Optische Spielereien

Transkript

1 Physikalisches Schulversuchspraktikum WS 00/01 Protokoll: Unsere Sinne täuschen uns nicht. Nicht deswegen, weil sie immer richtig urteilen, sondern weil sie überhaupt nicht urteilen. Immanuel Kant Magdalena Schauer Praktikumpartnerin: Rauecker Petra

2 Inhaltsverzeichnis: 1. Einleitung Seite 3 2. Zum Aufwärmen Seite 4 3. Goethe Bilder Seite 5 4. Komplementärfarben Seite 7 5. Farben am Kreisel Seite Rote Sonne Blauer Himmel Seite Optische Täuschungen 7.1.Die Müller-Lyer Täuschung Seite Gewölbte Vierecke Seite Hermann Gitter Täuschung Seite Unmögliche Objekte Seite Anhang Seite 18-2-

3 1.Einleitung: Dieses Protokoll beschäftigt sich mit optischen Illusionen, und witzigen aber auch faszinierenden optischen Spielereien. Leider ist im Physikunterricht für Fragen, die nicht genau zum Fach gehören, wenig Platz. Man geht viel zu schnell zu fixen Schemata über, meist auch quantitativer Art, die sich technisch Anwenden lassen. In der allgemeinbildenden Schule wird aber Ausgewogenheit zwischen Physik lernen und über Physik lernen abgestrebt. Letzteres heißt vor allem, das Wesen des Wissenschaftlichen am Beispiel der Physik zu verstehen, Kontakte zwischen den Fächergruppen zu suchen. Die Versuche die ich in meinem Protokoll beschreibe, gehen über den normalen Lehrplan hinaus. Sie gehören meiner Meinung aber auch in den Physikunterricht. Farbenlehre kann zum Beispiel kombiniert mit dem Zeichenunterricht gelehrt werden. Genauso wie optische Täuschungen mit dem GZ- Unterricht kombiniert werden können. Es ist ganz interessant sich auch einmal mit einer etwas anderen Art von Optik zu beschäftigen, und für die Schüler wird die Behandlung dieser Schülerversuche sicher eine willkommene Abwechslung sein. -3-

4 2.Zum Aufwärmen Nach dem Tod des französischen Kaisers Napoleon Bonaparte 1821 auf der Insel St. Helena waren Bilder sehr beliebt, die Napoleons Geist an seinem Grab darstellten. Schau dir das Bild mal genau an, und versuche den Geist zu sehen. Es ist nicht ganz einfach, aber wenn du ihn erst einmal gesehen hast, wunderst du dich sicher, warum du ihn nicht sofort erkennen konntest. -4-

5 3.Die Goethe-Bilder: Vorbereitungen: Man benötigt dazu: Kartonscheiben Glasprisma Kopiervorlage (siehe Anhang) In manchen Spielwarengeschäften werden Glasprismas verkauft, für den Fall, dass keines im Physikinventar enthalten ist. Die Kopiervorlagen werden auf kleine Kartonscheiben gelegt, damit sie robuster sind und besser handhabbar. Versuchsdurchführung: Man legt ein Plättchen vor sich auf den Tisch und stützt die Hände am besten an der Tischkante ab. Am leichtesten man beginnt mit dem Plättchen 7 und nimmt dann immer kompliziertere Kärtchen. Dann versucht man durch das Prisma hindurch das Kartonplättchen zu betrachten. Man kann nun an den Übergängen schöne Farbspektren beobachten. Jeweils andere Ausschnitte des Spektrums, wenn man den Übergang schwarz-weiß oder den Übergang weiß-schwarz beobachtet. Mit dem Plättchen 22 kann man dann die einzelnen Übergänge nicht mehr beobachten, man sieht dann ein ganzes buntes Spektrum. Ein wirklich faszinierendes farbenprächtiges Bild. -5-

6 Versuchserklärung: Es überlagern sich die verschieden stark gebrochenen Farben der weißen Hälfte der Karte nur im breiten Weißteil wieder zu Weiß. An der Grenze Weiß/Schwarz werden Farben sichtbar, da vom schwarzen Teil keine Farbaufspaltung herrührt, die die Dispersion des daneben liegenden Weißteils kompensieren könnte, man findet hierfür auch die Bezeichnung Kantenspektren. Einige interessante Hinweise: Goethe hat sich also nicht mit Literatur beschäftigt. Seine Beschäftigung mit den Farben war seine ausgedehnteste wissenschaftliche Tätigkeit. Seine Farbenlehre und seine Erklärungen zu den Goethe-Bildern waren zwar nicht richtig, aber es ist durchaus interessant sich auch einmal mit seiner Theorie zu beschäftigen. Nachzulesen zum Beispiel im Matthaei, Rupprecht: Goethes Farbenlehre. Ravensburg

