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Wie entsteht ein Regenbogen?

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Team Digital
Wie entsteht ein Regenbogen?
lernst du in der Unterstufe 2. Klasse - 3. Klasse - 4. Klasse - Oberstufe 5. Klasse

Grundlagen zum Thema Wie entsteht ein Regenbogen?

Inhalt

Nach dem Schauen dieses Videos wirst du in der Lage sein, die Entstehung eines Regenbogens zu erklären.

Zunächst lernst du, wie Sonnenlicht in einem einzelnen Wassertropfen gebrochen und reflektiert wird.

Brechung und Reflexion in einem Wassertropfen

Anschließend wird darauf eingegangen, wie sich aus dem Licht vieler Tropfen in einer Regenwand ein Regenbogen ergibt.

Brechung und Reflexion in der Regendwand

Abschließend lernst du, welchen Einfluss die Perspektive des Betrachters bzw. der Betrachterin auf den Regenbogen hat.

Lerne etwas über Liam und seine Suche nach Reichtum am Ende des Regenbogens.

Das Video beinhaltet Schlüsselbegriffe, Bezeichnungen und Fachbegriffe wie Regenbogen, Regenwand, Brechung, Reflexion, Einfallswinkel, Reflexionswinkel, Lot, Winkelbedingung, Prisma und Spektralfarben.

Bevor du dieses Video schaust, solltest du bereits das Reflexionsgesetz kennen und wissen, wie Licht beim Übergang von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium gebrochen wird.

Nach diesem Video wirst du darauf vorbereitet sein, mehr über die unterschiedlichen Spektralfarben und Wellenlängen des Lichts zu lernen.

Wie entsteht ein Regenbogen?

Wenn es regnet und zeitgleich die Sonne scheint, kannst du mit Glück einen Regenbogen sehen. Das gleiche Phänomen kannst du manchmal beobachten, wenn du in der Sonne den Rasen sprengst. Regenbogen müssen also irgendwie mit dem Zusammenspiel von Wasser und Licht zusammenhängen. Doch wie entstehen die Farben des Regenbogens genau? Um das zu verstehen, wollen wir uns heute die physikalische Erklärung für die Entstehung des Regenbogens ansehen.

Brechung und Reflexion am Wassertropfen

Wir wissen schon, dass die Entstehung eines Regenbogens irgendwie mit dem Zusammenspiel von Wasser und Licht zusammenhängt. Deswegen wollen wir uns anschauen, was an einem einzelnen Tropfen passiert, wenn er von Licht getroffen wird. Das weiße Sonnenlicht trifft auf den Wassertropfen. An der Grenzfläche von Luft zu Wasser wird ein Teil des Lichts reflektiert und ein Teil gebrochen. Schau dir die Details dazu gerne noch einmal im Video zur Lichtbrechung an. Da der Brechungsindex von Wasser größer ist als der von Luft, wird das Licht zum Lot hin gebrochen.

Entstehung des Regenbogens, Erklärung am Wassertropfen

Wie stark das Licht gebrochen wird, hängt von seiner Spektralfarbe bzw. der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle ab. Wir erinnern uns, dass sich weißes Licht aus Licht verschiedener Farben zusammensetzt. Es gibt theoretisch unendlich viele dieser Spektralfarben, meist nennt man aber diese sieben Farben: Violett, Indigo (Farbton zwischen Violett und Blau), Blau, Grün, Gelb, Orange und Rot. Licht mit kürzerer Wellenlänge, also zum Beispiel violettes Licht, wird stärker gebrochen als Licht mit größerer Wellenlänge, wie zum Beispiel rotes Licht. Am Wassertropfen wird das violette Licht also stärker abgelenkt als das rote. Das weiße Sonnenlicht wird durch dieses Prinzip in die sieben Spektralfarben aufgefächert, die wir im Regenbogen wahrnehmen.

An der Rückseite des Wassertropfens gibt es eine weitere Grenzfläche, diesmal beim Übergang von Wasser zu Luft. An dieser Grenzfläche wird wieder ein Teil des Lichts reflektiert und ein Teil gebrochen, also zurückgeworfen. Dabei gilt bei der Reflexion für alle Wellenlängen das Reflexionsgesetz, also Einfallswinkel ist gleich Ausfallswinkel. Das reflektierte Licht trifft nun wieder auf die Grenzfläche von Wasser zu Luft, wo nun abermals ein Teil des Lichts gebrochen wird: Diesmal wird das Licht vom Lot weg gebrochen, wobei das Licht mit kurzer Wellenlänge wieder stärker gebrochen wird als das mit langer Wellenlänge. Violettes Licht wird also stärker abgelenkt als rotes.

