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Physik fĂźr alle

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4. Klasse

Monyk, Kaiblinger

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www.olympe.at

SBN: 175.195

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Physik fĂźr alle

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4. Klasse

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Christian Monyk, Gabriele Kaiblinger

Dieses Buch ist laut Bescheid des Bundesministeriums für Bildung und Frauen vom 31. Juli 2015 (GZ BMBF-5.000/0010-B/8/2014) gemäß § 14 Abs. 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBl. Nr. 472/86 und gemäß den geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch in Neuen Mittelschulen und an allgemein bildenden höheren Schulen – Unterstufe – für die 4. Klasse im Unterrichtsgegenstand Physik geeignet erklärt.

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Schwierige und neue Wörter sind im Text orange hervorgehoben und werden in der Spalte daneben erklärt.

Wichtige Begriffe sind im Text dick hervorgehoben, du siehst also mit einem Blick, was in jedem Kapitel besonders wichtig ist.

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Aufgaben und Arbeitsaufträge, die du während des Unterrichts – alleine oder mit der ganzen Klasse – lösen kannst, sind in der seitlichen Spalte angegeben.

Wichtige Merksätze, physikalische Gesetze und Merktexte sind im Text gesondert hervorgehoben.

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Am Ende jedes Kapitels sind die wichtigsten Punkte in einem kurzen Text zusammengefasst. Du kannst also noch einmal wiederholen, was in dem Kapitel vorgekommen ist.

Nun geht’s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Unter diesem Motto findest du an vielen Stellen in diesem Buch Arbeitsblätter, die du ausfüllen kannst. Du wiederholst damit das, was du zuvor gelernt hast.

Die Aufgaben sind mit Sternchen gekennzeichnet. Je mehr Sternchen du findest, desto schwieriger ist die Aufgabe. Du kannst diese Arbeitsblätter auch heraustrennen und in deiner Portfolio-Mappe sammeln.

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Unter dem Titel „Physik-Labor“ findest du nach den Hauptkapiteln des Buches Vorschläge für Experimente, die du mit einfachen Mitteln selbst durchführen kannst.

Der Anhang des Buches enthält zahlreiche weitere Anleitungen für Experimente. In der Seitenspalte wird darauf hingewiesen, welches Experiment zum jeweiligen Thema passt.

Nach den Hauptkapiteln des Buches haben wir für dich auch Spannendes zum jeweiligen Thema, das du zuvor kennen gelernt hast, zusammengestellt. In Form einer Zeitung erzählen wir dir interessante Geschichten. Wenn dich dieses Thema besonders interessiert, dann kannst du darüber mehr in den Büchern erfahren, die wir dir dort vorschlagen.

thinkstock (Dorling Kindersley, Marcio Silva, Kim Steele, Ig0rZh, Stocktrek Images, Wavebreakmedia Ltd, Vasyl Yakobchuk, Vladimir Konjushenko, Jeff_Hu)

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Umschlagbilder:

Schulbuchnummer: 175.195

© Olympe Verlag GmbH, Wien, 2015 Alle Rechte vorbehalten Vervielfältigung jeder Art gesetzlich verboten 1. Auflage (2015)

Kopierverbot: Dieses Werk ist für den Einsatz im Schulunterricht bestimmt. Laut Urheberrecht in der Fassung der Urheberrechtsgesetz-Novelle 2003 (§ 43 (6)) darf es weder ganz noch in Teilen auch für den Einsatz im Schulunterricht nicht kopiert oder vervielfältigt werden.

Lektorat: Mag. Krista Satzke, Wien

Umschlaggestaltung, Satz, Layout: Raoul Krischanitz, Wien, transmitterdesign.com Grafik: Raoul Krischanitz, transmitterdesign.com Druck, Bindung: Druckerei Berger, Horn ISBN: 978-3-902779-36-6

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OPTIK 1. Optik – die Wissenschaft vom Licht 2. Licht und Schatten 3. Reflexion und Streuung 4. Die Brechung des Lichts 5. Das Auge – ein optisches Gerät 6. Optische Geräte 7. Licht und Farben 8. Licht ist Energie 9. Licht als Strahlung 10. Licht als Teilchen PHYSIK-LABOR: Optik PHYSIK-NEWS: Optik

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Inhaltsverzeichnis

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ELEKTROMAGNETISMUS 18. Magnetfeld und elektrischer Strom 19. Der Elektromotor 20. Elektrischer Strom aus Induktion 21. Umwandlung von Wechselstrom 22. Nutzung von Elektrizität 23. Elektronik und Mikroelektronik 24. Digitale Kommunikation – das Internet 25. Umgang mit Elektrizität PHYSIK-NEWS: Elektromagnetismus

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RADIOAKTIVITÄT 11. Unsere Welt besteht aus Atomen 12. Atomkerne können sich verändern 13. Ionisierende Strahlung 14. Radioaktivität in der Praxis 15. Die Kraft der Kernspaltung 16. Energie aus Kernverschmelzung 17. Gefahren der Radioaktivität PHYSIK-NEWS: Radioaktivität

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ANHANG Spannende Experimente im Unterricht Spannende Experimente: Lösungen Periodensystem der Elemente Stichwortverzeichnis Bildquellen

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KRÄFTE UND BEWEGUNG 26. Der fliegende Ball 27. Kräfte bei Drehbewegungen 28. Bewegungen im Weltall PHYSIK-LABOR: Kräfte und Bewegung PHYSIK-NEWS: Kräfte und Bewegung

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Optik

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1. OPTIK – DIE WISSENSCHAFT VOM LICHT Lamelle: langes, schmales Band

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Lukas beobachtet, wie sein Vater zwischen den Lamellen der Jalousie nach draußen sieht. Ihm fällt auf, dass ein heller Streifen Licht genau auf die Augen seines Vaters fällt. Der Rest seines Gesichts liegt im Dunkeln.

