Regenbogen mit einem Glas und einem Schlitz

Was das Kind lernt

• Dass das weiße Sonnenlicht eine Mischung aus Farben ist und dass man sie trennen kann.
• Dass Licht beim Übergang von Luft in Wasser und von Wasser in Luft abgelenkt wird (Brechung) und dass jede Farbe etwas anders abgelenkt wird (Dispersion).
• Dass die Reihenfolge der Farben immer gleich ist: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett (Rot wird am wenigsten abgelenkt).
• Dass ein schmales Lichtbündel schärfere Farben ergibt und dass die Farben weiter auseinanderrücken, aber blasser werden, wenn man den Schirm weiter weg stellt.
• Den Versuch mit Regenbögen am Himmel, Prismen und CDs in Verbindung zu bringen.

Vorher vorbereiten

• Such das Fenster, das früh am Morgen (Fenster nach Osten) oder am Nachmittag (nach Westen) direkte Sonne bekommt. Prüfe am Vortag, wann die Sonne hereinscheint.
• Drucke die Teile A und B mit 100 % aus. Klebe die Vorlage A auf den schwarzen Fotokarton und schneide den Schlitz vor der Einheit mit dem Cuttermesser, wenn die Kinder klein sind.
• Räum das Fensterbrett oder den Tisch frei: Das Glas steht am Rand, also leg ein Handtuch darunter, falls es fällt.
• Halte einen niedrigen Stuhl oder eine Kiste neben dem Fenster bereit, um das Blatt abzulegen, wenn der Boden zu weit weg ist.

Materialien und Werkzeuge

• Glattes Trinkglas — 1
  durchsichtig, gerade Wände, ohne Muster, etwa Ø 7 cm × 10–12 cm
• Leitungswasser — etwa 300 ml
  sauber, bis 1 cm unter den Rand
• Weiße Papierblätter — 2 (A4)
  eins für den Schirm (Teil B) und eins als Reserve
• Schwarzer oder dunkler Fotokarton — 1 Stück, 10 × 12 cm
  lichtundurchlässig, für die Maske mit Schlitz (Teil A)
• Klebeband — 4 Stücke à 3 cm
  um die Maske am Glas und das Blatt an der Wand oder am Boden zu befestigen
• Buntstifte — 7 Farben
  Rot, Orange, Gelb, Grün, Hellblau, Dunkelblau und Violett
• Taschenlampe (optional) — 1
  mit schmalem Lichtkegel; die vom Handy reicht, wenn der Raum sehr dunkel ist

Werkzeuge

• Cuttermesser und Lineal — den Schlitz von 3 × 50 mm schneiden Erwachsene
• Schere — Maske und Schirm ausschneiden
• Lineal oder Maßband — den Abstand vom Glas zum Blatt und die Breite des Regenbogens messen

Teile und Vorlagen

• A · Maske mit Schlitz ×1 — schwarzer Fotokarton (oder dünner Karton, schwarz angemalt)
• B · Schirm zum Zeichnen des Spektrums ×1 — weißes Papier oder weißer Fotokarton

Schritt für Schritt

1. Bereite die Maske vor Erwachsene

   Klebe die Vorlage A auf den schwarzen Fotokarton und schneide sie aus (100 × 90 mm). Ein Erwachsener schneidet den Schlitz von 3 × 50 mm mit Cuttermesser und Lineal, schön gerade.

   Prüfe: Wenn du durch den Schlitz auf eine Lampe schaust, siehst du eine feine, gerade Lichtlinie.

2. Füll das Glas

   Füll das Trinkglas bis 1 cm unter den Rand mit Wasser (etwa 300 ml). Trockne es außen gut mit einem Tuch ab: Tropfen außen lenken das Licht ab.

3. Klebe die Maske ans Glas

   Bieg die Maske um das halbe Glas, mit senkrechtem Schlitz, und klebe sie mit zwei Stücken Klebeband an den Rändern fest. Das untere Ende des Schlitzes soll etwa 2 cm über dem Glasboden liegen. Wohin der Schlitz genau zeigt, stellst du in den Schritten 5 und 7 ein.