Obwohl das violette Licht zweimal stärker gebrochen wird als das rote, sehen wir Folgendes: Im Vergleich zum einfallenden Sonnenlicht ist der Austrittswinkel vom violetten Licht (ungefähr 40°) kleiner als der vom roten Licht (ungefähr 42°). Wir wissen nun also, was an einem einzelnen Regentropfen passiert. Doch wie setzt sich daraus ein Regenbogen zusammen?

Die Entstehung des Gesamtbilds

Im Himmel befindet sich natürlich nicht nur ein einziger Regentropfen, sondern viele liegen nahe beieinander. Wir können uns das vorstellen wie eine Wand aus Tropfen. Diese können nun alle, so wie oben beschrieben, das Licht brechen und reflektieren. Das Licht, das auf diese Weise bei uns ankommt, ist das, was wir sehen.

Schauen wir uns zuerst das rote Licht an: Das sehen wir, wenn die Sonne, der Tropfen und wir als Beobachter so angeordnet sind, dass die Sonnenstrahlen und die vom Tropfen reflektierten Strahlen einen Winkel von 42° ergeben. Denn das ist ja genau der Austrittswinkel, den das rote Licht hat. Wenn sich der Wassertropfen etwas höher befinden würde, dann würde das rote Licht über uns hinweg reflektiert werden: Es würde nicht in unserem Auge ankommen und wir würden es nicht sehen. Die Sonnenstrahlen und die reflektierten Strahlen ergeben nicht nur für eine einzige Position einen Winkel von 42°, sondern für mehrere Positionen innerhalb eines Bogens. Das kannst du dir so vorstellen, als würdest du durch einen Trichter schauen: Alles, was du am Rand der runden Trichteröffnung siehst, kommt im gleichen Winkel bei dir an.

Entstehung des Regenbogens, Erklärung des Gesamtbildes

Sehen wir uns nun das violette Licht an: Wir erinnern uns, dass der Austrittswinkel kleiner ist als der für rotes Licht. Daher sehen wir das violette Licht weiter unten – dort, wo das Sonnenlicht und das reflektierte Licht einen Winkel von 40° ergeben. Auch in diesem Fall ergibt sich der Winkel von 40° innerhalb eines Bogens.

Nun haben wir uns die beiden Randfarben des Regenbogens angesehen. Alle anderen Spektralfarben sehen wir natürlich auch, diese verlaufen mit steigender Wellenlänge von innen nach außen. Außerdem haben wir gelernt, dass es wichtig ist, von wo die Sonne kommt und wo wir als Betrachter stehen: Denn nur so ergeben sich die passenden Austrittswinkel des Lichts. Wir sehen einen Regenbogen also dann, wenn wir der Sonne den Rücken zuwenden.

Dieses Video

In diesem Video wird dir die Entstehung des Regenbogens einfach erklärt. Du weißt nun, was die physikalische Ursache eines Regenbogens ist und warum ein Regenbogen sieben Farben hat. Auch zu diesem Thema gibt es interaktive Übungen und ein Arbeitsblatt.

Transkript Wie entsteht ein Regenbogen?