Jalousie: am Fenster angebrachte Verdunkelung von Räumen

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Was ist die Ursache für den hellen Streifen im Gesicht von Lukas’ Vater?

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Von der Sonne gelangt Licht auf die Erde. Dieses beleuchtet die Stellen, wo es hinfällt.

Jalousien halten das Licht ab, sodass es im Sommer im Wohnraum nicht zu hell ist. Lukas’ Vater drückt mit seinen Fingern die Lamellen der Jalousie ein wenig auseinander, damit er hindurchsehen kann. Dadurch schafft er einen Spalt, durch den das Sonnenlicht fallen kann.

Licht breitet sich immer geradlinig aus. Man spricht von einem Lichtstrahl. Dieser beginnt bei einer Lichtquelle und erstreckt sich bis ins Unendliche, sofern er nicht auf ein Hindernis wie die Jalousie trifft. Die Strahlen der Sonne fallen parallel ein.

Daher erzeugen sie im Zimmer einen Lichtstreifen, der genauso breit ist wie der Spalt in der Jalousie.

Versuch Führt das Experiment „Lichtausbreitung“ auf S. 153 durch!

Überlegt gemeinsam! Warum ist der Mond keine Lichtquelle?

Candela: lateinisches Wort für Kerze

Natürliche und künstliche Lichtquellen

Die Sonne ist für uns die wichtigste natürliche Lichtquelle. Sie gibt ständig große Mengen von Licht ab. Andere natürliche Lichtquellen sind Blitze, das Polarlicht, aber auch Glühwürmchen und Sterne gehören dazu.

Alle Lichtquellen, die vom Menschen geschaffen werden, nennt man künstliche Lichtquellen. Neben Glühbirnen oder Leuchtstoffröhren gehören ebenso Kerzen oder Petroleumlampen dazu. Auch Feuer zählt man zu den künstlichen Lichtquellen, da es zuerst entzündet werden muss, bevor es Licht abgibt.

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Wie „stark“ ist eine Lichtquelle?

Die Lichtstärke gibt an, wie viel Licht von einer Lichtquelle in eine bestimmte Richtung ausgesandt wird. Sie wird in Candela (cd) gemessen. Eine Kerze hat eine Lichtstärke von etwa 1 cd, eine 100W-Glühlampe ca. 110 cd.

mehr Licht pro Fläche

weniger Licht pro Fläche

Je näher eine Lichtquelle ist, desto mehr von ihrem Licht fällt auf eine bestimmte Fläche und umso heller erscheint uns diese Fläche. Die Beleuchtungsstärke gibt an, wie viel Licht auf eine Fläche fällt. Sie wird in Lux (lx) gemessen.

Glühwürmchen, Lichtstärke ca. 0,01 cd

Wie hell ist ein Lux? Eine Kerze, die 1 m von einer Wand entfernt aufgestellt ist, beleuchtet die Wand mit ca. 1 lx. In einem gut ausgeleuchteten Wohnraum beträgt die Beleuchtungsstärke etwa 500 lx. An einem schönen Sommertag wird eine von der Sonne beschienene Fläche mit einer Beleuchtungsstärke von ca. 100 000 lx beleuchtet.

Optik

diffus: verschwommen

Diffuse Lichtquellen: Leuchtstoffröhre

Punktförmige und diffuse Lichtquellen Bei punktförmigen Lichtquellen gehen die Lichtstrahlen von einem einzelnen Punkt aus und breiten sich sternförmig in alle Richtungen gleich aus. Beispiele für punktförmige Lichtquellen sind die Sonne, Glühbirnen oder ein Blitzlicht.

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Blitzlicht: Beleuchtung beim Fotografieren

Bei diffusen Lichtquellen geht das Licht von einer größeren Fläche gleichmäßig aus. Bei einer Leuchtstoffröhre ist diese Fläche die gesamte Oberfläche der Röhre.

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Sonderfall: Lichtquelle Sonne

Wir betrachten die Sonne zwar als punktförmige Lichtquelle, tatsächlich ist die Sonne aber riesig groß. Sie hat einen Durchmesser von mehr als 1 Mio. km und gibt ihr Licht an der gesamten Oberfläche ab. Da die Sonne aber sehr weit von uns entfernt ist (ca.

150 Mio. km) können wir sie in der Optik wie einen Sonne „Lichtpunkt“ am Himmel behandeln. Die Sonne sendet Mond 150 M ihre Lichtstrahlen in alle io. km Richtungen aus. Aufgrund der großen Entfernung fallen Erde diese Lichtstrahlen auf der Erde aber parallel ein.

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Was ist ein Lichtjahr?

Ein Lichtjahr ist die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt. Sie beträgt etwa 9 500 Mrd. km.

Die Entfernung zu Sternen wird meist in Lichtjahren angegeben, der sonnennächste Stern ist ca. 4,2 Lichtjahre entfernt.

durchdringen: durch etwas hindurchgehen

Wie lange braucht das Licht von der Sonne zu uns?

