Regenbogen
Beschreibung Regenbogen
Herzlich willkommen zu diesem Video! Kennt ihr das Bild, wenn man am Himmel Kreisbögen in verschiedenen Farben sieht? War wohl nur eine Scherzfrage. Das Video heißt doch so: Der Regenbogen. Diese interessante Erscheinung hat viel gemein mit der Dispersion. Ich hoffe, ihr wisst noch, was das ist. Auf alle Fälle wiederholen wir noch einmal diesen Vorgang an einem Prisma. Nachdem ihr das verstanden habt, könnt ihr die Dispersion leicht auf den Regenbogen übertragen. Leider gibt es hier noch zusätzliche Dinge, die ihr zu beachten habt. Die Regentropfen wirken wie ein Prisma. Wir lernen auch, warum sich die Spektralfarben „umdrehen“. Und schließlich erkläre ich euch den Halbkreis des Regenbogens. Viel Spaß beim Schauen des Videos!
Transkript Regenbogen
Hallo und herzlich willkommen. Das Video heißt „Der Regenbogen“. Du kennst bereits Lichtausbreitung, Lichtbrechung und Lichtdurchlässigkeit. Nachher kannst du beschreiben wie ein Regenbogen entsteht und welche Bedingungen dafür notwendig sind. Und gleich legen wir los. Farben am Himmel. Bei Regen und gleichzeitigem Sonnenschein kann man mitunter dieses Farbspiel am Himmel beobachten. Was ist das? Naja, eine Scherzfrage, ihr wisst es ja, ein Regenbogen. Die zweite Frage ist schon nicht mehr so einfach zu beantworten. Wie entsteht er? Und drittens: Welche Bedingungen sind dafür nötig? Ganz wichtig für das Verständnis des Regenbogens ist die Dispersion. Die Zerlegung von weißem Licht in seine farbigen Bestandteile nennt man Dispersion. Und nun machen wir uns an den Regenbogen. Eine große Rolle spielen dabei die Wassertröpfchen. Schauen wir uns einmal an, was wir bereits wissen und was wir erklären können. Wenn die Sonne durch eine Regenwand strahlt, so kann man als Beobachter folgendes Bild sehen. Dieser Prozess ist vergleichbar mit dem Durchgang von weißem Licht durch ein Prisma. Auch hier kann man farbiges Licht beobachten. Man erhält die Spektralfarben. Wir stellen fest: Die Sonne liefert weißes Licht. Der Regen wirkt als Prisma. Und der Regenbogen enthält die Spektralfarben. Ein Regenbogen ist nur dann zu beobachten, wenn Sonne, Regen und Beobachter auf einer Geraden liegen. Wie wirken nun die Wassertröpfchen des Regens als Prisma? Wassertröpfchen sind kugelförmig. Ein Kreis anstelle der Kugeln ist als Arbeitsmodell ausreichend. Betrachten wir also ein Wassertröpfchen. Auf das Tröpfchen fällt weißes Licht und wird gebrochen. Es kommt zu Dispersion. Den roten Strahl habe ich schon eingezeichnet. Innerhalb des Tröpfchens wird er gespiegelt. Beim Ausgang aus dem Tröpfchen in die Luft wird er ein zweites Mal gebrochen. Dispersion bedeutet, dass der weiße Strahl aufgespalten wird in Licht verschiedener Farben. Also in grünes Licht, das kommt dann entsprechend hier an. Blaues Licht wird noch stärker gebrochen und kommt dann an dieser Stelle an. Das Prinzip der Entstehung des Regenbogens ist klar, aber habt ihr einmal darauf geachtet, die Farben sind "höhenverkehrt". Wir brauchen sie anders. Oben rot, unten blau. Das Problem ist nämlich, dass die Regenwand viele Regentropfen hat. Ich nehme mal drei. Einen oberen, einen in der Mitte und einen unten. Das Auge unseres Beobachters befindet sich hier. Von unten erhält das Auge blaue Strahlen. Aus dem mittleren Bereich bekommt es grüne Strahlen. Und von oben erhält es rotes Licht. Damit ist klar, warum der Regenbogen scheinbar "höhenverkehrt" ist. Und nun das letzte Problem: Der bunte Halbkreis. Ein Regenbogen ist rund, sogar kreisrund. Warum ist das so? Das lässt sich sehr schön mit folgendem Modell erklären: Wir nehmen diese geometrische Figur. Es handelt sich um einen Kegel. Das ist der "Sehtrichter". So weit unser Auge im Raum schauen kann. Das Auge befindet sich auf der Spitze des Kegels, am Ende des "Sehtrichters". Nun ist es klar, warum wir den Regenbogen kreisförmig wahrnehmen. Die Weite des Sehfeldes hängt aber von der Farbe des Lichts und der entsprechenden Brechung ab. Somit haben wir verschiedenfarbige Ringe etwas unterschiedlicher Größe. Warum sehen wir dann nicht den ganzen Kreis, sondern nur das Stück oberhalb? Die Erde ist daran schuld. Der Regenbogen ist höchstens ein Halbkreis. Letzter Abschnitt: Wir freuen uns. Dafür gibt es natürlich verschiedene Gründe. Einmal haben wir eine ganze Menge über den Regenbogen kennengelernt. Die Sonne liefert Licht, Regentropfen spalten es in seine farbigen Bestandteile auf. Der Beobachter sieht die Spektralfarben. Damit man den Regenbogen sieht, müssen Sonne, Regen und Beobachter richtig positioniert sein. Und jetzt zur Belohnung schauen wir uns den Regenbogen, besser gesagt einige Regenbögen, an. Das ist der zweite Grund zur Freude. Und der dritte vielleicht der, dass wir nun endlich alles geschafft haben. Das war ein weiterer Film von André Otto. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!
Regenbogen Übung
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Beschreibe das Naturphänomen Regenbogen.
TippsRegenbögen sieht man nicht sehr oft. Wieso?
Was ist das faszinierende an einem Regenbogen und welcher physikalische Prozess aus der Strahlenoptik ist dafür verantwortlich?
LösungDamit überhaupt ein Regenbogen beobachtet werden kann, sind zwei wesentliche Dinge Grundvoraussetzung: Es muss regnen, während an einer anderen Stelle des Himmels gleichzeitig die Sonne scheint. Dies geschieht nicht so häufig, daher sind Regenbögen nicht nur ein schönes, sondern auch besonderes Phänomen.
Sind diese beiden Grundvoraussetzungen erfüllt, kann man unter Umständen einen Regenbogen beobachten. Wann genau, klären wir später noch. Hat man jedoch das Glück, so erkennt man einen oder zwei kreisförmige farbige Bögen, die sich am Himmel entlangziehen. Der Hauptbogen zeigt dabei alle Farben des sichtbaren Spektrums von rot (oben), orange, gelb, grün, blau bis hin zu violett (unten). Diese Farben entstehen durch Dispersion, also die Auffächerung der einzelnen Farbbestandteile von weißem Licht. Rotes (langwelliges) Licht wird nicht so stark gebrochen wie blaues (kurzwelliges) Licht. Das gleiche Phänomen kennst du bestimmt vom Prisma (siehe Abbildung).
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Vergleiche die Entstehung eines Regenbogens mit den Effekten an einem Prisma.
TippsWas bewirkt der Wassertropfen? Womit kannst du ihn vergleichen?
Was sind die Spektralfarben und wo sind sie auch zu finden?
Ohne welche Grundvoraussetzung passiert bei beiden Prozessen dabei gar nichts?
LösungBei der Entstehung eines Regenbogens wird das weiße Licht der Sonne benötigt. Dieses wird in den Regentropfen gebrochen und erzeugt für den Beobachter durch die Dispersion dabei einen Regenbogen.
Dieses Phänomen ist vergleichbar mit den Vorgängen an einem Prisma. Auch dieses bricht wie die Regentropfen weißes Licht und zerlegt es in die Spektralfarben, die auch beim Regenbogen zu beobachten sind.
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Entscheide, welche Abbildung die Entstehung eines Regenbogens richtig darstellt.
TippsWelche beiden Grundvoraussetzungen müssen für die Entstehung eines Regenbogens gegeben sein?
Was passiert mit dem Lichtstrahl im Wassertropfen?
Welche Farbreihenfolge tritt im Hauptbogen auf?
LösungDiese Abbildung stellt die Entstehung eines Regenbogens richtig dar.
Zunächst müssen die beiden Grundvoraussetzungen erfüllt sein: Die Sonne muss scheinen und es muss regnen. Die Sonne darf dabei nicht zu hoch stehen, sonst fällt das Licht nicht in das Auge des Beobachters. Der Beobachtungswinkel, unter dem du einen Regenbogen sehen kannst, ist nämlich nicht beliebig, sondern beträgt 42°.