7 4.Komplementärfarben: Auf den nächsten Seiten ist ein Arbeitsblatt für Schüler der Unterstufe vorbereitet. Es soll zur Erarbeitung der Komplementärfarben in Form von einigen lustigen Schülerversuchen dienen. Dieses Arbeitsblatt geht natürlich auch schon ein bisschen in den Zeichenunterricht über, aber warum nicht auch einmal ein fächerübergreifendes Arbeitsblatt. Man benötigt dazu: Bunte Farbfolien in den Farben: Purpur, Grün, Rot Türkis, Orange, Blau, Gelb, Violett. Bunte Farbkartons Eventuell: Buntstifte Flaggen in Komplementärfarben (siehe Anhang) Obstkorb in Komplementärfarben ( siehe ebenfalls Anhang) Versuchdurchführung: Man kann dieses Arbeitsblatt auch mit einem Stationenbetrieb erarbeiten. Jeder Schüler erhält dazu ein Arbeitsblatt, dass die Schüler in Einzel- oder in Gruppenarbeit ausfüllen können. Da es bei großen Klassen leicht zu Kollisionen oder Staus bei den einzelnen Stationen kommen kann, ist es vorteilhaft bei größeren Klassen eine Gruppenarbeit vorzuziehen. Man verteilt dazu die einzelnen Farbfolien und Farbkartons auf die Tische im Klassenzimmer und legt jeweils auch ein weißes Blatt Papier dazu. Diese Tische sollten gut beleuchtet sein. Das Licht soll sich jedoch nicht spiegeln. Kopien von den Flaggen und dem Obstkorb in Komplementärfarben bilden ebenfalls eine weitere Station. Auflösung zu den Flaggen: Deutschland, Japan, Kanada, und Frankreich. Mit Buntstiften können die Schüler auch noch andere Farben, die nicht auf den Folien abgebildet sind untersuchen, und dann mit ihren Klassenkollegen vergleichen. Die Anzahl der Stationen kann leicht variiert werden, je nach Anzahl der Schüler und der vorhanden Zeit. In Zeitnot kann man die Station mit den Buntstiften auch weglassen. Anschließend zum Lernzirkel wird das Arbeitsblatt noch gemeinsam durchgearbeitet und miteinander verglichen und der stoffliche Hintergrund zu den Komplementärfarben besprochen. Man benötigt zur Durchführung dieses Lernzirkels mindestens eine Schulstunde und je nachdem, wie sehr man in den Stoff der Farbenlehre vertieft, kann man ruhig auf eine Zweite oder sogar eine Dritte erweitert werden. -7-

8 Lernziel: Die Schüler sollen die Komplementärfarben: Purpur Grün Rot - Türkis Orange Blau Gelb Violett herausfinden. Ebenfalls sollen sie selber erkennen, dass sich die Farbe und ihre Nachbildfarbe, oder auch Komplementärfarbe sich gegenseitig ergänzen. Das heißt die komplementäre Farbe hat wieder die ursprüngliche als Nachbild. Versucherklärung: Die farbempfindlichen Zellen der Augen reagieren auf die additiven (das heißt sich überlagernden) Grundfarben des Lichts rot, Grün, Blau. Sie reagieren auch besonders auf bestimmte Farbenpaare, die man als Komplementärfarben bezeichnet. -8-

9 Arbeitsblatt Farbige Nachbilder Komplementärfarben ZU DEN STATIONEN MIT FARBFOLIEN Vorgangsweise: Lege eine Farbfolie auf eine weiße Unterlage. Dadurch erscheint die Farbe besonders intensiv leuchtend. Sieh nun etwa eine Minute lang wie verträumt auf die Mitte der Farbfolie, ohne die Augen zu bewegen. Du wirst bald bemerken, wie man Rand eine andere Farbe auftaucht. Wenn du dann plötzlich die Folie beiseite ziehst und weiter auf die gleich Stelle siehst, wird die Fläche, auf der die Folie lag, deutlich andersfarbig erscheinen. Dies neue Farbe ist außerdem von anderer Qualität als die erste, sie ist viel lichter und zarter. Nach etwa einer Minute ist dieses Nachbild vergangnen. Auswertung: Die ursprüngliche Farbe und die Nachbildfarbe nennt man zusammen Komplementärfarben. Gib nun die Komplementärfarben zu den folgenden Farben an : PURPUR - ROT ORANGE - GELB - GRÜN - BLAU - VIOLETT - TÜRKIS - -9-

