5. – 10. Schuljahr

Rita Wodzinski

Der Regenbogen

Versuch Sek. I Lehrer
Zeit: 510 min
Der Regenbogen ist ein immer wieder beeindruckendes Naturphänomen. Bei Sonnenlicht kann man es mit einem Gartenschlauch nachstellen. Bei schlechtem Wetter gelingt auch die hier vorgestellte Variante im Klassenraum.
Material
  • rechteckige durchsichtige Box (mind. 4 cm tief, 5 cm hoch und 10 cm breit), z.B. eine hohe Pralinenbox oder ein schulübliches Kunststoff-Aquarium.
  • Overheadprojektor mit Beleuchtung von unten
  • Papier zum Abdecken des Projektors
  • Wasser
Durchführung und Beobachtung
Die Box wird mit Wasser gefüllt. Der Overheadprojektor wird so eingestellt, dass der Spiegel zum Boden oder zur Decke orientiert ist. Die Projektorfläche wird mit Papier abgedeckt. Die Box wird längsseitig an den Rand des Papiers gestellt, der von der Projektionsfläche aus gesehen hinten liegt (s. Abb. 1 ). Nun wird das Papier mit der Box schrittweise nach vorn gezogen. An der Projektionswand entsteht ein gebogenes Spektrum, das an einen Regenbogen erinnert (s. Abb. 2 ). Die Farbfolge ist wie beim Regenbogen außen rot, innen blau. Eine Verdunklung des Raums ist nicht notwendig, steigert aber den Effekt wesentlich.
Durch weiteres Vorziehen der Box zur Mitte erweitert sich der Bogen nach rechts und links und ähnelt immer mehr dem Regenbogen.
Die Farbintensität steigt, wenn man mit einem zweiten Papier den Lichteinfall auf einen Spalt von ca. 5 mm Breite begrenzt.
Erklärung
Die Fresnellinse (unter der Projektorfläche) bündelt das Licht auf die Abbildungslinse oben im Kopf des Projektors. (Dies lässt sich mit einem Blatt Papier, das man in den Lichtkegel hält, leicht zeigen.) Licht fällt deshalb seitlich in die Box und wird beim Übergang gebrochen (s. Abb. 3a ). Danach gelangt es nach nochmaliger Brechung an der Wasseroberfläche zur Wand.
Im Unterricht kann man die Analyse des Phänomens auf das Erkunden der doppelten Brechung beschränken.
Dass sich ein Bogen ergibt, hängt damit zusammen, dass das Licht, das zu den seitlichen Rändern des Spektrums beiträgt, von Stellen kommt, die einen größeren Abstand zur Mitte der Fresnellinse haben. Das Licht trifft deshalb in steilerem Winkel auf die Box auf. Das führt dazu, dass das Licht nach dem Durchgang durch die Wasseroberfläche auch steiler auf die Wand auftrifft, wodurch das Licht an der Wand tiefer zu sehen ist.
Durch gezieltes Abdecken der Box kann man den Lichtweg genauer untersuchen: Deckt man die Hinterseite des Gefäßes von oben schrittweise ab, kann man den Bereich, der zum Regenbogen beiträgt, gut eingrenzen. Bei randvoll gefülltem Gefäß lässt sich entsprechend auch die Oberseite untersuchen. Beim Abdecken verschwinden keine Farben, sondern der Regenbogen wird insgesamt schmaler. Deckt man die Box von der Seite ab, erkennt man zusätzlich, dass die linke Seite des Bogens von der rechten Seite der Box kommt.
Anmerkungen und Ergänzungen
  • Das Experiment gelingt auch ganz ohne Abdeckung der Projektorfläche. Die Diskussion der Lichtwege wird durch die Abdeckung aber wesentlich vereinfacht. Zudem wird störendes Licht reduziert.
  • Die Entstehung des Regenbogens in der Natur ist weitaus komplexer. Ein Unterschied ist, dass beim echten Regenbogen kein Schirmbild entsteht, sondern das Auge aus unterschiedlicher Richtung unterschiedlich farbiges Licht empfängt. Auch beim echten Regenbogen tritt eine zweifache Brechung auf. Allerdings kommt noch die Totalreflexion an der Rückseite des Regentropfens als wichtiges Element hinzu.
  • Eine gute Hilfe für das tiefere Verständnis des Regenbogens bietet die Simulation auf den LEIFI-Seiten: http://www.leifiphysik.de/optik/farben/ausblick/regenbogen
  • Diesen Versuchsaufbau habe ich vor vielen Jahren von Rainer Pippig an der LMU München kennengelernt.

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