Um die Entfernung zwischen Sonne und Erde zu überwinden, benötigt das Licht ca. 500 Sekunden, also etwas mehr als 8 Minuten. In einer Sekunde legt das Licht daher eine Strecke von ca. 300 000 km zurück.

Versuch

Führt das Experiment „Lichtabsorption“ auf S. 153 durch!

Die Lichtgeschwindigkeit c beträgt 300 000 km/sec.

Die Lichtgeschwindigkeit wird mit „c“ abgekürzt.

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Die Optik beschäftigt sich mit dem Licht. Licht geht von einer Lichtquelle aus und breitet sich geradlinig aus. Die Stärke einer Lichtquelle wird in Candela (cd) angegeben, die Lichtmenge, die auf eine Fläche fällt, wird in Lux (lx) gemessen. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt ca. 300 000 km/sec und ist die maximal mögliche Geschwindigkeit.

Anfang des 20. Jhs. fand der Physiker Albert Einstein heraus, dass die Lichtgeschwindigkeit eine „maximale“ Geschwindigkeit ist und dass es nichts geben kann, das sich schneller als das Licht bewegt.

Diese Erkenntnis ist Bestandteil der Speziellen Relativitätstheorie, die eine der wichtigsten Grundlagen der modernen Physik ist.

Durchsichtig und undurchsichtig

Lichtstrahlen können manche Stoffe wie Glas durchdringen, diese Stoffe bezeichnet man als durchsichtig. Andere Stoffe sind undurchsichtig. Das Licht wird von ihnen aufgehalten. Die Strahlungsenergie, die im Licht steckt, wird auf undurchsichtige Körper übertragen. Diese erwärmen sich dabei.

Albert Einstein

Optik

2. LICHT UND SCHATTEN

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Licht beleuchtet eine Fläche gleichmäßig. Befindet sich vor dieser Fläche ein undurchsichtiger Körper, dann wird das Licht von diesem Körper aufgehalten. Auf manche Stellen der Fläche hinter dem Körper fällt dann weniger Licht und diese erscheinen dunkler. Diese Stellen bezeichnet man als Schatten.

Schirm

Schatten am Schirm

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Der Schatten ähnelt dem Körper, der das Licht abhält. Bei parallel einfallenden Lichtstrahlen sieht man auf einem optischen Schirm, der sich hinter einem Gegenstand befindet, einen Schatten, der genau dem Umriss des Gegenstandes entspricht. Bei einer Kugel hat der Schatten die Form eines Kreises, der den gleichen Durchmesser hat wie die Kugel.

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Welche Form hat ein Schatten?

Was ist ein optischer Schirm?

Ein optischer Schirm ist eine bewegliche ebene helle Fläche. Er wird bei optischen Experimenten eingesetzt, um Lichtstrahlen und Schatten sichtbar zu machen.

Die Lichtstrahlen einer punktförmigen Lichtquelle erzeugen auf dem Schirm einen Schatten, der umso größer ist, je weiter die Kugel vom Schirm entfernt ist.

Optischer Schirm Umriss: Rand eines Gegenstandes

Fallen die Lichtstrahlen schräg ein, dann wird der Schatten verzerrt. Aus dem kreisförmigen Schatten einer Kugel wird dann eine Ellipse.

verzerren: in verschiedene Richtungen unterschiedlich stark verformen

Schatten von mehreren Lichtquellen

Ellipse: verzerrter Kreis

Vielleicht hast du schon einmal die Übertragung eines Fußballmatches im Fernsehen gesehen. Findet dieses Match am Abend statt, dann kann man beobachten, dass die Spieler aber auch der Ball mehrere Schatten in unterschiedliche Richtungen werfen.

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Am Abend wird das Fußballfeld mit einer Flutlichtanlage beleuchtet. Dabei handelt es

sich um sehr starke Beleuchtungskörper, die aus mehreren Richtungen das gesamte Feld von schräg oben ausleuchten.

Aus jeder Richtung entsteht so hinter dem Ball ein Schatten.

Ellipse

Versuch Führt das Experiment „Schlagschatten“ auf S. 154 durch!

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Optik Kernschatten und Halbschatten

Sonnenuhr

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Wird eine Kugel von zwei nahe beieinander liegenden Lichtquellen beleuchtet, dann bilden sich hinter der Kugel mehrere Schattenzonen aus. In der Mitte liegt ein sehr dunkler Bereich, in den von keiner der beiden Lichtquellen Licht gelangt (1). Diesen Bereich nennt man Kernschatten.

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Auf beiden Seiten des Kernschattens gibt es hellere Bereiche, in die nur das Licht jeweils einer Lichtquelle fällt. Das Licht der anderen Lichtquelle wird von der Kugel abgehalten. Diese Bereiche nennt man Halbschatten (2).

Der Schatten diffuser Lichtquellen Bei einer diffusen Lichtquelle gibt es direkt hinter der Kugel einen Bereich, den kein einziger Lichtstrahl erreicht. Je größer die Entfernung zum Kernschatten ist, desto mehr Licht fällt ein. Ab einer gewissen Entfernung zum Kernschatten fällt Licht von jeder Stelle der Lichtquelle auf den Schirm.

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Wie funktioniert eine Sonnenuhr?

Im Laufe eines Tages bewegt sich die Sonne aufgrund der Erddrehung scheinbar von Osten über Süden nach Westen.

Dadurch verändert sich während des Tages auch die Richtung, in die der Schatten eines Stabes fällt.