   Prüfe: Die Maske liegt dicht am Glas an, ohne Lücken, durch die Licht dringen kann.

4. Such die Sonne

   Such ein Fenster mit direkter Sonne, am besten früh am Morgen oder am Nachmittag, wenn die Sonne tief steht und das Licht schräg hereinfällt. Steht die Sonne sehr hoch, fällt das Licht fast senkrecht und geht nicht gut durch das Glas.

   Prüfe: Der Schatten deiner Hand auf dem Fensterbrett ist scharf (direkte Sonne, kein Wolkenlicht).

5. Stell das Glas an den Rand

   Stell das Glas an den Rand des Fensterbretts oder eines Tisches in der Sonne, mit der Maske zur Sonne, aber so gedreht, dass der Schlitz etwa 2 cm neben der Stelle liegt, die genau zur Sonne zeigt. Ein Bündel, das genau durch die Mitte eintritt, geht ohne Ablenkung durch das Wasser und trennt die Farben nicht; es muss seitlich eintreten. Die gegenüberliegende Seite des Glases muss genau über dem Rand stehen, damit das austretende Licht zum Boden fallen kann, ohne auf den Rahmen zu treffen.

   Tipp: Leg ein Handtuch unter das Glas, falls es fällt.

6. Stell den Schirm auf

   Leg das Blatt B auf den Boden, auf einen Stuhl oder klebe es an die Wand auf der Schattenseite des Glases, in etwa 30–50 cm Abstand. Such den Lichtstreifen, der aus dem Glas kommt, und verschieb das Blatt, bis er darauf fällt.

7. Stell den Regenbogen scharf

   Dreh das Glas langsam um sich selbst, jedes Mal ein paar Millimeter: So entfernt sich der Schlitz von der Mitte der Sonnenseite, und das Bündel tritt schräger ins Wasser ein; je seitlicher es eintritt, desto stärker wird es abgelenkt und desto weiter trennen sich die Farben (drehst du zu weit, wird der Streifen blass oder verschwindet). Schieb das Blatt zwischen 30 und 80 cm näher heran oder weiter weg, bis aus dem Streifen gut getrennte Farben werden. Wenn nötig, kipp das Glas ein wenig, indem du eine Münze unterlegst.

   Prüfe: Du siehst Rot an einem Ende und Violett-Blau am anderen, waagerecht nebeneinander, in einem Streifen von 2–5 cm.

8. Dunkle die Umgebung ab

   Wenn die Farben schwach aussehen, lass die Jalousie etwas herunter, sodass die Sonne nur im Bereich des Glases hereinfällt, oder beschatte das Blatt mit einem Stück Karton. Die Farben leuchten dann viel stärker.

9. Zeichne und miss

   Mal mit den Buntstiften jede Farbe genau dort auf das Blatt, wo du sie siehst. Notiere die Uhrzeit und den Abstand Glas–Blatt und miss mit dem Raster, wie breit der Regenbogen ist.

   Prüfe: Du hast die Farben der Reihe nach notiert; Rot ist immer auf der Seite, die am wenigsten abgelenkt wurde.

10. Probier es ohne Maske

    Nimm die Maske ab und vergleiche: Ist das ganze Glas beleuchtet, wird der Streifen breiter und heller, aber die Farben vermischen sich und die Mitte sieht fast weiß aus. Setz die Maske wieder auf, um den Unterschied zu sehen.

Funktioniert es? Der Test

Bei halbhoher Sonne, Glas mit Maske mit 3-mm-Schlitz am Fensterrand und das Blatt in 50 cm Abstand.

Was passieren soll: Es erscheint ein Farbstreifen von 2–4 cm Breite mit Rot an einem Ende und Violett am anderen, über Orange, Gelb, Grün und Blau. Rückt das Blatt auf 80 cm weg, wird er breiter und blasser; rückt es auf 20 cm heran, wird er schmaler und fast weiß.

