Materialien:
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Sammellinse (z.B. Lupe)
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Lichtquelle (z.B. Taschenlampe)
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Karton
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Schere
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Weiße Wand oder Schirm
Aufbau und Durchführung:
Schneide dir ein rechteckiges Stück Karton zurecht. Falte den Karton in der Mitte, sodass du eine Mittellinie bekommst. Schneide in den zusammengefalteten Karton eine Figur (meine Idee war ein Christbaum). Stelle die Figur auf und beleuchte sie mit der Lichtquelle, sodass sich an der weißen Wand oder auf dem Schirm ein Bild von der Figur zeigt. Halte nun die Linse zwischen Figur und Schirm. Beobachte wie die Figur nun angezeigt wird.
Theoretischer Input:
Wir können sehen, weil unsere Augen Licht wahrnehmen und es in elektrische Signale umwandeln, die an unser Gehirn weitergeleitet werden. Das Sehvermögen beruht auf einem komplexen Prozess der Lichtreize in Bilder umwandelt. In unserem Experiment fängt die Sammellinse das reflektierte Licht ein und projiziert das Bild auf den Schirm. Aufgrund der Lichtbrechung wird das Bild verkehrt auf dem Schirm gezeigt. Dasselbe Phänomen passiert in unserem Auge. Die Lichtstrahlen passieren die Hornhaut und wird von der Linse (im Experiment: die Sammellinse) fokussiert, um es auf die Netzhaut (im Experiment: der Schirm) im hinteren Teil des Auges zu projizieren. Das Bild wird verkehrt auf der Netzhaut angezeigt. Die Netzhaut enthält Fotorezeptoren, die auf das Licht reagieren und elektrische Signale erzeugen. Diese Signale werden an das Gehirn gesendet, das die Informationen verarbeitet und das Bild umkehrt.
Umsetzung im Unterricht:
Schüler:innen können das Experiment mit einer Anleitung selbstständig durchführen. Sie sollen beobachten, dass das Bild verkehrt angezeigt wird und dadurch ein Gefühl bekommen, wie das Sehen stattfindet.
Das Experiment kann als Einstieg in das Thema: Sehen verwendet werden.
Unterrichtsmaterialien:
Sehschwäche: Was tun?
Dieses Experiment ist eine Erweiterung zum Experiment: das Auge.
Lehrplanbezug:
„Physikalischer Sehvorgang, Funktionsweise des menschlichen Auges“
Materialien:
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Sammellinse (z.B. Lupe)
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Lichtquelle (z.B. Taschenlampe)
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Karton
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Schere
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Weiße Wand oder Schirm
Zusatz:
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Konkavlinse
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Bikonvexlinse
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Zettel (langer Streifen)
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Klebestreifen
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Stift
Aufbau und Durchführung:
Es wird das Augenmodell (siehe Aufbau Augenmodell) aufgebaut. Zusätzlich wird ein langer Streifen aus Papier ausgeschnitten. Diese wird neben das Augenmodell platziert und mit Tixo befestigt. Mit dem Schirm wird die Position, wo das Bild scharf zu sehen ist, gesucht. Diese Stelle wird auf dem Papierstreifen markiert. Nun wird die bikonvexe Linse vor die Linse des Auges gehalten. Es wird wieder das scharfe Bild gesucht und die Stelle markiert. Führe dasselbe mit der konkaven Linse durch. Wie verändern die beiden Linsen die Position des scharfen Bildes?
Theoretischer Input:
Das menschliche Auge hat die Fähigkeit, die Brennweite der Linse zu verändern, um Bilder von Objekten in unterschiedlichen Entfernungen scharf auf der Netzhaut zu fokussieren. Dabei zieht der Ringmuskel die Linse zusammen oder auseinander. Ist der Ringmuskel entspannt, so nimmt die Linse eine flachere Form an, was für eine Fokussierung von weiten entfernten Objekten geeignet ist. Zieht der Ringmuskel die Linse zusammen, wird diese dicker und runder, was für die Fokussierung von nahen Objekten erforderlich ist. Menschen mit Sehschwächen haben in diesen Punkten Probleme. Bei Kurzsichtigkeit ist die Linse zu stark gekrümmt, wodurch die entfernten Gegenstände kurz vor der Netzhaut fokussiert (scharf abgebildet) werden. Bei Weitsichtigkeit ist die Augenlinse zu flach (nicht stark genug gekrümmt), wodurch das scharfe Bild kurz hinter der Netzhaut angezeigt wird.