„Liam“ hat einen Plan ausgeheckt, um schnell an Reichtum zu kommen. Im Dorfpub hatte er beim siebten „Saoirse“ über Regenbogen unterhielt. Am Ende eines jeden befände sich ein Topf voll mit Gold! Liam fasst den Plan, beim nächsten Regenbogen zuzuschlagen. Aber „Wie entsteht ein Regenbogen“ überhaupt? Einen Regenbogen können wir immer dann beobachten, wenn Sonnenlicht direkt auf eine Regenfront, Wolken oder Nebel fällt. Seine Entstehung muss wohl etwas mit den Wassertröpfchen darin zu tun haben. Also lass uns mal anschauen was passiert, wenn Licht auf einen einzelnen Wassertropfen fällt. Das weiße Licht der Sonne trifft zunächst auf die Grenzfläche zwischen Luft und Wasser. Dort wird ein Teil reflektiert und ein Teil gebrochen – und zwar zum Lot hin – weil Wasser „optisch dichter“ als Luft ist. Wie stark es gebrochen wird, hängt von der Spektralfarbe des Lichts ab. Weißes Sonnenlicht setzt sich nämlich aus verschiedenen „Spektralfarben“ zusammen. Diese können zum Beispiel in einem „Prisma“ aufgespalten werden. Und genau das passiert auch im Regentropfen! Der rote Anteil des Sonnenlichts wird am schwächsten gebrochen, und der violette Anteil am stärksten. Alle anderen Farben liegen dazwischen. An der Rückseite verlässt ein Teil des Lichts den Tropfen und ein Teil wird reflektiert, also an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft wieder zurückgeworfen. Wir interessieren uns nur für diesen reflektierten Anteil. Die Reflexion folgt dem Reflexionsgesetz: „Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel“. Dadurch kreuzen sich die Farben innerhalb des Regentropfens und treffen dann wieder auf die Grenzfläche zwischen Wasser und Luft. Beim Austritt aus dem Tropfen wird das Licht „noch einmal“ gebrochen. Im Gegensatz zum Eintritt laufen die Strahlen beim Austritt aus dem Tropfen nun vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium „Luft“. Sie werden also vom Lot Weg gebrochen. Die Stärke der Brechung hängt auch hier von der Farbe ab: Rot wird am schwächsten und violett am stärksten gebrochen. Wenn wir eine Linie in Richtung des einfallenden Sonnenlichts zeichnen, können wir die Winkel skizzieren, unter denen die Spektralfarben den Tropfen verlassen. Für den roten Anteil erhalten wir einen Winkel von zweiundvierzig Grad. Und für das violette Licht einen Winkel von vierzig Grad. Jetzt wissen wir, wie das Licht in einem einzelnen Tropfen aufgespalten wird. Aber Moment mal! Bei einem Regenbogen liegen die Farben doch genau andersherum! Das erklärt sich so: Das Licht unterschiedlicher Spektralfarben verlässt einzelne Regentropfen zwar unter bestimmten Winkeln, aber ein Regenbogen wird nicht von einem einzelnen, sondern von einer ganzen Wand aus Tropfen erzeugt. Das müssen wir uns noch genauer anschauen: Bleiben wir erstmal wieder bei einem einzelnen Tropfen der Regenwand, der sich in einer bestimmten Höhe befindet. Die Sonnenstrahlen kommen von links und werden wie zuvor beschrieben im Tropfen gebrochen und reflektiert. rotes Licht verlässt den Tropfen unter einem Winkel von zweiundvierzig Grad und trifft hier im Beispiel genau das Auge des Betrachters. Das violette Licht verlässt den Tropfen unter einem Winkel von vierzig Grad und geht so am Auge des Betrachters vorbei. Wenn wir nun einen zweiten Tropfen unterhalb des ersten betrachten, verfehlt das rote Licht das Auge des Betrachters, wohingegen der violette Anteil genau trifft. Betrachten wir nun statt der einzelnen Tropfen eine ganze Regenwand, trifft aus jeder Höhe eine andere Farbe genau das Auge des Betrachters. So ergibt sich die gewohnte Reihenfolge der Regenbogenfarben. Das klappt allerdings nur, wenn die Sonne „im Rücken“ des Betrachters steht. Blickt man „in Richtung der Sonne“, erreichen einen keine der reflektierten Strahlen. Aber wenn alles passt, wie wird daraus dann ein Bogen? Nun, die reflektierten Strahlen erreichen den Betrachter nicht nur von einer Position auf der Regenwand mit den passenden Winkeln, sondern auch von anderen Stellen, die alle auf einem großen „Kreisbogen“ liegen. Das liegt an unserem Blickwinkel: Stell dir vor, du würdest durch einen Trichter schauen! Alle Punkte auf dem Rand des Trichters stehen in gleichem Winkel zu deinem Auge und in gleicher Entfernung. Der Regenbogen liegt sozusagen innerhalb eines „passenden Trichterrandes“ in deinem Blickfeld. Wobei du am Boden eben nur einen halben Kreisbogen sehen kannst – ein Pilot in der Luft hat da manchmal eine deutlich vollere Perspektive! Eins wird dabei klar: Jeder von uns sieht seinen ganz eigenen Regenbogen – denn für jeden Betrachter erfüllen andere Tropfen gerade die richtige Winkelbedingung. Und auch der eigene Regenbogen steht nicht fest. Bewegt man sich als Betrachter weiter nach vorne, erfüllen nicht mehr dieselben Tropfen die Winkelbedingung, sondern weiter hinten liegende. Kannst du dir vorstellen, was das für Liams Plan bedeutet? Wir erfahren's nach der Zusammenfassung: Wenn Sonnenlicht auf einen Wassertropfen trifft, wird es gebrochen, reflektiert und wieder gebrochen. Durch die unterschiedlich starke Brechung verschiedener „Spektralfarben“ werden diese wie in einem Prisma getrennt. Einen Betrachter erreichen dadurch unter verschiedenen Winkeln verschiedene Farben. Alle Lichtstrahlen, die die Winkelbedingung für bestimmte Farben genau erfüllen, kommen von Tropfen, die auf einem „Kreisbogen“ in der Regenwand liegen. So entsteht ein Regenbogen, wenn die Sonne im Rücken des Betrachters steht und es regnet oder neblig ist. Und damit zurück zu Liam. Oh! So hatte er sich das aber nicht vorgestellt! Da muss er sich wohl einen anderen Plan überlegen, um an Reichtum zu kommen.

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