Wenn etwas nicht klappt

• Es erscheint nur ein weißer Lichtfleck — Das Bündel ist zu breit oder das Blatt zu nah. Lösung: Setz die Maske mit Schlitz auf und rück das Blatt auf 50–80 cm weg.
• Mit Maske erscheint ein weißer Strich, ohne Farben — Der Schlitz zeigt genau zur Sonne: Das Bündel tritt durch die Mitte des Glases ein und geht ohne Ablenkung hindurch. Lösung: Dreh das Glas, sodass der Schlitz 2–3 cm seitlich liegt und das Bündel schräg eintritt; dreh nach und nach weiter, bis die Farben erscheinen.
• Es erscheint gar kein Lichtfleck — Es gibt keine direkte Sonne oder das Licht geht nicht durch das Glas zum Blatt. Lösung: Prüfe, ob der Schatten deiner Hand scharf ist. Dreh das Glas und such das austretende Licht; bewege das Blatt über den ganzen Boden und die Wand.
• Die Farben sehen sehr blass aus — Viel Umgebungslicht im Raum. Lösung: Lass die Jalousie herunter, sodass nur beim Glas Sonne hereinfällt, oder beschatte das Blatt.
• Der Regenbogen ist verzerrt oder streifig — Glas mit Relief, zerkratzt oder mit Tropfen außen. Lösung: Nimm ein glattes Glas und trockne es außen ab. Ein glattes zylindrisches Glas funktioniert sehr gut.
• Mittags funktioniert es nicht — Die Sonne steht zu hoch und das Licht fällt nicht seitlich durch den Schlitz. Lösung: Mach es früh am Morgen oder am Nachmittag, oder kipp das Glas mit einer Unterlage zur Sonne.
• Bewölkter Tag — Das diffuse Licht kommt aus allen Richtungen und bildet kein Bündel. Lösung: Nimm eine starke Taschenlampe in einem dunklen Raum und leuchte aus 20 cm durch den Schlitz.

Sicherheit

• Schau nie direkt in die Sonne, auch nicht durch das Glas: Das kann die Augen schädigen.
• Das Glas am Rand kann herunterfallen und zerbrechen: Leg ein Handtuch darunter, und ein Erwachsener soll es festhalten, wenn das Fensterbrett schmal ist.
• Das Cuttermesser für den Schlitz benutzt ein Erwachsener, mit Metalllineal und Schneidematte.
• Ein Glas Wasser in der Sonne kann das Licht bündeln wie eine Lupe: Lass es nicht stundenlang unbeaufsichtigt neben Papier, Vorhängen oder Holz stehen.
• Wisch verschüttetes Wasser vom Boden auf, damit niemand ausrutscht.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Sonnenlicht sieht weiß aus, ist aber in Wirklichkeit eine Mischung aus vielen Farben, die zusammen unterwegs sind, wie ein Zopf aus sieben Fäden. Wenn das Licht seitlich ins Wasser im Glas eintritt, knickt es ein bisschen ab (tritt es genau in der Mitte ein, geht es gerade weiter), und jede Farbe knickt anders ab: Violett sehr stark und Rot nur wenig. So löst sich der Zopf auf, und jede Farbe landet an einer anderen Stelle auf dem Blatt. Das ist ein Regenbogen!