Eine konkave Linse verändert die Position des scharfen Bildes und verschiebt es weiter weg vom Auge (wie im Experiment zu sehen). Dadurch kann Kurzsichtigkeit ausgeglichen werden. Eine konvexe Linse verändert die Position des scharfen Bildes und verschiebt es näher zum Auge (wie im Experiment zu sehen). Dadurch kann Weitsichtigkeit ausgeglichen werden.
Mit diesem Experiment wird die Funktion einer Brille dargestellt.
Umsetzung im Unterricht:
Das Experiment dient als Ergänzung zum Experiment „das Auge“. Mit einer Arbeitsanleitung kann man die Schüler:innen selbstständig oder in Kleingruppen experimentieren lassen. Wichtig ist, dass klare Anweisungen gegeben werden, auf welche Sachen geachtet werden sollen (die Größe des Bildes ist nicht relevant, sondern die Schärfe). Das Experiment eignet sich in Kombination mit weiteren Optikexperimente für einen Stationenbetrieb. Dadurch werden weniger Materialien benötigt.
Unterrichtsmaterialien:
Der blinde Fleck
Lehrplanbezug:
„Physikalischer Sehvorgang, Funktionsweise des menschlichen Auges“
Materialien:
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Blinder-Fleck Versuchskarte
Aufbau und Durchführung:
Nimm die Versuchskarte, wie in der Abbildung bei den Materialien dargestellt. Halte dein linkes Auge mit deiner linken Hand zu und fixiere mit dem rechten Auge den Kreis, der sich links auf der Karte befindet. Bewege nun langsam die Versuchskarte zu deinem Gesicht und wieder weg. Dein Fokus bleibt dabei immer auf dem Kreis.
Theoretischer Input:
Bei einem bestimmten Abstand verschwindet das Quadrat. Auf der Netzhaut befinden sich sogenannte Rezeptoren, die Lichtreize aufnehmen und in elektrische Signale umwandeln.
Es gibt zwei Arten von Rezeptoren:
- Zapfen für das Farbsehen
- Stäbchen für das Hell-Dunkel-Sehen
Die Informationen werden über den Sehnerv als elektrische Signale ans Gehirn weitergeleitet. Der Sehnerv unterbricht die Netzhaut, wodurch der blinde Fleck entsteht. Im Alltag nehmen wir den blinden Fleck nicht wahr, da unser Gehirn den fehlenden Lichtreiz beziehungsweise das fehlende Bild ausgleicht. Zudem haben wir durch unsere beiden Augen ein überlappendes Sichtfeld, was den blinden Fleck zusätzlich kompensiert.
Umsetzung im Unterricht:
Der Blinde-Fleck-Versuch eignet sich gut als Einstieg in das Thema. Nach der Durchführung könnten die Schüler:innen Hypothesen bilden, wie sie sich das Verschwinden des Quadrates erklären. Anschließend wird der Aufbau des Auges erarbeitet. Der Versuch kann auch als Auflockerung nach der Erarbeitung des Aufbaus des Auges genutzt werden, um das erarbeitete Wissen zu vertiefen.
Unterrichtsmaterial:
Materialien:
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Trommel
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Kerze
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Zündholz oder Feuerzeug
Aufbau und Durchführung:
Zünde die Kerze an und stelle diese auf einen Tisch. Nimm die Trommel und halte diese ungefähr 20 Zentimeter vom Tisch entfernt. Schlage mit der Faust auf die Trommel und beobachte die Flamme der Kerze.
