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Das Prisma: weißes Licht zerlegen

SchulversuchOptikKlasse 7Standard

Worum geht es?

Weißes Licht ist ein Gemisch. Das Prisma sortiert es, weil die Brechzahl des Glases für jede Farbe ein klein wenig anders ist: Violett wird am stärksten gebrochen, Rot am schwächsten. Das nennt man Dispersion, und das entstehende Farbband heißt Spektrum. Die entscheidende Frage lautet: Erzeugt das Prisma die Farben, oder legt es nur offen, was im Weiß schon steckt? Zwei Kontrollversuche beantworten sie eindeutig.

Warum macht man dieses Experiment?

Hier lernt man das vielleicht wichtigste Denkmuster des Experimentierens überhaupt: Eine schöne Beobachtung (das Farbband!) hat zwei konkurrierende Erklärungen, und erst gezielt gebaute Kontrollversuche entscheiden zwischen ihnen. Newtons Doppelprobe von 1666 ist das historische Musterbeispiel. Nebenbei erklärt der Versuch den Regenbogen, die Farbsäume an billigen und das Schillern geschliffenen Glases.

Die physikalische Idee

Variante 1 erzeugt das Spektrum sauber (schmaler Spalt, Prisma, Schirm) und protokolliert Reihenfolge und Ablenkungsrichtung. Variante 2 stellt die Systemfrage mit zwei Proben: Eine einzelne Spektralfarbe wird durch ein zweites Prisma geschickt (zerlegt es sie weiter?), und das komplette Spektrum wird mit einer wieder eingesammelt (entsteht daraus wieder Weiß?).

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

  • Brechung und Brechzahl (Experiment)

Wissenschaftliche Einordnung

Newton kaufte sein Prisma 1666 auf einem Jahrmarkt. Farbige Prismenbilder kannte man längst, hielt die Farben aber für Glas-Zauber. Newtons „experimentum crucis“ (die Doppelprobe dieser Anleitung) drehte die Beweislast um: Die Farben stecken im Licht. Aus dem Spektrum wurde später die Spektralanalyse; Fraunhofer fand 1814 dunkle Linien im Sonnenspektrum, der Beginn der Astrophysik.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Newtons Doppelprobe: sortiert oder gefärbt?

Entscheide mit zwei Kontrollversuchen, ob das Prisma Farben erzeugt oder nur trennt: Einzelfarbe durchs zweite Prisma, Spektrum durch die .

Gemessen

  • — Verhalten von Einzelfarbe und vereinigtem Spektrum

    Qualitativ geprüft werden die zwei Entscheidungsbeobachtungen: weiterzerlegt oder nicht, wieder weiß oder nicht.

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

Probe 1: Blende aus dem Spektrum nur das grüne Licht aus und schicke es durch das zweite Prisma. Probe 2: Sammle das komplette Spektrum mit der auf einen Fleck. Formuliere vorher, was jede der beiden Erklärungen jeweils vorhersagt.

2Vorbetrachtung

Zwei Erklärungen, vier Vorhersagen:

Erklärung A („Das Glas färbt das Licht“): Dann müsste das zweite Prisma auch aus dem grünen Licht wieder ein Farbband machen, denn es färbt ja alles, was durchläuft. Und aus dem bunten Spektrum könnte keine je Weiß zurückholen, denn das Weiß wäre beim Färben verloren gegangen.

Erklärung B („Das Licht ist ein Gemisch, das Prisma sortiert“): Dann ist die ausgeblendete Einzelfarbe bereits rein und lässt sich nicht weiter zerlegen. Das zweite Prisma kann sie nur noch ablenken. Und die Linse muss aus dem vollständigen Farbfächer wieder Weiß zusammensetzen können, denn Sortieren ist umkehrbar.

Die zwei Proben trennen die Erklärungen vollständig, weil jede Kombination der Ergebnisse genau eine widerlegt. Das macht den Versuch zum „experimentum crucis“, zum Kreuzungs-Experiment, an dem sich die Wege scheiden.

3Geräte / Stoffe

Schlitzblende auf einen schmalen Grünstreifen des Spektrums justieren; zweites Prisma dahinter in gleicher Orientierung; für Probe 2 die Blende entfernen und die so stellen, dass der ganze Fächer sie füllt.

  • Leuchte mit engem Spalt

    Erzeugt ein schmales weißes Bündel; nur dann liegen die Farbbilder des Spalts sauber nebeneinander.

  • Glasprisma auf Drehhalter

    Der Sortierer: Die zweifache am Keil spreizt die Farben auseinander.

  • Schlitzblende

    Der Farbfänger; er lässt für die Doppelprobe genau eine Spektralfarbe passieren.

  • Zweites Prisma und Sammellinse

    Für die zwei Kontrollversuche: weiterzerlegen bzw. wieder vereinigen.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Zwei Zeilen: oben Spalt-Prisma-Blende-zweites Prisma-Schirm (grüner Fleck, nur versetzt); unten Spalt-Prisma-Linse-Schirm (weißer Fleck im Brennbereich).