An einer Skala kann man an der Richtung des Schattens die Uhrzeit ablesen.

Wie wirkt sich die Sommerzeit auf die Genauigkeit einer Sonnenuhr aus?

Bei diffusen Lichtquellen gibt es keine scharfe Grenze zwischen dem Schattenbereich und dem beleuchteten Bereich. Rund um den Kernschatten gibt es einen diffusen Bereich des Halbschattens, der mit der Entfernung zum Kernschatten immer heller wird.

Licht und Schatten am Arbeitsplatz

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Führt das Experiment „Schattenbilder“ auf S. 154 durch!

In Büroräumen kommt das Licht meist von mehreren Beleuchtungskörpern. So werden die einzelnen Arbeitsplätze gleichmäßiger beleuchtet und es können sich kaum Schatten bilden.

Wenn du etwas liest oder deine Hausübungen machst, solltest du auf ausreichendes Licht achten. Bei zu geringer Helligkeit ermüden deine Augen sehr rasch und du kannst dich nicht konzentrieren. Aber auch Übergänge zwischen Licht und Schatten tragen zur Ermüdung der Augen bei.

Daher sollte dein Arbeitsplatz stets gut beleuchtet sein und das Licht sollte von der „richtigen“ Seite kommen. Wenn du Rechtshänder bist, sollte das Licht von vorne links einfallen, damit du dir beim Schreiben nicht selbst „Schatten machst“. Du solltest auch darauf achten, dass dein Schreibtisch so steht, dass das Licht durch das Fenster von der richtigen Seite einfällt.

Optik Licht und Schatten im Weltraum

Umlauf: Umkreisung eines Himmelskörpers

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1968 flogen amerikanische Astronauten zum Mond und fotografierten von dort die Erde. Auf den Fotos, die sie zur Erde mitnahmen, war die Erde aber nur zur Hälfte zu sehen.

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Warum war nicht die gesamte Erde sichtbar?

Wie sehen Tag und Nacht am Nordpol aus?

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Aus dem Weltall ist nur der Teil der Erde zu sehen, der von der Sonne beleuchtet wird. Auf der Erde herrscht auf diesem Teil Tag. Auf den anderen Teil fällt kein Sonnenlicht und es ist dunkel. Auf der Erde empfinden wir das als Nacht. Vom Weltall aus ist dieser Teil der Erde nicht zu sehen.

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Die Erde gibt kein eigenes Licht ab. Sie reflektiert nur das Licht, das von der Sonne kommt.

Was ist die Erdachse?

Die Erdachse ist die gedachte Linie, um die sich die Erde dreht. Diese „steht schräg“. Das bedeutet, dass sie nicht senkrecht zur Umlaufbahn der Erde um die Sonne steht, sondern um einen Winkel von ca. 23° geneigt ist. Daher dauern die Tage im Sommer länger als im Winter.

Da sich die Erde um ihre eigene Achse dreht, wird nicht immer derselbe Teil der Erdoberfläche von der Sonne beschienen. So entsteht der Wechsel von Tag und Nacht.

Tag und Nacht am Mond

Der Mond kreist um die Erde. Während eines Umlaufes verändert sich das Bild des Mondes, das wir von der Erde aus sehen. Die unterschiedlichen Bilder bezeichnet man als Mondphasen.

Was ist die Mondsichel?

Wenn vom Mond nur ein schmaler Teil zu sehen ist, wird dieser Teil als Mondsichel bezeichnet.

ƒ NEUMOND: Der Mond befindet sich zwischen Sonne und Erde. Wir sehen nur seine Schattenseite (1). ƒ ZUNEHMENDER MOND: Ein immer größerer Teil der von der Sonne beschienen Hälfte des Mondes ist von der Erde aus sichtbar (2 bis 4).

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ƒ VOLLMOND: Wir sehen die gesamte Hälfte des Mondes, der von der Sonne beschienen wird (5).

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ƒ ABNEHMENDER MOND: Der von der Erde aus sichtbare helle Teil des Mondes wird kleiner (6 bis 8).

Von Vollmond zu Vollmond vergehen etwa 29,5 Tage. Der Mond dreht sich genauso schnell um die eigene Achse, wie er um die Erde kreist. Daher sehen wir von der Erde aus immer dieselbe Seite des Mondes.

Sichel: landwirtschaftliches Gerät zum Abschneiden von Getreide

Merke dir: Der Mond nimmt zu, wenn man aus der Mondsichel ein „z“ in der alten Schreibweise ( ) bilden kann. Der Mond nimmt ab, wenn man aus der Mondsichel den Buchstaben „a“ ( ) bilden kann.

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Optik

Führt das Experiment „Sonne, Mond und Erde“ auf S. 155 durch!

Mond- und Sonnenfinsternis

Mond

Erde

bahn

X Mond

X: Schnittpunkt der Mond- mit der Erdbahn

Bei jedem Umlauf des Mondes um die Erde durchquert der Mond 2-mal die Ebene, in der die Erde um die Sonne kreist (X). Befindet sich zu diesem Zeitpunkt der Mond genau hinter der Erde, dann fällt der Schatten der Erde auf den Mond und verdunkelt ihn. Dies kann nur bei Vollmond geschehen.

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Versuch

Erdbahn

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Der Mond umkreist die Erde.

Allerdings liegt seine Umlaufbahn nicht genau in der Umlaufbahn der Erde um die Sonne. Sie ist um etwa 5° geneigt.