Dann können die Lichtstrahlen von der Sonne in den Regentropfen zweimal gebrochen werden. Dabei werden sie außerdem gespiegelt. Die Lichtstrahlen treten also bei der Entstehung des Hauptbogens immer auf der gleichen Seite der Wassertropfen wieder aus, in die sie auch eingefallen sind. Der Beobachter muss also die Sonne im Rücken haben und Richtung Regenwand schauen, um den Regenbogen zu sehen.
Die Farbreihenfolge im Hauptbogen ist dabei wie folgt: oben ist der Regenbogen rot, unten blau/violett.
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Erläutere die Einsatzmöglichkeiten und Grenzen des gezeigten Modells.
TippsWas ist auf der Zeichnung wie dargestellt?
Wie viele Dimensionen besitzt die Zeichnung?
Welche Vorgänge kann man erkennen, welche jedoch nicht?
Wozu dient dieses Modell?
LösungIn der Zeichnung ist ein Modell zur Veranschaulichung der Farbreihenfolge beim Hauptbogen dargestellt.
Licht wird entsprechend der Strahlenoptik durch Lichtstrahlen veranschaulicht. Da weiß nicht zu erkennen wäre, wird weißes Licht durch graue Strahlen verdeutlicht. Die anderen Lichtstrahlen sind entsprechend ihrer Farbe eingefärbt.
Die Wassertröpfchen des Regenbogens sind als zweidimensionale Kreise veranschaulicht. Die Brechungs- und Spiegelungsvorgänge in den Tropfen selbst sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Erkennbar ist jedoch die unterschiedlich starke Brechung der einzelnen Spektralfarben beim Austritt aus den Wassertropfen. Zur Vereinfachung sind nur drei Lichtfarben Rot, Grün und Blau gezeigt.
Die Lichtstrahlen, die in das Auge des Beobachters fallen, können von diesem wahrgenommen werden. Er sieht also vom oberen Tropfen rotes Licht, vom mittleren Tropfen grünes Licht und vom unteren tropfen blaues Licht.
Die Vorgänge im Auge des Beobachters sind nicht dargestellt. Die Farben addieren sich jedoch nicht einfach, sondern verursachen durch die unterschiedlichen Einfallswinkel in verschiedenen Bereichen der Netzhaut Farbreize.
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Beschreibe die Wetterlage, unter der Regenbögen beobachtet werden können.
TippsFür die Entstehung eines Regenbogens wird die Verbindung zweier gezeigter Wetterphänomene benötigt.
LösungEin Regenbogen kann nur entstehen, wenn es regnet und gleichzeitig die Sonne scheint. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn eine Regenwand gerade an dir vorbeigezogen ist und dann die Sonne durch die Wolkendecke bricht.
Die Sonne liefert das weiße Licht, welches in den Regentröpfchen durch Dispersion in seine farbigen Bestandteile aufgespalten wird. Damit du einen Regenbogen sehen kannst, musst du außerdem die richtige Position haben: die Sonne in deinem Rücken und die Regenwand vor dir. Beträgt dann der Winkel, unter dem du die gebrochenen und reflektierten Strahlen des Sonnenlichts siehst 42°, so ist er da, der Regenbogen.
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Analysiere das gezeigte Modell.
TippsDie Darstellung ist analog zur Erklärung der Vorgänge in einem Regentropfen bei der Entstehung des Hauptbogens.
LösungWird das Licht in den Wassertröpfchen zweimal reflektiert, so tritt es unter einem größeren Sehwinkel aus den Tropfen wieder aus als bei einmaliger Reflektion, die zum Hauptbogen führt.
Daher kann mit dem gezeigten Modell das Entstehen des Nebenbogens erklärt werden. Durch die zweimalige Reflektion kehrt sich bei diesem außerdem die Farbreihenfolge um.
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15 Kommentare
Hallo Emelie, kannst du genauer sagen, was dir an diesem Video nicht gefallen hat? Wurde beispielsweise etwas deiner Ansicht nach nicht ausführlich genug erklärt? Wir freuen uns immer über Verbesserungsvorschläge.
Liebe Grüße aus der Redaktion
nicht so gut meiner Meinung
Ich muss sagen das viedio hat mir sehr gefallen 👍🏻
Gutes Video Danke.
Na wenigstens etwas.
Alles Gute