Box, um das Lichtspektrum zu sehen

Was das Kind lernt

• Dass weißes Licht eine Mischung aus Farben ist und dass ein Gitter aus sehr feinen Rillen (1,6 µm bei einer CD) es durch Beugung zerlegt.
• Dass jede Lichtquelle ihr eigenes Spektrum hat: durchgehend (Sonne, Glühbirne, Kerze), aus Linien (Leuchtstoffröhre, Straßenlaternen) oder mit zwei „Höckern“ (weiße LED).
• Warum ein schmaler Spalt scharfe Farben gibt und ein breiter sie verschmiert.
• Ergebnisse geordnet zu beobachten, zu zeichnen und zu vergleichen – so wie ein Astronom bei den Sternen.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlagen bei 100 % aus und prüfe mit einem Lineal, dass der Boden (A) 160 mm misst.
• Schneide die CD vor der Einheit in Viertel: Wärme die Schere eine Minute in heißem Wasser an oder die CD mit dem Föhn und schneide in einem Zug, damit sie nicht splittert. Löst sich die Silberschicht ab, ist dieses Viertel unbrauchbar.
• Wenn du innen anmalen willst, mach das am Vortag oder nimm schwarzes Papier mit Klebestift (dann musst du nicht warten).
• Halte mindestens zwei verschiedene Lichtquellen bereit: eine LED-Lampe, eine Leuchtstoffröhre oder Energiesparlampe und, wenn möglich, eine Kerze oder eine Glühbirne.

Materialien und Werkzeuge

• Wellpappe — 1 Bogen 35 × 35 cm (oder eine Schachtel von mindestens 15 × 7,5 × 8,5 cm)
  einwellig, 3 mm; wenn du eine fertige Schachtel nimmst (Tee, kleine Schuhe, Kekse), brauchst du nur die Papiervorlagen zum Anzeichnen
• Alte CD — 1 (ein Viertel reicht)
  Rohling oder Musik-CD, die nicht mehr gebraucht wird; die glänzende Seite ohne Kratzer im mittleren Bereich des Radius
• Schwarzer Fotokarton — 1 Stück 10 × 10 cm
  200 g/m², für die beiden Spaltbacken
• Schwarzes Isolierband oder schwarzes Gewebeband — 1 Rolle (etwa 2 m)
  lichtdicht; zum Abdichten aller Fugen
• Mattschwarze Farbe oder schwarzes Papier — schwarze Temperafarbe (etwa 30 ml) oder 2 schwarze A4-Blätter
  für innen: verhindert störende Reflexe
• Bastelkleber (Weißleim) oder Heißklebesticks — ein wenig
  für den CD-Halter und zum Verbinden der Wände
• A4-Blätter und Klebestift — 2 A4-Blätter
  zum Ausdrucken der Vorlagen bei 100 %
• Weißer Stift oder Kreide — 1
  um die Linien auf dem Boden A nachzuziehen, falls die Farbe sie verdeckt

Werkzeuge

• Kräftige Schere — die CD vierteln und die Fotokarton-Teile schneiden Erwachsene
• Cuttermesser, Metalllineal und Schneidematte — das Spaltfenster und das Loch für das Guckloch schneiden Erwachsene
• Lineal und Bleistift — Linien anzeichnen und den 1-mm-Spalt prüfen
• Winkelmesser — prüfen, dass der Halter 30° zur Achse bildet
• Heißklebepistole (optional) — den CD-Halter am Boden der Box befestigen Erwachsene
• Pinsel — das Innere schwarz anmalen

Teile und Vorlagen

• A · Boden (mit Lageplan) ×1 — Wellpappe 3 mm
• B · Seitenwand mit Guckloch ×1 — Wellpappe 3 mm
• C · Geschlossene Seitenwand ×1 — Wellpappe 3 mm
• D · Vorderwand (Spalt) ×1 — Wellpappe 3 mm
• E · Rückwand ×1 — Wellpappe 3 mm
• F · Deckel ×1 — Wellpappe 3 mm
• G · Spaltbacken ×2 — schwarzer Fotokarton 200 g/m²
• H · CD-Halter ×1 — Wellpappe 3 mm