Sonne

Die Mondbahn

Ebene: glatte Fläche

ten

chat

s Halb

Sonne

Mond

Erde

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Kernschatten

Sonnenfinsternis: Der Mond schiebt sich vor die Sonne.

ACHTUNG

Unmittelbar hinter der Erde befindet sich der Kernschatten der Erde. Taucht der Mond ganz in den Kernschatten ein, dann spricht man von einer „totalen Mondfinsternis“. Wird nur ein Teil der Mondscheibe vom Kernschatten bedeckt, spricht man von einer „partiellen Mondfinsternis“.

Schütze deine Augen, wenn du die Sonne beobachtest! Direktes Sonnenlicht kann zum Erblinden führen. Benutze ein geschwärztes Stück Glas oder eine spezielle Sonnenbrille!

Partielle Sonnenfinsternis Totale Sonnenfinsternis Mond

Sonne

Erde

Kernschatten

Eine Sonnenfinsternis kann es nur bei Neumond geben. In diesem Fall befindet sich der Mond genau zwischen der Sonne und der Erde. Dort, wo der Kernschatten des Mondes auf die Erde fällt, herrscht eine „totale Sonnenfinsternis“. In den Gebieten, die im Halbschatten des Mondes liegen, gibt es eine „partielle Sonnenfinsternis“.

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Der Schatten ist jenes Gebiet, in dem das einfallende Licht von einem Gegenstand abgehalten wird. Bei mehreren oder diffusen Lichtquellen unterscheidet man Kernund Halbschatten.

Der Schatten der Erde verursacht eine Mondfinsternis. Der Schatten des Mondes verursacht die Sonnenfinsternis.

Halbschatten

Bei einer Mondfinsternis befinden sich Sonne – Erde – Mond auf einer Linie.

Bei einer Sonnenfinsternis befinden sich Sonne – Mond – Erde auf einer Linie.

Die letzte totale Sonnenfinsternis, die man in Österreich beobachten konnte, fand 1999 statt. Auf die nächste musst du bis 2081 warten.

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Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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F

H

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C

O

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1) Lichtquellen – Kreuze jene Buchstaben an, die neben natürlichen Lichtquellen stehen! Richtig geordnet ergeben sie ein Lösungswort. %%

E

B

R

LÖSUNGSWORT:

.

.

.

.

.

2) Licht- oder Beleuchtungsstärke – Sebastian hat einige Kärtchen aus seiner Lernkartei durcheinandergebracht. Hilf ihm, und kennzeichne die Kärtchen, die zur Lichtstärke gehören, mit „L“ und die, die zur Beleuchtungsstärke gehören, mit „B“! %%%

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Lichtmenge, die auf eine beleuchtete Fläche fällt

Lateinisches Wort für Kerze

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Lux

umso größer, je näher die Lichtquelle ist

Lichtmenge, die eine Lichtquelle in eine bestimmte Richtung abgibt

Candela

12 Optik

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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B C

D

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E

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A

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3) Schattenbilder – Welche der Figuren auf der linken Seite können die Schattenbilder rechts erzeugen?

Schreibe die Buchstaben unter die Schattenbilder! %%%%

4) Mondphasen – Beschrifte die Bilder, indem du die richtigen Begriffe aus dem Kästchen einsetzt! %%

Vollmond © zunehmend © abnehmend © Neumond

5) Jahreszeiten – In Sebastians Merktext über die Entstehung von Sommer und Winter haben sich 8 Fehler eingeschlichen. Streiche die falschen Wörter durch und schreibe die richtigen auf die Zeilen daneben! %%%%

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Die Erde dreht sich um den Mond. Da die Erdachse nicht senkrecht auf die Sonnenbahn steht, fallen die Sternenstrahlen nicht immer im gleichen Winkel auf die Erdunterfläche. So ist abwechselnd die Nord- und die Westhalbkugel stärker beleuchtet. Im Winter fallen die Sonnenstrahlen steiler ein. Die Beleuchtungsstärke

Herbst ist es genau umgekehrt.

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ist dann geringer, da mehr Licht pro m² eintrifft. Im

Optik

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3. REFLEXION UND STREUUNG Doch was geschieht mit diesem Licht?

Warum ist es in schwarzen Autos wärmer?

Wenn die Sonne auf Autos fällt, reflektieren helle Autos einen großen Teil des Sonnenlichts, während dunkle Autos das Sonnenlicht absorbieren und in Wärme umwandeln.

Daher wird es in schwarzen Autos wärmer als in weißen.

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Körper können Licht„verschlucken“. In diesem Fall werden die Lichtstrahlen von den Teilchen des Körpers aufgenommen und die Energie, die in ihnen steckt, wird in Wärme umgewandelt. Die meisten Körper strahlen jedoch das Licht ganz oder teilweise wieder zurück. Dieses Zurückstrahlen bezeichnet man als Reflexion.

Helle Körper reflektieren mehr Licht als dunkle. Schwarze Körper reflektieren überhaupt kein Licht, sondern absorbieren es. Für den Physiker ist daher Schwarz keine Farbe. Ein schwarzer Körper nimmt alles einfallende Licht auf. Daher wird kein Licht reflektiert, das ins Auge einfallen könnte. Stellen, von denen kein Licht kommt, erscheinen schwarz.

Wie werden Lichtstrahlen reflektiert?

absorbieren: verschlucken, aufnehmen

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Jeder Körper, der einen Schatten wirft, hält das Licht vom dahinterliegenden Bereich ab.