Theoretischer Input:
Durch den Schlag auf der Trommel wird sie in Vibrationen versetzt. Die Trommel erzeugt eine Schallwelle. Diese breitet sich durch Luftverdichtungen und Luftverdünnungen in alle Richtungen aus. Die Schallwelle „läuft“ über die Flamme der Kerze und ein kurzes Flackern ist zu sehen. Die Reaktion der Flamme sieht man sofort nach dem Schlag auf die Trommel. Die Schallgeschwindigkeit in Luft liegt ungefähr bei 
.
Umsetzung im Unterricht:
Das Experiment eignet sich gut für ein Demonstrationsexperiment. Man kann die Schüler:innen auf die Trommel schlagen lassen. Als Schüler:innenversuch ist das Experiment weniger geeignet, da die Flamme gut beobachtet werden muss. Die Schüler:innen brauchen hier die Anleitung der Lehrperson.
Unterrichtsmaterialien:
Die unsichtbare Kraft
Lehrplanbezug:
„Entstehung und Ausbreitung von Schall“
Materialien:
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2 Weingläser
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1 Glas Wasser
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1 Münze
Aufbau und Durchführung:
Befeuchte deinen Finger und kreise mit dem Finger um das Weinglas. Es entsteht ein Ton. Stelle die zwei Weingläser mit kurzem Abstand nebeneinander. Lege die Münze außen auf die Kante eines Weinglases. Befeuchte deinen Finger und kreise mit dem Finger um das andere Weinglas (Weinglas ohne Münze). Es entsteht wieder der Ton. Nach einigen Sekunden fällt die Münze vom anderen Weinglas auf den Tisch.
Theoretischer Input:
Der feuchte Finger reibt am Glas. Durch die Reibung wird das Glas in Schwingung versetzt. Somit entsteht eine Schallwelle, die als Ton hörbar ist. (Das Glas wirkt wie ein Resonanzkörper). Schall ist schwingende Luft und breitet sich in alle Richtungen aus. Die Schallwelle des ersten Glases bringt das zweite Glas ins Schwingen. Es entstehen nicht sichtbare Vibrationen an der Münze. Die Münze fängt an zu wandern und verliert das Gleichgewicht. Sie fällt auf den Tisch.
Umsetzung im Unterricht:
Das Experiment kann in Kleingruppen durchgeführt werden. Es kann zuerst nur der Ton erzeugt werden. Der Ton kann verändert werden, indem man das Glas mit Wasser füllt. Verändert man die Wasserhöhe, dann hört man verschiedene Töne.
Unterrichtsmaterialien:
Materialien:
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Kartonverpackung (z.B. Milch oder Apfelsaft)
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Nagel, Schere
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Handy (Taschenlampe)
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Mehl
Aufbau und Durchführung:
Schneide den unteren Teil der Kartonverpackung ab. Stich mit dem Nagel einige Löcher in die Verpackung. Gib die Verpackung über das Handy, sodass die Taschenlampe in die Verpackung leuchtet. Verdunkle den Raum vollständig. Nimm das Mehl in die Hände und verstreue (zum Beispiel durch Klatschen oder die Verwendung eines Siebes) das Mehl über der Verpackung. Die Mehlwolke macht die Lichtstrahlen sichtbar, wodurch man die Ausbreitung von Lichtstrahlen gut erkennen kann.
Theoretischer Input:
Licht, das von einer Lichtquelle erzeugt wird, breitet sich im leeren Raum als auch in einem Stoff (homogene Stoffe) geradlinig und in allen Richtungen aus. Die Lichtausbreitung wird nicht von anderen Lichtquellen beeinflusst. Licht kann unter bestimmten Bedingungen reflektiert, gebrochen, absorbiert oder gestreut werden. In diesem Experiment liegt der Fokus auf die geradlinige und allseitige Ausbreitung des Lichtes.
Umsetzung im Unterricht:
Dieser Versuch eignet sich als Demonstrationsversuch. Die Lehrperson zeigt den Versuch vor und stellt dazu Fragen, die die Schüler:innen zum Nachdenken anregen. Als Schüler:innenversuch ist dieses Experiment weniger geeignet, da es im Versuchsraum dunkel sein muss und dafür die Rahmenbedingungen meistens nicht gegeben sind. Eine Möglichkeit wäre, den Versuch in einen Stationenbetrieb einzubetten. Hier könnte ein kleiner Raum als Versuchsstation dienen. Durch diese Methodenwahl reicht ein Raum, wo die Schüler:innen das Experiment durchführen können.