Schritt für Schritt

1. Schneide die Wände zu

   Klebe die Vorlagen A bis F mit Klebestift auf den Karton und schneide die sechs Teile aus: Boden 160 × 80 mm, zwei Seitenwände 160 × 90 mm, Vorder- und Rückwand 80 × 90 mm und Deckel 166 × 86 mm.

   Tipp: Wenn du eine Schachtel in ähnlicher Größe hast, nimm sie und klebe nur die Papiervorlagen auf, um Fenster, Guckloch und Halterlinie anzuzeichnen.

2. Öffne das Fenster und das Guckloch Erwachsene

   Klebe die Vorlage D auf die Innenseite der Wand (von innen: B rechts von dir). Schneide mit Cuttermesser und Lineal in Wand D das Fenster von 5 × 40 mm und in Wand B das Guckloch mit 15 mm Durchmesser (Mitte 115 mm von der Vorderkante und 45 mm über dem Boden).

   Prüfe: Das Guckloch muss auf halber Höhe liegen und die Mitte des Fensters 45 mm von der Gucklochwand.

3. Mach den 1-mm-Spalt

   Schneide die beiden Backen G aus schwarzem Fotokarton mit ganz gerader langer Kante. Klebe sie außen auf das Fenster, einander gegenüber, mit 1 mm Lücke zwischen den geraden Kanten, mittig über dem Fenster von 5 × 40 mm. Befestige jede Backe mit zwei Streifen schwarzem Klebeband an ihren Außenkanten.

   Prüfe: Schau durch den Spalt auf eine Lampe: Du solltest eine feine, gerade Lichtlinie sehen, von oben bis unten gleich breit.
   Tipp: Steck beim Kleben eine in der Mitte gefaltete Visitenkarte zwischen die Backen und zieh sie danach heraus: So wird die Lücke gleichmäßig.

4. Mal das Innere schwarz an

   Mal die Innenseite der sechs Teile mattschwarz an (oder klebe schwarzes Papier auf). Auf Boden A malst du um die drei gezeichneten Linien herum und lässt einen 2–3 mm breiten Streifen frei, oder du malst alles an und ziehst sie nach dem Trocknen mit Lineal und weißem Stift nach: Du brauchst sie in den Schritten 5 und 8. Lass 20 Minuten trocknen. Ohne Schwarz wird das Licht von den Wänden zurückgeworfen und das Spektrum wirkt blass.

   Prüfe: Auf dem angemalten Boden A müssen die Lichtlinie, die Blicklinie und die schräge Halterlinie zu sehen sein.

5. Bau die Box ohne Deckel zusammen

   Stell die vier Wände um den Boden A (die angemalte Seite nach innen) und verbinde sie außen mit Streifen schwarzem Klebeband an den vier senkrechten Ecken und entlang des Bodens. Wand B (Guckloch) kommt an die obere Seite der Bodenvorlage.

   Prüfe: Die auf den Boden gezeichnete Lichtlinie muss auf die Mitte des Spalts zeigen.

6. Bereite das CD-Viertel vor Erwachsene

   Nimm ein CD-Viertel, das der Erwachsene geschnitten hat. Wenn hinten ein Etikett oder Aufkleber ist, lass ihn dran; kratz die Silberschicht nicht ab. Wisch die glänzende Seite mit einem trockenen Tuch sauber, ohne sie mit den Fingern zu berühren.

   Tipp: Zum Schneiden wärmt der Erwachsene die CD 1 Minute mit dem Föhn an und schneidet sie mit einer kräftigen Schere: Sie splittert viel weniger.

