Für Schlaumeier - Experimente aus Physik und Biologie

Distanzen messen ohne Metermass:

Halte deinen Daumen eine Armlänge von dir entfernt vor deinen Augen hoch. Betrachte ihn zunächst mit beiden Augen. Nun schließe abwechselnd erst das linke, dann das rechte Auge. Was verändert sich bei deinen Betrachtungen? Der Daumen „springt“ scheinbar von rechts nach links. Das liegt an verschiedenen Blickwinkeln der Augen. Mit dem Daumensprung kann man eine Entfernung ohne Maßband grob schätzen. Das geht so: Peile mit einem geschlossenen Auge und deinem vorgestreckten Daumen einen Baum an. Jetzt wechselst du das Auge. Dein Daumen ist ein Stück nach links oder rechts „gesprungen“. Schätze jetzt den Abstand zwischen dem Baumstamm und deinem Daumen in Metern. Multipliziere die Meter mit der Zahl 10. Das Ergebnis ist die Entfernung zwischen dir und dem Baum. Da die Armlängen und der Augenabstand von Mensch zu Mensch unterschiedlich sind, ist die Zahl 10 nur ein Mittelwert.

Die Mischung aller Farben ergibt Weiss?

Ob Rot, Grün oder Blau - Es kann passieren, dass du keine Farben mehr unterscheiden kannst. Zeichne dazu mit der Untertasse auf den Karton einen Kreis und unterteile ihn in sechs gleichmässige "Tortenstücke". Male jedes Tortenstück in einer der sechs Hauptfarbens des Regenbogens an (violett, blau, grün, orange, gelbt, rot). Dann schneide den Farbkreis aus, pikse mit der Schere ein kleines Loch in die Mitte und bohre den Bleistiftstummel mit der Spitze nach unten hindurch. Nun drehst du den Farbkreisel mit Schwung herum und wirst staunen: Der Kreisel erscheint in milchigem Weiss. Warum? Wenn die Farben schnell aufeinanderfolgen, kann sie das Auge nicht mehr trennen. Alle Farben verschwimmen miteinander und die Mischung aller Farben ergibt Weiss oder Grauweiss. Weisses Licht ist also eine Mischung aus farbigem Licht. Dieser Versuch hat der englische Physiker Sir Isaac Newton (1642 - 1726) erfunden. Winzige Zellen auf der Netzhaut des Auges sorgen dafür, dass wir verschiedene Farben und Helligkeiten unterscheiden können. Einige dieser Zellen haben die Form von "Stäbchen", andere die von "Zäpfchen". Mithilfe der "Stäbchen" unterscheiden wir verschiedene Helligkeitsstufen. Drei verschiedene "Zapfen"-Typen helfen bei der Farbwahrnehmung und unterstützen das Gehirn beim Entschlüsseln der Farben. Wird kein "Zapfen" angesprochen, deuten wir das als "schwarz", sehen also gar nichts.

Farben trennen leicht gemacht!

Um herauszufinden, aus welchen Grundfarben die Tinte deiner Filzstifte gemischt ist, schneidest du einen 10 x 2 cm grossen Streifen aus einem Kaffeefilter (frag deine Grosseltern oder Grosstante danach, solltet ihr keine Kaffefilter daheim haben). Mit den Filzstiften malst du 2 cm über einem Ende des Kaffeefilterstreifens dicke Farbpunkte. Das andere Ende des Kaffeefilter-Streifens klebst du mit einem Klebestreifen an der Längskante eines Farbstift fest. Nun tauchst du den Filterstreifen in ein 1 cm hoch mit Essig gefülltes Glas. Der Bleistift mit dem anderen Ende des Filterstreifens liegt quer auf dem Glasrand auf. Die Farbpunkte der Filzstifte dürfen zu diesem Zeitpunkt das Essigwasser nicht berühren. Durch die Kapillarwirkung (Saugwirkung des Papiers) steigt das Essigwasser im Papier allmählich hoch und nimmt dabei - mehr oder weniger - die Farben mit. Dabei trennen sich die Farbmischungen. Diese in Labors häufig verwendete Technik des Farbenaufspaltens heisst Chromotografie.

