Eigentlich gehören optische Phänomene zu den Naturerscheinungen, die wir alltäglich am häufigsten erleben: Räumliches Sehen, Farbensehen, Lichtbrechung - man muss noch nicht einmal den Regenbogen bemühen, um klarzumachen, wie allgegenwärtig Wahrnehmungen rund um das Thema „Licht“ für uns alle sind. Dennoch ist es oft nicht ganz leicht, diese Phänomene im Unterricht erlebbar zu machen, am besten sogar mit Experimenten, bei denen alle Kinder mitmachen können. 

In diesem Blog-Beitrag habe ich meine fünf Favoriten zusammengestellt: Grundlegende Experimente, die mit geringem Aufwand zu den Bereichen „Licht“ und „Sehen“ einsetzbar sind. Es geht dabei um ganz unterschiedliche Aspekte: vom Spektrum des Lichts über die Lichtbrechung bis hin zum Sehen von Farben. Alle diese Experimente findet ihr natürlich auch als ausführliche Videos für den Unterricht hier.

Los geht´s mit dem Regenbogen. Spektroskopie nennt man das Aufspalten des weißen Lichts in seine farbigen Bestandteile. Dazu wird normalerweise ein Glasprisma und eine gebündelte Lichtquelle verwendet, aber es geht auch viel einfacher. Ihr braucht nur eine normale CD oder DVD und eine Glühlampe. Schaut euch das Licht der Lampe gespiegelt in der silbernen Seite der CD an und mit ein wenig Herumprobieren, entfaltet sich vor euch ein grandioser Regenbogen. Außen seht ihr einen großen roten Kreis, in dessen Inneren sich die anderen Farben aneinanderreihen: über Orange, Gelb, Grün, Hellblau und Dunkelblau bis zum Violetten. Und tatsächlich entsteht diese Farbenpracht auf ganz ähnliche Weise wie beim Regenbogen in freier Natur. Der entsteht bekanntlich, weil die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts beim Übergang ins Wasser der Regentropfen unterschiedlich stark gebrochen werden. Die verschiedenen Farben des Lichts werden dadurch in unterschiedliche Richtungen reflektiert. Durch die große Zahl der Tropfen entsteht für unser Auge dann der Eindruck eines farbigen Bogens am Himmel. Die Rolle der zahllosen Regentropfen übernehmen bei unserem Experiment die sehr feinen Strukturen auf der CD. Auch sie reflektieren die unterschiedlichen Wellenlängen (also Farben) in unterschiedliche Richtungen und wir sehen einen Regenbogen in der CD. 

Das Licht, das wir als weiß wahrnehmen, besteht also aus einem Gemisch ganz unterschiedlicher Farben, das mit Hilfe der CD so getrennt werden kann, dass unsere Augen die einzelnen Farben einzeln wahrnehmen können. Zum Farbensehen kommen wir auch später noch einmal etwas genauer. Jetzt geht es erst mal weiter mit der Lichtbrechung.

Um die Lichtbrechung erlebbar zu machen gibt es eine ganz Reihe von Experimenten, die recht einfach durchzuführen, im Detail aber gar nicht so leicht zu erklären sind. Für meine beiden Favoriten braucht ihr jeweils eine Tasse oder einen Becher, außerdem eine Münze, einen Stift und etwas Wasser.

Die Münze wird in die Tasse gelegt und ein Kind, das sozusagen die Rolle des Beobachters übernimmt, setzt sich so vor die Tasse, dass es die Münze in der Tasse genau nicht mehr sehen kann, weil der Einblickwinkel in die Tasse zu flach ist. Dann wird die Tasse — ohne dass sich Tasse oder Beobachter bewegen — langsam mit Wasser gefüllt. Und siehe da: Auf dem Boden der Tasse  erscheint die Münze. Wo kommt die Münze her?