Für Erwachsene

Licht ändert beim Übergang von einem Medium in ein anderes seine Geschwindigkeit und wird deshalb an der Grenzfläche abgelenkt (Brechung, Snelliussches Gesetz: n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂). Die Brechzahl von Wasser hängt leicht von der Wellenlänge ab (Dispersion): ≈ 1,331 für Rot (700 nm) und ≈ 1,343 für Violett (400 nm). Beim Durchgang durch den Zylinder aus Wasser und Glas, der zugleich als Prisma und als Zylinderlinse wirkt, wird violettes Licht stärker abgelenkt als rotes, und das weiße Bündel fächert sich um 1–2° auf. In 50 cm Abstand entspricht das 1–2 cm Abstand zwischen Rot und Violett, plus der Eigenbreite des Bündels. Ein Strahl, der durch die Mitte des Zylinders eintritt, trifft senkrecht auf die Oberfläche und wird nicht abgelenkt; deshalb muss das Bündel außermittig eintreten, und Ablenkung und Farbtrennung nehmen zu, je näher am Rand es eintritt. Da die Achse des Glases senkrecht steht, wird das Licht nur in der waagerechten Ebene abgelenkt: Die Farben liegen waagerecht nebeneinander, in senkrechten Streifen. Wesentlich ist auch der Schlitz: Ist das einfallende Bündel breit (das ganze Glas), überlagern sich die Spektren der einzelnen Bündelteile und die Mitte erscheint weiß; nur an den Rändern zeigen sich Farben. Der Regenbogen am Himmel ist dasselbe Phänomen in kugelförmigen Tropfen, mit einer inneren Reflexion: Die Strahlen treten gebündelt in etwa 42° zum Gegenpunkt der Sonne aus. Die sieben benannten Farben sind eine Konvention (Newton); das Spektrum ist kontinuierlich.

• Brechung: Richtungsänderung des Lichts beim Übergang von einem Stoff in einen anderen (Luft, Wasser, Glas).
• Dispersion: Trennung der Farben, weil jede etwas anders abgelenkt wird.
• Spektrum: das geordnete Farbband, aus dem weißes Licht besteht.
• Prisma: durchsichtiger Körper, der Licht in Farben zerlegt.
• Lichtbündel: ein schmaler Lichtstrahl, der in eine Richtung läuft.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene bereitet die Maske vor und stellt das Glas auf. Das Kind sucht den Regenbogen, indem es das Blatt über den Boden bewegt, sagt die Farben laut und malt sie aus. Konzentriere dich auf „Weißes Licht versteckt Farben“.
• 8–10 Jahre: Sie bauen alles auf (außer dem Schneiden des Schlitzes), zeichnen das Spektrum auf das Raster und vergleichen mit und ohne Maske und bei verschiedenen Abständen.
• 11–12 Jahre: Sie messen die Breite des Spektrums bei 30, 50 und 80 cm und prüfen, dass sie proportional zum Abstand wächst (konstanter Winkel). Sie berechnen den Dispersionswinkel mit Breite/Abstand. Challenge: das Wasserprisma mit Spiegel.

In der Gruppe oder in der Klasse

Paare oder Dreiergruppen, ein Glas pro Team, an den sonnigen Fenstern von Klassenraum und Flur (oder im Hof mit Tischen). Pro Team: 1 glattes Glas, 1 Maske mit vorgeschnittenem Schlitz, 2 Blätter B, Buntstifte und ein Handtuch. Einheit von 40 min früh am Morgen oder am Nachmittag: 10 min Erklärung, 20 min Suchen und Zeichnen des Spektrums, 10 min gemeinsamer Vergleich der Zeichnungen. Bei Bewölkung halte 3–4 starke Taschenlampen bereit und dunkle den Raum ab.

Challenges

• Schaffe einen Regenbogen von mehr als 8 cm Breite, in dem man alle sieben Farben unterscheidet.
• Wirf den Regenbogen mit einem Spiegel an die Decke.
• Baue ein Spektroskop aus einer Papprolle, einem Schlitz und einem Stück CD und betrachte verschiedene Glühbirnen.
• Vereine die Farben mit einem zweiten Glas oder einer Lupe wieder zu weißem Licht.
• Bastle eine Newton-Scheibe (Kreis mit den sieben Farben) und dreh sie schnell, um zu sehen, welche Farbe erscheint.

Weitere kostenlose Projekte

• Farbkreisel-Scheibe
• Wassertropfen-Mikroskop
• Dunkelkammer, die Bilder projiziert
• Halloween-Schattenlaterne
• Handy-Projektor mit Lupe
• Hologramm-Pyramide
• Spiegel-Periskop
• Spiegelrohr mit Farben
• Sternbild-Projektor
• Box, um das Lichtspektrum zu sehen

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