Welche Farben herrschen bei Kleidung vor, die im Sommer getragen wird? Welche Farben werden bevorzugt im Winter getragen? Warum?

Der einfallende und der ausfallende Strahl sowie das Lot liegen bei der Reflexion in derselben Ebene.

Lot: Linie, die senkrecht auf die reflektierende Fläche steht

Lot

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Ein Lichtstrahl, der auf eine ebene Fläche fällt, wird von dieser so zurückgeworfen, dass der Einfallswinkel α gleich groß ist wie der Ausfallswinkel β. Der Einfalls- bzw.

Ausfallswinkel ist der Winkel zwischen dem einfallenden bzw. ausfallenden Lichtstrahl und dem Lot.

α β

Das Reflexionsgesetz: Der Einfallswinkel α ist gleich groß wie der Ausfallswinkel β (α = β), beide Strahlen liegen mit dem Lot in einer Ebene.

Aufgrund des Reflexionsgesetzes ergibt sich, dass ein senkrecht einfallender Strahl wieder senkrecht reflektiert wird. Er wird „in sich selbst“ reflektiert.

Regelmäßige und diffuse Reflexion

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An glatten Flächen wie einer polierten Metalloberfläche werden alle parallel einfallenden Lichtstrahlen in dieselbe Richtung reflektiert. In diesem Fall spricht man von regelmäßiger Reflexion.

Versuch Führt die Experimente „Der ebene Spiegel“, „Trugbilder“ und „Das Reflexionsgesetz“ auf S. 156/157 durch!

An rauen Flächen werden die einzelnen Lichtstrahlen in unterschiedliche Richtungen reflektiert. Diese Form der Reflexion nennt man diffuse Reflexion. Für jeden einzelnen Lichtstrahl gilt jedoch auch bei der diffusen Reflexion das Reflexionsgesetz.

regelmäßige Reflexion

diffuse Reflexion

Reflexion an einer glatten Fläche

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Optik

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Geräte für optische Experimente

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Lichtquelle: Für optische Experimente verwendet man meist eine Lampe, bei der die Glühbirne in einem Rohr verschiebbar ist.

Dadurch kann die Form der Lichtstrahlen verändert werden.

Am Ende des Rohrs sitzt eine Linse, die das Licht bündelt. Wie das genau funktioniert, erfährst du in einem der nächsten Kapitel. So eine Lichtquelle nennt man Reuterlampe. Vor der Linse der Reuterlampe können Blenden angebracht werden.

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Blenden: Blenden sind Platten aus lichtundurchlässigem Material. Sie können Löcher mit verschiedenen Durchmessern aufweisen.

Spaltblenden (Schlitzblenden) haben einen oder mehrere Spalte.

Blenden werden verwendet, um nur einen kleinen Teil des Lichts durchzulassen. Dadurch kann bei optischen Experimenten ein Lichtstrahl mit der gewünschten Form erzeugt werden.

Optischer Schirm: Ein optischer Schirm ist eine helle Platte, die das Licht sehr gut diffus reflektiert. Bei optischen Experimenten kann man so beobachten, wo ein Lichtstrahl auftrifft.

Optische Bank: Eine optische Bank ist eine Schiene, auf der verschiedene optische Geräte wie Reuterlampen, Blenden, Linsen oder optische Schirme angebracht werden können. Meist ist an einer optischen Bank ein Maßstab abgebracht, damit man genau messen kann, in welcher Entfernung zueinander die einzelnen Geräte stehen.

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Optische Scheibe: Dabei handelt es sich um eine helle Scheibe mit einer Winkeleinteilung. Auf ihr können verschiedene optische Bauteile wie Spiegel oder Linsen angebracht werden. In optischen Experimenten kann man so beobachten, wie ein Lichtstrahl verläuft.

Laser: Ein Laser ist eine besondere Lichtquelle, die sehr starkes gleichmäßiges Licht abgibt. Das Licht wird nur in eine Richtung ausgesandt, die Lichtstrahlen sind parallel. In optischen Experimenten, bei denen parallele Lichtstrahlen erforderlich sind, kann ein Laser anstatt einer Reuterlampe eingesetzt werden.

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Streuung von Licht

Grotte: Höhle

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Lenas Freundin Emma macht mit ihren Eltern Urlaub in Thailand. Lena erhält eine Ansichtskarte, auf der eine Grotte zu sehen ist, durch deren Decke Licht einfällt. Verwundert betrachtet sie das Bild. Im Physikunterricht hat sie gelernt, dass man Lichtstrahlen nur dann sehen kann, wenn sie von einem Gegenstand reflektiert werden.

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Bei optischen Experimenten kann mit Staub oder Rauch der Lichtstrahl sichtbar gemacht werden. Je heller der Strahl zu sehen ist, desto mehr Staub befindet sich an dieser Stelle.

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Allerdings befinden sich in der Luft dieser Grotte zahlreiche Staubteilchen. Das von oben einfallende Licht trifft auf diese Teilchen und wird von ihnen in alle Richtungen reflektiert. Diese Reflexion in alle Richtungen nennt man Streuung. Dadurch kann man sehen, welchen Weg die Lichtstrahlen nehmen.

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Lenas Physiklehrerin hat natürlich recht. Licht ist nur dann sichtbar, wenn es direkt auf das Auge auftrifft. Licht, das von oben in einen Hohlraum fällt, sollte also nicht direkt sichtbar sein. Man sollte nur die Gegenstände erkennen, die durch dieses Licht beleuchtet werden.