7. Klebe die CD auf den Halter

   Schneide den Halter H (65 × 100 mm) aus und rille die Falte bei 85 mm. Klebe das CD-Viertel mit der glänzenden Seite nach außen nach der Zeichnung auf: die Ecke der CD (die Mitte der Scheibe) an die linke Kante, 42,5 mm von der Oberkante.

   Prüfe: Wenn du auf den roten Punkt („Licht hier“) schaust, müssen die Spuren der CD (feine Kreislinien, die du gegen das Licht siehst) von oben nach unten verlaufen.

8. Stell den Halter auf 30° Erwachsene

   Knick die 15-mm-Lasche nach hinten und klebe den Halter stehend auf die schräge Linie des Bodens, mit der CD zum Spalt und zur Gucklochwand. Die Kante mit der CD-Ecke zeigt nach hinten, neben Wand B.

   Prüfe: Mit dem Winkelmesser bildet der Halter 30° zur Lichtlinie. Der rote Punkt liegt dort, wo sich Lichtlinie und Blicklinie kreuzen.

9. Erster Blick bei offener Box

   Richte den Spalt auf eine eingeschaltete Lampe in 30–50 cm Abstand und schau durch das Guckloch, solange die Box noch keinen Deckel hat (deck die Oberseite mit der Hand ab). Du solltest ein Farbband auf der CD sehen.

   Prüfe: Siehst du nur einen weißen Reflex, dreh den Halter leicht um 5–10°, damit die CD mehr zum Spalt schaut; siehst du nichts, dreh ihn ein wenig zum Guckloch.
   Tipp: Jetzt ist der Moment zum Einstellen: Mit Deckel geht es nicht mehr.

10. Schließ die Box

    Leg den Deckel F auf und befestige ihn mit zwei Streifen schwarzem Klebeband als Scharnier. Kleb alle Ritzen zu, durch die Licht hereinkommt, außer dem 1-mm-Spalt und dem Guckloch.

    Prüfe: In einem hellen Raum muss das Innere beim Blick durch das Guckloch völlig schwarz sein, wenn du den Spalt mit dem Finger zuhältst.

11. Beobachte und vergleiche

    Richte den Spalt auf verschiedene Lampen (LED, Energiesparlampe, Glühbirne) und durchs Fenster auf den blauen Himmel, niemals auf die Sonne. Schau durch das Guckloch und dreh die Box ein wenig, bis das Farbband am hellsten ist.

12. Zeichne die Spektren

    Zeichne für jedes Licht mit Buntstiften ein 10 cm langes Band: Violett links, Rot rechts. Markiere die hellen Linien, die du siehst, und schreib dazu, von welcher Lampe es ist.

Funktioniert es? Der Test

Richte in einem halbdunklen Raum den Spalt auf eine Energiesparlampe in etwa 40 cm Abstand und schau durch das Guckloch.

Was passieren soll: Du solltest auf der CD ein Farbband von Violett bis Rot sehen (es nimmt etwa 12–15° deines Blickfelds ein, so viel wie eine Handbreite bei ausgestrecktem Arm). Bei der Leuchtstofflampe erkennst du Linien: eine violette, eine sehr helle grüne (546 nm vom Quecksilber) und eine orangerote; bei einer Glühbirne oder Kerze ist das Band durchgehend; bei einer weißen LED viel Blau und ein breiter gelbgrüner Bereich.

