oder gegeneinander versetzten Kanten das Modell der Kantenspektren. Daraus ergibt sich die erkenntnistheoretische Erfahrung, dass es nicht die eine, richtige Beschreibung der Wirklichkeit gibt, sondern von verschiedenen Standpunkten ausgehende Modelle diese Wirklichkeit gleichermaßen beschreiben können. Ein induktives Vorgehen kann dabei immer nur ein Modell liefern, nicht jedoch eine allgemeingültige Theorie. Vor allem aber können diese Modelle nicht bewiesen werden, schon gar nicht durch Experimente. Newtons erkenntnistheoretische Vorgehensweise wird damit als nicht mehr zeitgemäß dargestellt. Gestreift wird auch die Frage der Falsifizierbarkeit: Ist Newtons Theorie durch Goethes Experimente widerlegt (oder andersherum)? In diesem Fall nicht, da jedes Modell auch die Ergebnisse der anderen Experimente erklären kann.

Darüber hinaus wird in der Überlagerung der Spektren deutlich, dass jedes für sich betrachtet nur noch ein Teil der ursprünglichen optischen Situation ist. Zusammen ergeben sie wieder das Bild, das entstehen würde, wenn man die Spiegelspaltblende entfernen würde: einen weißen Fleck.

Sicherheitshinweise

Die Spiegelspaltblende ist ein recht fragiles Bauteil, das dementsprechend behutsam zu behandeln ist. Es wird ausdrücklich empfohlen, die Sicherheitshinweise bei Rang[1] (2009, S. 8f. sowie 33ff.) sorgsam zu lesen, bevor die Spiegelspaltblende das erste Mal angefasst wird!

Darüber hinaus ist bei der hier verwendeten Lampe eine starke Hitzeentwicklung unumgänglich. Man sollte versuchen, direkte Berührungen der Lampe oder der variablen Spaltblende zu vermeiden und im Fall von Verbrennungen diese kühlen und mit Senf bestreichen. Durch die Abschirmung überhitzt die Lampe darüber hinaus bereits nach wenigen Minuten und sollte nur für kurze Zeit in Betrieb genommen werden, da sonst eine Sicherung die Lampe für einige Minuten abschaltet.

Zuletzt sei noch darauf hingewiesen, dass in einem abgedunkelten Raum Stolper- und Stoßgefahr besteht, was bei der Anordnung der Tische und Kabel beachtet werden sollte.

Literatur

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Rang, M. (2009): Die Spiegelspaltblende. Hinweise für den Gebrauch und die Anwendung im Unterricht; Pädagogische Forschungsstelle Kassel; Kassel
  2. 2,0 2,1 Kultuministerkonferenz (2005): Beschlüsse der Kultusministerkonferenz. Bildungsstandards im Fach Physik für den Mittleren Schulabschluss (Jahrgangsstufe 10); Luchterhand; München
  3. 3,0 3,1 3,2 Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport Berlin (Hrsg.) (2006): Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I. Verfügbar unter https://www.berlin.de/imperia/md/content/sen-bildung/schulorganisation/lehrplaene/sek1_physik.pdf [12.02.16]
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 Kircher, E. (2009): Über die Natur der Naturwissenschaften lernen. In: Kircher, E.; Girwidz, R.; Häußler, P. (Hrsg.): Physikdidaktik. Theorie und Praxis. Springer Verlag; Berlin, Heidelberg; S. 763-798
  5. Strahl, A. (2014): Einführung in die philosophischen Grundlagen der Natur der Naturwissenschaften In: Praxis der Naturwissenschaften. Physik in der Schule. 63. Jg./Heft 8, S. 22-27
  6. 6,0 6,1 Nordmeier, V., Straube, P., Strelow, S.(2014): Falsifikation als naturwissenschaftliche Methode der Erkenntnisgewinnung. In: Praxis der Naturwissenschaften. Physik in der Schule. 63. Jg./Heft 8, S. 22-27
  7. 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 Müller, O. (2015): Mehr Licht. Goethe mit Newton im Streit um die Farben; S. Fischer Verlag; Frankfurt am Main; ISBN 978-3-10-002207-3

Siehe auch

Farbmischung, Farbige_Schatten,