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Wieso sind diese Lichtstrahlen sichtbar?

Diffuses Licht

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Durch Streuung des Lichts einer Lichtquelle entsteht diffuses Licht. Wenn an manchen Tagen der Himmel vollständig von Wolken bedeckt ist, kann das Sonnenlicht nicht direkt auf die Erdoberfläche gelangen. Stattdessen wird es von den Wassertröpfchen in den Wolken gestreut. Auch dadurch entsteht diffuses Licht. Sobald das gestreute Licht auf die Erdoberfläche auftrifft, kommt es von allen Seiten. Daher bilden sich bei diffusem Licht keine scharf abgegrenzten Schatten.

Ein Lampenschirm erzeugt diffuses Licht.

Diffuses Licht

In geschlossenen Räumen sind scharfe Schatten oft unerwünscht. Daher werden Beleuchtungskörper meist mit einem Material umgeben, das das Licht streut. Sieh dir die Lampen bei dir zu Hause einmal genauer an! Die Lampenschirme erzeugen diffuses Licht. Auch Fotografen möchten oft scharf abgegrenzte Schatten vermeiden. Daher bringen sie vor den Blitzlichtern Schirme an, die das Licht streuen.

Bei Gaslampen sorgt ein Zylinder aus mattem Glas für die Lichtstreuung.

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Optik Der ebene Spiegel

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Wie entsteht das Spiegelbild?

Paul putzt vor dem Spiegel seine Zähne. Er hält dabei die Zahnbürste in der rechten Hand, den Daumen hat er nach hinten abgespreizt. Beim Putzen betrachtet er sein Spiegelbild genauer. Er stellt fest, dass es so aussieht, als würde auf der anderen Seite ein Bub stehen, das genauso aussieht wie er selbst. Dieser „scheinbare Bub“ steht genauso weit von der Spiegelfläche entfernt wie er selbst. Aber ihm fällt auch auf, dass es im Spiegel so aussieht, als ob er die Zahnbürste in der linken Hand halten würde.

Aus dem Augenwinkel nimmt er gerade noch den Nagel seines Daumens wahr. Im Spiegelbild sieht er jedoch den Daumenballen.

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Spiegel in Räumen Spiegel dienen nicht nur dazu, um sich selbst zu betrachten. Sie werden auch eingesetzt, um einen Raum größer erscheinen zu lassen. Eines der bekanntesten Beispiele so eines „Spiegelsaals“ befindet sich im französischen Schloss Versailles.

Ein Spiegel ist eine ebene Fläche, die das Licht vollständig reflektiert. Meist handelt es sich um eine Glasplatte, die auf einer Seite mit einer dünnen Metallschicht überzogen ist. Der eigentliche Spiegel ist dabei die Metallschicht, die Glasplatte dient nur als Schutz und sorgt dafür, dass sich die Metallschicht nicht verformt.

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Schicht: dünn aufgebrachte Masse

Was geschieht, wenn Paul gespiegelt wird?

Spiegelsaal in Versailles

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Wo überall werden ebene Spiegel verwendet?

Stell dir vor, du betrachtest im Spiegel einen Würfel. Reflektiert werden die Lichtstrahlen, die von der dem Spiegel zugewandten Seite des Würfels ausgehen. Im Spiegel siehst du daher diese Seite. Das scheinbare oder virtuelle Bild im Spiegel sieht so aus, als wäre es gleich groß wie der „echte“ Würfel und würde genauso weit vom Spiegel entfernt liegen.

Mit einem Periskop kann man über Hindernisse hinweg oder um Ecken sehen. Das Licht wird dabei von zwei Spiegeln reflektiert, bevor es zum Auge gelangt.

Spiegel

Das Licht einer Lichtquelle fällt auf Paul und wird von diesem in alle Richtungen reflektiert. Die reflektierten Lichtstrahlen fallen auch auf die Spiegeloberfläche und werden nach dem Reflexionsgesetz zurückgeworfen. Diese reflektierten Strahlen fallen auch in sein Auge.

Würde deine Mutter hinter dir stehen, dann würde sie dich stehend von hinten sehen. Im Spiegel sieht sie dich zwar ebenfalls aufrecht stehen, allerdings sieht sie dich von vorne. Beim Bild im Spiegel ist „vorne“ und „hinten“ vertauscht. Daher sieht es für Paul auch so aus, als würde er die Zahnbürste in der falschen Hand halten. Das Bild im Spiegel erscheint seitenverkehrt.

Ein Spiegel erzeugt ein virtuelles, aufrechtes, seitenverkehrtes, gleich großes Bild.

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Reflexion an gekrümmten Spiegeln Die wichtigsten Bezeichnungen eines gekrümmten Spiegels:

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Bevor Elias seine Suppe isst, spielt er mit dem Löffel. Dabei stellt er fest, dass man die Innenfläche des Löffels auch als Spiegel benutzen kann. Allerdings sieht sein Bild im Spiegel anders aus als in einem normalen Spiegel. Es steht auf dem Kopf.

Warum sieht Elias Bild im Löffel anders aus als in einem normalen Spiegel?