Wenn etwas nicht klappt

• Ich sehe nur einen weißen Reflex — Die CD ist zu weit zum Guckloch gedreht (zum Beispiel auf 45°): Es kommt die Spiegelung an. Lösung: Öffne den Deckel und dreh den Halter um etwa 5–10°, damit die CD mehr zum Spalt schaut; prüfe die 30° mit dem Winkelmesser.
• Ich sehe überhaupt keine Farben — Die Spuren der CD liegen nicht parallel zum Spalt, oder das Licht erreicht die CD nicht. Lösung: Prüfe, dass die CD-Ecke auf halber Höhe an der Kante des Halters liegt und dass die Lichtlinie auf dem Boden durch den roten Punkt geht. Schau bei offenem Deckel von außen durch den Spalt, um zu sehen, wohin das Licht fällt.
• Die Farben sind verschwommen und ohne Linien — Spalt zu breit (mehr als 1,5 mm) oder ungleichmäßige Kanten. Lösung: Schieb die Backen zusammen, bis 0,5–1 mm bleiben. Wenn die Kanten fusselig sind, schneide neue Backen mit dem Cuttermesser.
• Das Spektrum ist sehr schwach und grau — Durch die Fugen kommt Licht herein, oder das Innere ist nicht schwarz. Lösung: Dichte alle Fugen mit schwarzem Klebeband ab und mal das Innere schwarz an oder beklebe es. Schau hinein und deck dabei den Rest des Auges mit der Hand ab.
• Das Spektrum ist schief oder gebogen — Die Spuren sind gegenüber dem Spalt geneigt. Lösung: Eine leichte Krümmung ist normal. Wenn es sehr schief ist, löse die CD und dreh sie, bis die Ecke genau auf der Höhe des Lichtpunkts liegt.
• Die CD ist gesplittert oder hat sich in Schichten gelöst — Sie wurde kalt oder mit einer kleinen Schere geschnitten. Lösung: Nimm ein anderes Viertel. Wärm die CD 1 Minute mit dem Föhn an und schneide in einem Zug mit einer kräftigen Schere.

Sicherheit

• Richte den Spalt nie auf die Sonne und schau nie in die Sonne: Das kann die Netzhaut schädigen, ohne dass es wehtut. Für das Sonnenspektrum richte ihn auf den blauen Himmel weit weg von der Sonne oder auf ein beleuchtetes weißes Blatt.
• Die Kanten der geschnittenen CD sind scharf wie Glas: Der Erwachsene schneidet sie und schleift die Kante mit feinem Schleifpapier ab oder klebt Klebeband darüber.
• Das Cuttermesser benutzt ein Erwachsener, mit Metalllineal und Schneidematte.
• Halte die Box mindestens 10 cm von Halogen- oder Glühlampen fern: Sie erhitzen den Karton.
• Wenn du eine Kerze nimmst, immer mit einem Erwachsenen und weit weg vom Karton (mindestens 30 cm).

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Das weiße Licht einer Lampe sieht aus wie eine einzige Farbe, aber in Wirklichkeit ist es eine Mischung aus vielen Farben zusammen, wie eine Buchstabensuppe. Die CD hat so feine Rillen, dass du sie nicht siehst, und wenn das Licht von ihnen zurückgeworfen wird, geht jede Farbe in eine ganz leicht andere Richtung. Deshalb trennen sich die Farben und ein Regenbogen erscheint. Jede Lampe hat ihr eigenes Farbrezept: Manche haben alle Farben, andere nur ein paar – wie ein Fingerabdruck.

Für Erwachsene

Eine CD hat eine spiralförmige Spur mit 1,6 µm Abstand (≈ 625 Linien pro mm), daher wirkt ihre bespielte Seite wie ein Reflexionsbeugungsgitter. Die Gittergleichung lautet sin θm = sin θi + m·λ/d: Jede Wellenlänge tritt unter einem anderen Winkel aus. Fällt das Licht unter 60° zur Normalen ein, tritt die erste Ordnung (m = −1) bei ≈ 82° zum Strahl für Violett (400 nm) aus, bei 88° für Grün (550 nm) und bei 95° für Rot (700 nm), also fast senkrecht zum Guckloch; die nullte Ordnung (spiegelnde Reflexion, weiß) geht unter 60° weg und erreicht das Auge nicht. Steht die CD auf 45°, geht die Spiegelung direkt ins Guckloch und das Spektrum ist um 18–30° verschoben. Durch den schmalen Spalt bekommt jeder Punkt der CD Licht aus nur einer Richtung: Je schmaler, desto besser die Auflösung (aber desto weniger Helligkeit). Thermische Quellen (Sonne, Glühbirne, Kerze) liefern ein kontinuierliches Spektrum; angeregte Gase (Quecksilber in Leuchtstofflampen, Natrium in Straßenlaternen) senden Linien bei festen Wellenlängen aus, die für jedes Element typisch sind; eine weiße LED ist eine blaue LED (≈ 450 nm) mit gelbem Leuchtstoff, daher ihre zwei Höcker. So untersucht man Sterne: Ihre Absorptionslinien verraten, aus welchen Elementen sie bestehen.