Um die Lichtbrechung zu verstehen hilft es sich noch einmal klar zu machen, warum wir überhaupt einen Gegenstand sehen können: Licht wird vom Gegenstand reflektiert und erreicht unser Auge. Am Anfang des Experiments kamen die Lichtstrahlen von der Münze so aus der Tasse, dass sie über das Auge des Beobachters hinweg gingen. Er konnte die Münze nicht sehen. (Für eine etwas anschaulichere Darstellung schaut doch mal in das Video oben auf dieser Seite ab 6´40“.) Wird nun Wasser in die Tasse gegeben, dann werden die von der Münze kommenden Lichtstrahlen geknickt, wenn sie aus dem Wasser in die Luft übergehen. Und zwar werden Sie leicht nach unten geknickt hin zum Beobachter. Dann können die Lichtstrahlen von der Münze das Auge des Beobachters erreichen und er kann die Münze sehen.

Licht verändert die Richtung, wenn es von einem Medium in ein anderes übergeht, also zum Beispiel von Wasser in Luft. Das ist der einfache Teil der Erklärung, die für den Einstieg in das Thema Lichtbrechung zunächst genügt sollte. Weitaus schwieriger ist es zu erklären, warum das Licht die Richtung verändert, also was tatsächlich die Ursache der Lichtbrechung ist. Um das etwas genauer zu beleuchten schauen wir uns noch ein weiteres ganz einfaches Experiment zur Lichtbrechung an.

Das berühmte Experiment mit dem geknickten Stift. Die Durchführung ist auch hier denkbar einfach: Wir füllen einfach eine Tasse mit Wasser und stellen einen Stift hinein. Nach Möglichkeit sollte der Stift natürlich unten wasserdicht sein und nicht so leicht, dass er in der Tasse nach oben schwimmt. Normalerweise steht der Stift dann schräg in der Tasse, wie hier auf dem Foto zu sehen, und das ist wichtig. Wenn man ihn ganz senkrecht in die Tasse stellt, funktioniert das Experiment nicht. Schaut man sich den Stift jetzt genau an, dann sieht man deutlich, dass er an der Stelle, wo er aus dem Wasser ragt, scheinbar geknickt ist. Aber das ist er natürlich nicht, wie man leicht feststellen kann, wenn man ihn wieder aus dem Wasser nimmt. Es handelt sich also um eine optische Täuschung. Warum sehen unsere Augen einen Knick, wo keiner ist? 

Der Grund ist wieder die Lichtbrechung. Die Lichtstrahlen vom unteren Teil des Stifts werden beim Austritt aus dem Wasser geknickt, und zwar wieder wie beim vorigen Experiment vom Beobachter aus gesehen nach unten. Unsere Augen „wissen“ aber nichts von diesem Knick in den Lichtstrahlen. Unsere Augen gehen bei ihrer Wahrnehmung immer davon aus, dass Lichtstrahlen sich gerade im Raum ausbreiten, was sie ja auch normalerweise meistens tun. Deshalb verlängern unsere Augen bzw. unser optischer Wahrnehmungsapparat im Gehirn die eintreffenden Lichtstrahlen geradeaus und wir nehmen die Stift an einer etwas nach oben verschobenen Stelle wahr. Im Endergebnis sehen wir dann an der Wasseroberfläche einen Knick in dem von uns wahrgenommenen Bild des Stifts.

Bleibt aber die Frage: Warum verändert das Licht die Richtung? Ursache für die Richtungsänderung ist eine Geschwindigkeitsänderung des Lichts. Licht breitet sich in Wasser deutlich langsamer aus als in Luft. Dieser Geschwindigkeitsunterschied sorgt bei Lichtstrahlen, die schräg auf die Grenzfläche Wasser-Luft (also die Wasseroberfläche fallen) für eine Änderung der Laufrichtung. Bildhaft kann man das vergleichen mit zwei Wanderern, die nebeneinander erst über eine Wiese gehen und dann schräg auf einen sehr matschigen Bereich zulaufen (das findet ihr im Video ab 8´00“). Wenn die Wanderer schräg an die Matschgrenze gelangen, dann kommt der eine Wanderer etwas früher auf den matschigen Untergrund, wo er langsamer voran kommt. Der andere Wanderer geht währenddessen noch ein paar Schritte auf der Wiese, wo es schneller vorangeht, sodass er ein kleines bisschen am ersten Wanderer vorbeigeht. Wenn dann beide im matschigen Bereich laufen, hat sich ihre Laufrichtung durch den Geschwindigkeitsunterschied und das schräg auftreffen ein wenig geändert. Ausführlich findet ihr diese Erklärung als liebevollen LEGO-Film im Video „Lichtbrechung 2“.