Farbtöne ohne Farbenmischen:

Du liebst dein T-Shirt mit Farbdruck deines Lieblings-Fussballers? Beim Farbdruck müssen alle denkbaren Farbtöne mit bloss vier Grundfarben erzielt werden. Beim Drucker werden dafür "cyan" (hellblau), "yellow" (hellgelb), "magenta" (rosarot) und "black" (schwarz) verwendet. Das Neben- und Übereinanderlegen tausender von blauen, roten, gelben und schwarzen Punkten ergibt schliesslich die gewünschten Farbpaletten, ohne dass die Farben an sich gemischt wurden. Das Auge lässt all die winzigen Farbpunkte zu einem einheitlichen Bild verschmelzen.

Licht brechen? Geht doch!

Licht bewegt sich immer in gerader Linie. Ausser, es durchquert transparente Materialien wie Glas oder Wasser bzw. dringt in diese ein. Dabei wechselt das Licht seine Richtung. Man sagt dann, "das Licht wird gebrochen".
Schalte für dein erstes Experiment im Dunkeln eine Taschenlampe ein. Das Licht kannst du nur in dem Lichtfleck an der Wand sehen, denn in sauberer Luft ist es unsichtbar. Streust du aber etwas Puder oder wenig Mehl in den Lichtkegel, erkennst du durch den beleuchteten Puder den geradlinigen Verlauf der Strahlen.
Das zweite Experiment: Betrachte ein Wasserglas mit einem Trinkhalm aus einigem Abstand. Der Halm scheint am Berührungspunkt mit dem Wasser zerbrochen zu sein. Bein Eindringen ins Wasser wird das Licht langsamer. Die Strahlen ändern geringfügig ihre Richtung und werden dadurch "gebrochen".
Noch ein drittes Experiment: Lege eine Geldmünze in eine leere Glasschale. Dann gehst du so weit zurück, bis die Münze hinter dem Rand der Schale verschwindet. Von dort aus füllst du das Gefäss mit Wasser. Jetzt kannst du das Geldstück sehen, weil das Licht durch das Wasser "abgelenkt" wird.
Das vierte, anspruchsvolle Experiment:
Nimm einen Schuhkarton (ohne Deckel) und schneide die Längsseite des Kartons ab. Klebe auf den Boden des Schuhkartons ein weisses Blatt Papier. Bitte einen Erwachsenen, einen ca. 1 mm breiten und ca. 4 cm hohen Spalt an einer der Schmalseiten des Kartons einzuritzen und herauszudrücken. In einem abgedunkelten Raum legst du eine eingeschaltete Taschenlampe vor den Spalt (an der Aussenseite der aufgeritzten Schmalseite) und ziehst so auf dem weissen Blatt auf dem Innenboden des Schuhkartons den Lichtstrahl nach. Jetzt stellst du ein leeres Konfitüreglas mit geraden Seitenwänden in den Karton. Beobachte die Brechung des Lichts durch Beleuchtung des Glases mit der Taschenlampe durch den Spalt. Ziehe auch diese Lichtbrechung mit einem Farbstift nach. Was passiert, wenn du das Glas verrückst oder anstelle eines Konfitüreglases mit geraden Seitenwänden ein Glas mit runden Seitenwänden in den Karton stellst? In ca. 2 cm Abstand vom ersten zeichnest du nun einen identischen zweiten Spalt in den Karton. Die beiden Spalte liegen also parallel nebeneinander. Nun stellst du das nun mit Wasser gefüllte runde Glas in die Strahlen. Sie werden gebrochen und kreuzen sich hinter dem Glas. So täuscht denn die Lichtbrechung: Ein Fisch beispielsweise scheint näher  an der Wasseroberfläche zu schwimmen als es tatsächlich der Fall ist.

Spieglein, Spieglein an der Wand....

Spiegelglatte und glänzende Oberflächen reflektieren das Licht. Ein Spiegelbild entsteht aus Lichtreflexen der Gegenstände.
Das sehen wir uns näher an: Überzieh die Lampe an deiner Taschenlampe mit einem Stück Alufolie. Die auf der Lampe aufliegende Folie sollte möglichst knitterfrei sein. Zur Befestigung der Alufolie dient dir ein Gummiring. Mit einem spitzen Bleistift bohrst du ein kleines Loch in die Folie. Nun legst du die Lampe auf einen Tisch und verdunkelst das Zimmer. Dann hältst du nacheinander ein schwarzes Papier, einen weissen Karton, einen Löffel, ein Stück Alufolie und einen Spiegel in den Lichtstrahl der Taschenlampe. Schau was passiert: Trifft das Licht auf glänzende Gegenstände wie bspw. den Spiegel oder die Alufolie, wird das Licht reflektiert. Dunkle Objekte absorbieren die Lichtstrahlen.
Lichtreflexe sind von der Form der Objekte abhängig: Schau dich in einem glänzenden Löffel an. In der Krümmung des Löffels kehrt sich dein Spiegelbild um. Auf der Rückseite einer Kelle ist dein Spiegelbild kurz und breit.