Unterrichtsmaterialien:
Schattenspiel
Lehrplanbezug:
„das Modell der allseitigen geradlinigen und kontinuierlichen Lichtausbreitung nutzen (W), um unter der Anwendung von fachspezifischem Wortschatz begründete Vermutungen zur Entstehung von Schattenphänomenen aufzustellen (E)“
Materialien:
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Lichtquelle
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Lichtundurchlässigen Körper (z.B. Holzkörper)
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Eventuell: Schirm (oder weiße Wand)
Aufbau und Durchführung:
Platziere die Lichtquelle so, dass sie den Schirm (oder die weiße Wand) beleuchtet. Gib den lichtundurchlässigen Körper zwischen der Lichtquelle und dem Schirm. Das Experiment wird in zwei Phasen unterteilt:
Erste Phase: Verändere den Abstand zwischen der Lichtquelle und den Körper (indem du die Position der Lichtquelle veränderst). Beobachte das Schattenbild am Schirm.
Zweite Phase: Verändere den Abstand zwischen Körper und Schirm (indem du die Position vom Schirm veränderst - arbeitest du mit einer weißen Wand, so musst du die Lichtquelle und den Körper zusammen bewegen). Beobachte das Schattenbild am Schirm.
Theoretischer Input:
Schatten entstehen, wenn Licht von einer Lichtquelle auf einen Gegenstand trifft. Wenn das Licht auf den undurchlässigen Gegenstand fällt, kann es nicht durch ihn hindurchgehen. Stattdessen wird das Licht blockiert oder absorbiert, und der Bereich hinter dem Gegenstand bleibt dunkel. Diesen Raum nennt man Schattenraum. Auf dem Schirm oder der Wand hinter dem Körper entsteht ein Schattenbild. Das Schattenbild ist dunkel bei einem lichtundurchlässigen Gegenstand und heller bei einem lichtdurchlässigen Gegenstand. Die geradlinige Ausbreitung von Licht ist ein wichtiger Aspekt, dass ein Schatten entsteht. Die Größe und Form des Schattens hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie der Größe des Gegenstandes, der Entfernung zwischen Gegenstand und der Lichtquelle, sowie der Richtung des Lichts.
Umsetzung im Unterricht:
Dieses Experiment ist als Schüler:innenversuch durchführbar. Hierbei wird das Verständnis der Schüler:innen durch ein Protokoll gefördert, in dem zuerst eine Vermutung aufgestellt wird, dann das Experiment durchgeführt wird und zur Vertiefung das Experiment mit einem Lichtstrahlmodell gefestigt wird. Im folgenden Link findest du ein Protokoll, dass für den Unterricht verwendet werden kann.
Unterrichtsmaterialien:
Körperfarben
Lehrplanbezug:
"den Begriff Farbe - als die Eigenschaft von Stoffen, bestimmte Lichtfarben streuen zu können"
Materialien:
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Wasserfarben (Gelb, Magenta, Cyan)
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Pinsel
Aufbau und Durchführung:
Übertrage die Grundfarben Gelb, Magenta und Cyan mit Wasserfarben auf das Diagramm. In der Skizze siehst du, wo die Grundfarben aufgetragen werden sollen. Versuche nun, die Mischfarben Rot, Grün und Blau herzustellen. Mische dazu jeweils zwei Grundfarben. Übertrage die gemischten Farben auf den überlappenden Bereich der verwendeten Grundfarben.
Wenn du alle drei Grundfarben mischst, ergibt dies Schwarz. Übertrage diese in die Mitte.
Theoretischer Input:
Körperfarben sind die Farben, die wir sehen. Zum Beispiel ein rotes Buch. Aus den Grundfarben Gelb, Magenta und Cyan lassen sich alle Körperfarben mischen. Das ist der Grund, warum für einen Drucker nur die Grundfarben benötigt werden. Mischt man alle drei Grundfarben zusammen ergibt dies Schwarz.