Im nächsten Experiment wird das Licht zwar auch gebrochen, aber wir nutzen diese Brechung ganz praktisch: nämlich als Lupe. Wir legen eine durchsichtige feste Folie, zum Beispiel vom Overhead-Projektor, auf ein Stück Zeitung oder einen anderen Text mit relativ kleinen Buchstaben. Dann tropfen wir mit einer Pipette einzelne Wassertropfen auf die Folie. Jetzt schauen wir uns den Zeitungstext durch die Wassertropfen hindurch an. Wir sehen, dass die Buchstaben durch die Wassertropfen hindurch betrachtet größer erscheinen. 

Die Wassertropfen wirken wie das Glas einer Lupe. Wenn man die Tropfen von der Seite betrachtet sieht man auch, dass sie sich deutlich nach oben wölben wie die Vergrößerungslinse einer Lupe. Dabei hilft es, wenn die Folie vorher entfettet wird, zum Beispiel mit Spülmittel und warmem Wasser. Je fettfreier die Folie ist, desto schöner wölben sich die Tropfen und desto deutlicher ist der Lupeneffekt zu erkennen. 

Dieses Experiment hat auch eine ganz praktische Entsprechung im Alltag: Im Sommer soll man die Blumen im Garten nicht von oben wässern, wenn gerade die Sonne hoch am Himmel steht. Die Wassertropfen können auf den Blättern wie Brenngläser wirken, die das Sonnenlicht sammeln und die Blätter verbrennen.

Zum Schluß schauen wir uns noch einmal etwas genauer unser Farbensehen an. Das ist eher ein Experiment zum Vorführen, als für die Durchführung in kleinen Gruppen. Aber trotzdem können alle mitmachen, denn alle können zuschauen und mit eigenen Augen das Experiment erleben.

Wir schneiden aus Karton eine runde Scheibe mit etwa 10cm Durchmesser aus. Dann bekleben wir sie zu jeweils einem Drittel mit rotem, blauem und grünem Papier (der Einfachheit halber kann natürlich auch schon die Scheibe eine dieser Farben haben). Dann stechen wir einen Pinnwand-Stecker durch die Mitte der Scheibe und kleben sie an der Rückseite fest, sodass sie fest mit der Scheibe verbunden ist. Dann stecken wir Pinn fest in eine Bohrmaschine oder einen Akkuschrauber (je schneller desto besser) und bringen die Scheibe zum Rotieren. Wo eben noch die Farben rot, Grün und Blau deutlich zu erkennen waren, sehen wir jetzt eine mehr oder weniger weiße Scheibe. Die Farben sind kaum noch zu erkennen.

Diesmal wird unser Auge nicht getäuscht, sondern überfordert. Etwa 15 Bilder pro Sekunde kann unser Auge wahrnehmen, also unterscheiden. Wenn ich die Scheibe langsam drehe, erkennen wir daher, wo Grün, Rot und Blau ist. Dreht sich die Scheibe schneller, dann kann unser Auge die drei Farbbereiche nicht mehr trennen. Wir sehen alle drei Farben gleichzeitig. Und wenn wir Rot, Grün und Blau gleichzeitig sehen, dann macht unser Gehirn daraus die Farbe Weiß. Deshalb erscheint uns die schnell rotierende Scheibe weiß.

Für die Farbwahrnehmung in unseren Augen sind die sogenannten Zapfen zuständig, während die Stäbchen sich um die Helligkeit kümmern. Diese Zapfen gibt es für rotes, grünes und blaues Licht. Wenn alle drei Zapfenarten gleichzeitig ans Gehirn melden, dass sie ihre Farbe Wahrnehmen, dann bedeutet das für unser Gehirn: Weiß. 

Hier seht ihr den Blog-Beitrag als Video-Tutorial