• Spektrum: das Farbband, aus dem ein Licht besteht, geordnet von Violett bis Rot.
• Beugung: Ablenkung des Lichts, wenn es an sehr feinen Rillen vorbeigeht oder von ihnen zurückgeworfen wird; jede Farbe wird anders abgelenkt.
• Beugungsgitter: Oberfläche mit Tausenden gleichen, parallelen Rillen, wie die Spuren einer CD.
• Spalt: sehr schmale Öffnung, die nur einen feinen Lichtfaden durchlässt.
• Wellenlänge: die „Größe“ der Lichtwelle; jede Farbe hat ihre eigene (Violett kurz, Rot lang).

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene baut die Box und schneidet die CD. Das Kind malt das Innere an, klebt die Klebestreifen und vor allem schaut und zeichnet es: „Welche Farben hat dieses Licht?“ Nehmt eine Kerze und eine Leuchtstofflampe, damit der Unterschied ganz deutlich wird.
• 8–10 Jahre: Sie bauen die Box nach den Vorlagen; der Erwachsene schneidet CD, Fenster und Guckloch. Lass sie selbst den Winkel des Halters einstellen, bis sie die Farben sehen, und das Spektrum von drei Lampen zeichnen.
• 11–12 Jahre: Challenge: die Skala kalibrieren. Mit der grünen Linie der Leuchtstofflampe (546 nm) und der blauen (436 nm) eine Wellenlängenskala auf ein innen eingeklebtes Papier zeichnen und schätzen, wo das Rot liegt. Mit der Gittergleichung die Winkel für CD und DVD berechnen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Paare, eine Box pro Paar (12 Boxen für 24 Kinder). Vorher: CDs schneiden (3 CDs ergeben 12 Viertel), Teile vorschneiden oder gleich große Teeschachteln sammeln, Vorlagen drucken und im halbdunklen Raum 3 Lichtstationen aufbauen: LED, Leuchtstofflampe und Fenster mit Himmel. Einheit von 75 min: 10 min Vorführung, 40 min Bauen, 25 min Rundgang durch die Stationen mit Zeichnen der Spektren. Vergleicht die Zeichnungen an der Tafel.

Challenges

• Bring innen neben der CD eine Skala aus durchscheinendem Papier an, mit Markierungen von 400 bis 700 nm, kalibriert mit den Linien der Leuchtstofflampe.
• Fotografiere das Spektrum, indem du die Handykamera direkt ans Guckloch hältst.
• Entdecke nachts das Spektrum einer Straßenlaterne (Natriumlampen geben eine kräftige gelbe Linie).
• Bau eine Taschenversion aus einer Küchenrollen-Röhre und einem Stück DVD, dessen Schichten getrennt sind (Transmissionsgitter).

Weitere kostenlose Projekte

• Farbkreisel-Scheibe
• Regenbogen mit einem Glas und einem Schlitz
• Wassertropfen-Mikroskop
• Dunkelkammer, die Bilder projiziert
• Halloween-Schattenlaterne
• Handy-Projektor mit Lupe
• Hologramm-Pyramide
• Spiegel-Periskop
• Spiegelrohr mit Farben
• Sternbild-Projektor

Alle Projekte ansehen