Die Farbmischung der Körperfarben wird als subtraktive Farbmischung bezeichnet. Dabei wirken die Farben wie Farbfilter für den Lichtstrahl, der aus den Grundfarben Rot, Grün und Blau besteht. Wenn die Lichtfarben auf eine Körperfarbe treffen, wird deren Komplementärfarbe absorbiert – also sozusagen „subtrahiert“ (Daher der Name subtraktive Farbmischung). Mehr dazu bei: „Warum ist die Zitrone gelb!“
Umsetzung im Unterricht:
Am besten lässt sich das Prinzip der subtraktiven Farbmischung mit der Mischung von Wasserfarben durchführen. Die Schüler:innen sollen die Mischung selbst ausprobieren. In den Unterrichtsmaterialien kann man dies selbst ausprobieren oder mit dem Diagramm vielfältig im Unterricht einbauen. Ein weiterer Alltagsbezug sind die Druckerpatronen. Dies kann beim einem Drucker nachkontrolliert werden.
Unterrichtsmaterialien:
Lichtfarben
Lehrplanbezug:
"den Begriff Farbe - als die Eigenschaft von Stoffen, bestimmte Lichtfarben streuen zu können"
Materialien:
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3 Taschenlampen/Handys
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Durchsichtige Folie in den Farben Rot, Grün und Blau (z.B.: Heftumschlag)
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Schere, Klebeband
Aufbau und Durchführung:
Findet euch in 3er-Gruppen zusammen: Schneidet aus jeder bunten Folie ein kleines Viereck aus. Sie sollen so groß sein, dass sie eure Taschenlampen genau abdecken. Begebt euch nun in einen abgedunkelten Raum mit einer weißen Wand. Schaltet die Taschenlampen ein und leuchtet zu Boden.
Als Erstes leuchtet ihr die Wand mit der blauen Taschenlampe an und fügt dann die grüne Taschenlampe dazu. Die Wand leuchtet nun in der Mischfarbe Cyan.
Im Diagramm könnt ihr nachschauen, welche Farben ihr mit den Grundfarben Rot, Grün und Blau mischen könnt. Wenn ihr alle drei Grundfarben mischt, ergibt dies Weiß.
Theoretischer Input:
Weißes Licht lässt sich mit einem Prisma in seine Einzelbestandteile „brechen“. Der dabei entstehende Regenbogen kann in die Grundfarben Rot, Grün und Blau eingeteilt werden. Werden einzelne Lichtfarben gemischt, spricht man von der additiven Farbmischung. Die Mischfarben sind Gelb, Magenta und Cyan. Wenn alle drei Grundfarben gemischt werden, ergibt dies Weiß. Das Prinzip der additiven Lichtmischung wird bei Bildschirmen verwendet. Dabei bestehen die Bildschirme aus lauter kleinen Pixeln. Jedes dieser Pixel besteht dabei aus den Farben Rot, Grün und Blau, die je nach Farbe unterschiedlich hell leuchten. Dies wird auch RGB-System genannt, nach den Grundfarben Rot, Grün und Blau. Die Lichtfarben mischen sich im Auge nach der additiven Farbmischung.
Umsetzung im Unterricht:
Die Schüler:innen sollen in 3er Gruppen zusammengehen und den Versuch am besten mit Handys in einem abgedunkelten Raum durchführen. Den Alltagsbezug der additiven Farbmischung findet man bei Bildschirmen. Dabei können die Schüler:innen mit einem Wassertropfen die Oberfläche ihres Handys vergrößern und die RGB-Pixel erkennen.
Unterrichtsmaterialien:
Warum ist die Zitrone gelb?
Lehrplanbezug:
"den Begriff Farbe - als die Eigenschaft von Stoffen, bestimmte Lichtfarben streuen zu können"
Materialien:
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Arbeitsblatt Farbmischung
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Farbstifte in den Farben Rot, Grün, Blau, Magenta, Gelb, Cyan
Aufbau und Durchführung:
Um zu verstehen, warum die Zitrone gelb ist, führe zuerst die Versuche zu Körperfarben und Lichtfarben durch. Für das Verständnis der Farbmischung werden beide Konzepte benötigt.