10 ZU DEN STATIONEN MIT FARBKARTONS Die Vorgangsweise ist genau dieselbe, also Karton auf weißen Hintergrund, etwa eine Minute betrachten und dann die Folie wegziehen und das Nachbild betrachten. Die Farbkartons sind allerdings nicht so intensiv farbig, daher gehört etwas Übung zum Erkennen der Nachbilder schon dazu. Du kannst jetzt deine Auswertung von oben noch einmal überprüfen und gegebenenfalls ausbessern ZU DEN STATIONEN MIT DEN FLAGGEN Diese Flaggen sind in ihren Komplementärfarben dargestellt. Fixiere sie einzeln jeweils eine halbe Minute, und schaue dann auf ein weißes Blatt Papier. Langsam erscheinen jetzt die richtigen Farben. Kennst du die Flaggen? FLAGGE LINKS oben : FLAGGE RECHTS oben: FLAGGE LINKS unten: FLAGGE RECHTS unten: ZU DER STATION MIT DEM OBSTKORB Fixiere ungefähr eine Minute lang die Mitte dieser Obstschale. Schaue dann auf ein Weißes Blatt Papier, nach einer Weile wird dort eine Schale mit Obst erscheinen, deren Farben dir vertrauter sind! Dies soll lediglich nur meine eine Abschlussübung sein um zu zeigen, dass du schon sehr geübt im erkennen von Komplementärfarben bist. Schließlich wirst du so geschickt sein, dass du von jeder intensiven Farbe, z.b. von den Kleidungsstücken anderer Leute, auf irgendeiner weißen Wand das Nachbild entdecken kannst. Die Welt einmal mit anderen Farben sehen. -10-

11 5. Farben am Kreisel Kreiselversuche sind einfache Spielereien, jedoch kann man einem Kreisel stundenlang beim Drehen zusehen. Ein faszinierendes Gerät. Falls kann Kreisel zur Verfügung steht kann man versuchen selber einen zu bauen, allerdings kann man Kreisel auch schon ganz billig in irgend einem Spielwarengeschäft erwerben. Die Größe sollte allerdings auch ein bisschen passend sein. Ich habe ebenfalls im Anhang eine Kopiervorlagen für Kreisel beigefügt, diese auch am besten wieder ausschneiden und auf einen dünnen Karton kleben. Versuchsdurchführung: Lege die schwarz-weiß gemusterten Papierscheiben mit dem Loch in der Mitte nacheinander auf den Kreisel und lass ihn drehen. Beobachte die Muster auf dem rotierenden Kreisel unter gutem Licht bei verschieden Drehgeschwindigkeit. Merkwürdigerweise wirst du insbesondere bei langsamer Drehung Farben entdecken, obwohl nur Schwarz und Weiß im Spiel sind: die Kreisscheibe mit der schwarzen und der weißen Hälfte zeigt ein flimmerndes, farbiges Licht. Dich Scheiben mit den Unterbrechungen in den Sektoren zeigen Ringe in verschiedenen zarten Farben, durch stärker farbige Kreise gegeneinander abgesetzt. Drehst du den Kreisel anders herum, ändert sich die Anordnung der Farben. -11-

12 6. Rote Sonne, blauer Himmel Man benötigt dazu: Durchsichtige Schüssel oder Großes Gewürzgurkenglas Schwarzen Untergrund Weiße Wand Seife Versuchsanleitung: Du kannst im Zimmer nachvollziehen, was die Lufthülle unserer Erde mit dem Sonnenlicht macht. Fülle Wasser in eine durchsichtige Schüssel, oder besonders großes Gewürzgurkenglas. Stelle das ganze auf einen schwarzen Untergrund vor ein weiße Wand. Siehe Abbildung unten: Die Luft ist, auf lange Strecken gesehen, nicht so klar, wie du vielleicht meinst. Sie ist ein wenig trüb. Um eine ähnliche Trübung im Wasser herzustellen, kannst du etwas Seife darin auflösen. Spiegelst du jetzt Sonnenlicht durch das getrübte Wasser, oder leuchtest mit einer Experimentierlampe durch, so wird sich das direkte Licht Gelb, Orange oder rot färben und das Wasser leuchtet leicht bläulich vor dem schwarzen Untergrund wie der blaue Himmel vor dem dunklen Weltall. Du kannst allmählich immer mehr Seife dazugeben und ständig beobachten wie sich das Licht verhält. Dieser Versuch ist schnell aufgebaut und auch leicht durchzuführen er wird bei den Schüler sicher staunen hervorrufen. -12-