Aufbau: Experimentierleuchte mit engem Spalt, Geradsichtprisma oder gleichseitiges Glasprisma auf Drehhalter, weißer Schirm, Schlitzblende zum Ausblenden einzelner Farben, zweites Prisma, (f ≈ 10 cm); abgedunkelter Raum.

5Durchführung

Probe 1: Grünstreifen isolieren, zweites Prisma einsetzen, Schirmbild dahinter beschreiben; zur Kontrolle mit Rot wiederholen. Probe 2: ins volle Spektrum, Schirm durch den Brennbereich schieben und die Farbfolge auf dem Fleck beobachten.

6Beobachtung

Ergebnisse der Doppelprobe
ProbeErgebnis
Grün durchs zweite Prismableibt ein einziger grüner Fleck: erneut abgelenkt, aber nicht weiter zerlegt
Rot durchs zweite Prismaebenso: nur abgelenkt, und zwar schwächer als Grün
Spektrum durch die Sammellinseim Brennbereich vereinigt sich der Fächer zu einem weißen Fleck; davor und dahinter farbige Säume

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Erklärung A ist doppelt widerlegt: Das zweite Prisma hat aus Grün kein Farbband gemacht, denn es gab nichts zu färben. Und die hat aus dem Fächer das Weiß zurückgeholt. Was sich durch bloßes Zusammenführen wiederherstellen lässt, war nie zerstört, nur auseinandergelegt. Beide Proben sprechen dieselbe Sprache: Die Farben stecken im Licht; das Prisma ist ein Sortierer, kein Färber. Weißes Licht ist das vollständige Gemisch aller Spektralfarben.

Das Nebenergebnis der Rot-Kontrolle: Rot wurde vom zweiten Prisma schwächer abgelenkt als Grün. Jede Spektralfarbe trägt also ihre eigene, feste Brechzahl mit sich. Genau deshalb funktionierte die Sortierung im ersten Prisma, und deshalb bleibt eine sortierte Farbe unter jeder weiteren stabil. „Rein“ heißt hier: eine Brechzahl, keine Mischung.

Warum dieses Denkmuster größer ist als die Optik: Newtons Aufbau ist das Urbild des Kontrollversuchs. Nicht die schönste Beobachtung entscheidet, sondern die gezielt gebaute Situation, in der konkurrierende Erklärungen Verschiedenes vorhersagen. Dieses Muster (erst die Vorhersagen beider Erklärungen aufschreiben, dann den trennenden Versuch bauen) kehrt in jedem guten wieder, vom Bimetallstreifen mit seiner Heizseiten- gegen Material-These bis zur modernen Forschung.

8Fazit

Einzelfarben sind unzerlegbar, das vereinigte Spektrum ist wieder weiß. Beide Proben widerlegen die Färbe-These: Das Prisma sortiert das im weißen Licht steckende Farbgemisch. Newtons experimentum crucis, im Klassenraum wiederholt.

9Fehlerbetrachtung

Die Beweiskraft hängt an der Reinheit der Proben:

Blende fasst mehrere Farbeneher systematisch

Ursache

Zu breiter Schlitz oder unscharfes Spektrum.

Auswirkung

Das zweite Prisma zieht das Farbgemisch doch etwas auseinander. Diese scheinbare Weiterzerlegung verführt zum Fehlschluss auf Erklärung A.

Verbesserung

Schmalen Schlitz, gut getrenntes Spektrum, Probe mit mehreren Einzelfarben wiederholen.

Linse fängt nicht den ganzen Fächereher systematisch

Ursache

Randfarben laufen an der vorbei.

Auswirkung

Der vereinigte Fleck bleibt farbstichig: „Weiß kommt nicht zurück“.

Verbesserung

nah ans Prisma, Fächerbreite prüfen.

Schirm nicht im Brennbereicheher zufällig

Ursache

Vor/hinter der Vereinigungszone sind die Farben noch getrennt.

Auswirkung

Farbige Säume werden als Gegenbeweis gelesen.

Verbesserung

Schirm langsam durchschieben und die Zone maximaler Vereinigung suchen.

Das Wichtigste

Dispersion

Die Brechzahl hängt leicht von der Farbe ab; Violett wird stärker gebrochen als Rot. Am Keil des Prismas fächert das Gemisch deshalb auf, zur Prismenbasis hin am stärksten abgelenkt.

Farben stecken im Licht

Das Prisma erzeugt keine Farben, es sortiert sie. Der Beweis: Eine ausgeblendete Einzelfarbe bleibt im zweiten Prisma unverändert, sie wird nur noch abgelenkt, nicht mehr zerlegt.

Weiß ist die Summe

Die vereinigt das komplette Spektrum wieder zu weißem Licht. Weiß ist keine Farbe, sondern das volle Gemisch; beide Proben zusammen schließen die Erklärung „Glas färbt“ aus.

Der Regenbogen

In jedem Regentropfen passiert dasselbe wie im Prisma: , innere , Brechung, jeweils mit farbabhängigen Winkeln. Der Himmel macht den Prismenversuch mit Millionen Tropfen gleichzeitig.

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