Geheimschrift von Leonardo Da Vinci.

Du weisst es ja mittlerweile schon: Spiegelglatte und glänzende Oberflächen reflektieren das Licht, und ein Spiegelbild entsteht aus Lichtreflexen der Gegenstände. Leonardo Da Vinci (1452 - 1519) hatte Angst, dass jemand seine Notizbücher lesen könnte. Deshalb hat er spiegelbildlich geschrieben. Zum Lesen seiner Notizen brauchte man eben einen Spiegel. Zu dieser Zeit waren Spiegel nicht in jedem Haushalt verfügbar. Daher war die Spiegelschrift auch noch wenig bekannt. Mit Leonardo Da Vinci's Geheimschrift kannst du selbst spiegelbildliche Botschaften verfassen. Und so geht's: Du schreibst deine geheime Botschaft auf ein weisses Blatt Papier mit Durchschlagspapier. Verwende dafür einen alten Kugelschreiber mit defekter Mine. Der Text auf der Rückseite des weissen Blatts erscheint dank des Durchschlagspapiers umgekehrt und ist nur mit Hilfe eines Spiegels lesbar. Du kannst diesen sogar selber machen, indem du ein Stück Alufolie auf einen ca. 10 x 8 cm steifen Karton mit Klebeband aufklebst.

Geheimschrift mit Licht:

Tauche ein Papierblatt in ein Wasserbad ein. Dann legst du ein trockenes Papierblatt auf das Nasse und schreibst mit einem intakten Kugelschreiber deine Botschaft. Sie drückt sich auf das nasse Papier durch. Lass dieses Blatt an geheimen Ort liegen und trocknen, und die Schrift wird verschwinden! Sobald du aber das Papier wieder nass machst, wird die Botschaft wieder sichtbar. Wie das? Durch den Druck mit der Kugelschreiberspitze werden die Papierfasern zusammengepresst. Sind sie nass, lassen sie kein Licht mehr durch und werden sichtbar.

Aus Licht und Wasser Regenbogenfarben herstellen:

Der englische Physiker Sir Isaak Newton (1642 – 1726), der Entdecker der Schwerkraft, hat zum ersten Mal in der Geschichte weißes Licht in die Regenbogenfarben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett aufgespalten. Dies gelang ihm mit einem Prisma. Sonnenlicht setzt sich aus verschiedenfarbigen Strahlen zusammen (siehe auch das oben erwähnte Experiment mit dem Farbkreisel), die sich nicht alle gleich verhalten. Manche werden stärker abgelenkt als andere. Einen Regenbogen können wir sehen, wenn wir die Sonne im Rücken haben und in den Regen blicken. Die Sonnenstrahlen durchdringen die Wassertropfen. Diese werfen das Sonnenlicht zurück (reflektieren) und werden gebrochen. Dabei wirken die Tropfen wie Miniaturprismen, denn beim Verlassen der Tropfen orientieren sich die farbigen Lichtstrahlen jeweils in eine etwas andere Richtung, wodurch die typischen Farbbänder entstehen: rot, orange, gelb, grün, blau, lila und violett. In der Physik sprechen wir davon, dass sich farbiges Licht in verschiedene Wellenlängen unterteilen lässt. In der Biologie finden wir die Erklärung für das Wahrnehmen von Farben im Aufbau des Auges. Ein Experiment dazu: Befestige ein weisses Blatt Papier an der Wand neben einem Fenster, durch das grad Sonnenlicht fällt. Nun nimm einen Suppenteller und fülle ihn mit Wasser. Stelle ihn in die Sonne und tauche einen kleinen Spiegel schräg zur Hälfte in das Wasser ein. Drehe den Spiegel so, dass die Regenbogenfarben auf das Papier an der Wand fallen.

Alles steht Kopf!

Das durch die Linse gebündelte Licht erzeugt auf der Netzhaut zunächst ein auf dem Kopf stehendes Minibild des Gegenstandes. Erst durch die Verarbeitung der Sinneseindrücke im Gehirn nehmen wir es richtig herum und in voller Größe wahr. Du kannst die Netzhaut mit einer Leinwand vergleichen, auf die ein umgedrehtes Diafoto mit einem Projektor geworfen wird.