13 7.Optische Täuschungen:...Trau deinen Augen nicht Nein, man soll seinen Augen wirklicht nicht trauen und erwarten, sie würden einem die ganze Wahrheit über die Welt berichten, die einem umgibt. Was man zu sehen glaubt ist immer nur ein kleiner Ausschnitt der Welt; weil die Augen uns mit unvorstellbaren Informationsmengen bombardiert, muss unser Verstand das, was man am Ende sieht, herausfiltern und nach seiner Bedeutung ordnen... Solange wir die Augen offen halten, versucht unser Verstand jeden Moment, das was wir sehen, zu interpretieren und zu entscheiden. Wir können keinen Blick auf die Welt werfen, ohne dass unser Verstand seine Interpretation hinzufügt. Glücklicherweise ist seine Analyse meist sehr genau. Das muss auch so sein, weil wir gar nicht überleben könnten, wenn wir unfähig wären, den Unterschied zwischen einem Teller voll Chips und einem Autoreifen zu benennen. Doch gerade die große Hartnäckigkeit, mit der, der Verstand analysiert, was die Augen sehen, kann die Ursache von Illusionen werden. 7.1.Die Müller-Lyer Täuschungen: Die Linien am Bild unten laufen alle parallel, doch unser Auge wird irregeführt. Die kleinen vertikalen Querstriche lassen die Geraden auf einmal nicht mehr parallel erscheinen. -13-

14 7.2. Gewölbte Vierecke: Nur wenige Formen erscheinen uns eindeutiger, regelmäßiger und stabiler als Vierecke. Doch auch Vierecke können sich wölben und wabbeln, als Bestünden sie aus Gelee, wenn sie nur geschickt mit anderen Formen überlagert werden. Bei den oben gezeigten Beispielen erscheinen die Seiten der kongruente Formen überlagert werden. Bei den oben gezeigten Beispielen erscheinen die Seiten des Vierecks 1, das mit Kreisen überlagert ist, nach innen gebogen. Das zweite Beispiel ist von gebogenen Linien umgeben, und seine Seiten scheinen sich nach außen zu wölben. Das Viereck schließlich, das mit diagonal verlaufenden Linien angefüllt ist, die wie Pfeile nach unten zielen, scheint sich in ein Trapez verwandelt zu haben und wirkt unten breiter als oben. Es handelt sich jedoch nur um Täuschungen, denn die Vierecke sind alle perfekte Quadrate. -14-

15 7.3. Hermann-Gitter-Täuschung: Die Täuschung hier beruht auf den starken Kontrast von hell und dunkel. Beim Gitter oben kommen einem die weißen Streifen extrem weiß vor. Betrachtet man das Gitter ausreichend lange, so entstehen schattenartige Punkte auf den weißen Feldern zwischen den Quadratecken. Versuch einmal einen solchen Fleck zu fixieren. Egal wie oft du es versuchst, du wirst keinen direkt fixieren können. Die Ursache dieses Phänomens ist noch nicht vollständig geklärt, aber man nimmt an, es liegt daran, dass die weißen Stellen an den Schnittpunkten von weniger Kontrastfläche umgeben sind und daher nicht ganz so gleißend weiß wirken wie die geraden Abschnitte. -15-

16 8.Unmögliche Figuren Um es gleich zu sagen: auch die unmöglichsten Bilder beruhen auf einer Irreführung. Ein unmögliches Objekt ist effektvoller und irritiert den Betrachter weit mehr, wenn es nicht schon auf den ersten Blick Zweifel weckt. Die folgenden Bilder erzeugen immer eine gewisse Irritation, die anfangs durchaus begründet erschient, nur dass sie sich in nichts auflöst, ehe wir richtig hinsehen können. -16-

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18 Karten und Versuchsskizze zu den prismatischen Versuchen von Goethe um

19 Erkenne die Flaggen! -19-

20 Siehst du den Obstkorb in den richtigen Farben? -20-

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