Arbeite zuerst das Arbeitsblatt zur Theorie durch und versuche anschließend am Übungsblatt dein Wissen umzusetzen. Nimm dabei die beiden Diagramme für die Körperfarben und für die Lichtfarben zur Hilfe.
Theoretischer Input:
Die Farbmischung der Körperfarben wird als subtraktive Farbmischung bezeichnet. Dabei wirken die Farben wie Farbfilter für den Lichtstrahl, der aus den Grundfarben Rot, Grün und Blau besteht. Wenn die Lichtfarben auf eine Körperfarbe treffen, wird deren Komplementärfarbe (liegt gegenüber im Farbkreis) absorbiert – also sozusagen „subtrahiert“ = weggezählt (daher der Name subtraktive Farbmischung).
Wie entsteht die Körperfarbe Cyan?
Die Komplementärfarbe von Cyan ist Rot. Trifft nun ein Lichtstrahlt auf das Material, wird der rote Anteil des Lichts absorbiert. Aus der additiven Farbmischung - der Lichtmischung - wissen wir, dass aus Grün und Blau Cyan ergibt, weil das Material den roten Anteil des Lichts absorbiert.
Wie entsteht die Mischfarbe Grün?
Um eine Mischfarbe zu erhalten, werden zwei Grundfarben gemischt. Wenn wir die Farbe Grün mischen wollen, wird dazu die Körperfarbe Cyan und Gelb benötigt. Die Körperfarbe Cyan absorbiert rotes Licht und die Körperfarbe Gelb blaues Licht. Übrig bleibt das grüne Licht, welches vom Körper reflektiert wird. Wir sehen den Körper grün.
Umsetzung im Unterricht:
Nachdem die Versuche zu Körperfarben und Lichtfarben bearbeitet wurden und die subtraktive und die additive Farbmischung selbstständig ausprobiert wurde, kann im Unterricht die Frage: „Warum ist die Zitrone gelb?“ gestellt werden. Am besten wird das Theorieblatt im Plenum erarbeitet und die Übung dann in Einzel- oder in Partnerarbeit durchgeführt. Wichtig ist, dass die passenden Farben zur Verfügung stehen.
Unterrichtsmaterialien:
Bunte Schatten
Dieser Versuch ist eine Erweiterung des Versuchs "Lichtfarben"
Lehrplanbezug:
"den Begriff Farbe - als die Eigenschaft von Stoffen, bestimmte Lichtfarben streuen zu können"
„das Modell der allseitigen geradlinigen und kontinuierlichen Lichtausbreitung nutzen (W), um unter der Anwendung von fachspezifischem Wortschatz begründete Vermutungen zur Entstehung von Schattenphänomenen aufzustellen (E)“
Materialien:
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Knetmasse
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Karton
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Schere
Aufbau und Durchführung:
Findet euch in 3er-Gruppen zusammen: Dieser Versuch ist eine Erweiterung zum Versuch "Lichtfarben". Schneidet aus dem Karton eine beliebige Form aus (z.B: Herz) und steckt sie so in eine Kugel aus Knetmasse, sodass sie stehen kann. Stellt die Form nun vor die weiße Wand und führt den Versuch mit den Lichtfarben noch einmal durch. Mit dem Unterschied, dass ihr das Objekt vor der Wand beleuchtet.
Theoretischer Input:
Die bunten Schatten entstehen, da jeder entstandene Schatten von den anderen Taschenlampen beleuchtet wird. Die bunten Schatten mischen sich nach der additiven Farbmischung.
Achtung! Wenn alle drei Taschenlampen die Form beleuchten, entsteht ein schwarzer Schatten. Dies hat nichts mit der additiven Farbmischung zu tun. Dabei handelt es sich einfach um den Kernschatten der beleuchteten Form.
Umsetzung im Unterricht:
Die Schüler:innen sollen in 3er Gruppen zusammengehen und den Versuch am besten mit Handys in einem abgedunkelten Raum durchführen.