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Die Bildentstehung in einem Sammelspiegel

mp eV

1. Strahlen, die parallel zur optischen Achse a einfallen, werden durch den Brennpunkt F reflektiert.

2. Strahlen, die durch F einfallen, werden parallel zu a reflektiert.

3. Strahlen, die durch den Mittelpunkt M einfallen, werden in sich selbst reflektiert.

4. Strahlen, die im Scheitel S einfallen, werden im selben Winkel reflektiert (α = β).

S

F

β

α

M

a

Das Bild, das in einem Sammelspiegel entsteht, hängt davon ab, wo sich der Gegenstand, der gespiegelt wird, befindet. Man unterscheidet vier Fälle:

F

M

1. Der Gegenstand befindet sich außerhalb von M. Die Abbildung ist verkleinert und steht „am Kopf“. Es entsteht im Bildpunkt, wo sich die Lichtstrahlen kreuzen. Daher nennt man es ein reelles Bild.

M

M

a

M

r

M: Mittelpunkt der Kugel S: Scheitel des Spiegels F: Fokus p befindet sich genau in der Mitte zwischen M und S r: Krümmungsradius f: Brennweite, Strecke zwischen S und F a: optische Achse p Gerade, auf der M, F und S liegen konkav: nach innen gekrümmt Fokus: von fokussieren, in einem Punkt sammeln

Warum heißt der Brennpunkt „Brennpunkt“?

Parallel einfallende Sonnenstrahlen werden in diesem Punkt fokussiert.

Dadurch kann es dort so heiß werden, dass entzündliche Gegenstände zu brennen beginnen.

F

Oly

2. Der Gegenstand befindet sich genau in M. Das reelle Spiegelbild liegt ebenfalls in M, ist genauso groß wie der Gegenstand und steht am Kopf.

F

F

erl

F

Die Innenfläche des Löffels sieht ähnlich aus wie ein Stück der Innenfläche einer Kugel. Einen Spiegel, der so geformt ist, bezeichnet man als konkaven Spiegel oder optische Achse Hohlspiegel. Da bei so einem Spiegel alle Strahlen, die parallel zur optischen Achse (a) einfallen, in einem einzigen Punkt, dem Fokus oder Brennpunkt (F), gesammelt werden, nennt man ihn auch Sammelspiegel.

f

reell: wirklich

3. Der Gegenstand befindet sich zwischen M und F. Das reelle Spiegelbild liegt außerhalb von M, ist vergrößert und steht am Kopf.

4. Der Gegenstand befindet sich zwischen F und S. Das Spiegelbild entsteht hinter dem Spiegel, wo sich die Verlängerungen der Lichtstrahlen kreuzen. Es ist also virtuell, vergrößert und steht aufrecht.

Versuch

S

F

Führt das Experiment „Der Konkavspiegel“ auf S. 157 durch!

18

Optik Der Parabolspiegel als Autoscheinwerfer

Parabel: nach einer Seite offene gekrümmte Linie, ähnlich dem Buchstaben „U“

Biluxlampe

Beim Autoscheinwerfer nutzt man den umgekehrten Lichtweg. Im Brennpunkt befindet sich eine Lichtquelle. Diese sendet Lichtstrahlen in alle Richtungen aus, die vom Parabolspiegel parallel nach vorne reflektiert werden. Diese parallelen Strahlen ergeben das Fernlicht.

Das Fernlicht würde aber entgegenkommende Fahrzeuge blenden. Um das Blenden zu vermeiden, verwendet man in einem Autoscheinwerfer eine Biluxlampe. Diese hat zwei Glühwendeln. Die eine liegt genau im Brennpunkt, die andere liegt weiter vorne und ist nach unten abgeschirmt. Sie erzeugt das Abblendlicht. Die Strahlen dieser Glühwendel werden so reflektiert, dass sie nur die Straße vor dem Fahrzeug beleuchten.

mp eV

konvex: nach außen gekrümmt

Ist der Spiegel nicht wie ein Kreis, sondern wie eine Parabel gekrümmt, werden auch Strahlen, die weiter von der optischen Achse entfernt sind, durch den Brennpunkt reflektiert.

erl

Katakaustik: Lichtreflexion in einem goldenen Ring

ag

Bei einem Sammelspiegel werden nur diejenigen parallelen Strahlen durch F reflektiert, die sehr nahe bei der optischen Achse liegen. Für weiter entfernte Strahlen gilt das nicht. Daher ergibt sich bei einem kreisförmig gebogenen Spiegel kein scharfer Brennpunkt, sondern eine gekrümmte helle Linie. Diesen Effekt nennt man Katakaustik.

Je nachdem, wo sich der Gegenstand befindet, können mit einem Sammelspiegel aufrechte virtuelle oder verkehrte reelle Bilder erzeugt werden. Die Bilder können sowohl verkleinert als auch vergrößert erscheinen.

Der Zerstreuungsspiegel

Verkehrsspiegel sind Zerstreuungsspiegel.

Oly

Das Reflexionsgesetz besagt, dass der Einfallsund der Ausfallswinkel gleich groß sind. Man unterscheidet die regelmäßige und die diffuse Reflexion. Durch Lichtstreuung entsteht diffuses Licht. Es gibt ebene und gekrümmte Spiegel. Sammel- und Zerstreuungsspiegel sind gekrümmte Spiegel.

Bei einem Zerstreuungsspiegel oder konvexen Spiegel wird nicht die Innen-, sondern die Außenfläche einer Kugel als Spiegel genutzt. Der Brennpunkt F liegt scheinbar hinter der Spiegelfläche. Parallel zur optischen Achse einfallende Strahlen werden so reflektiert, als würden sie von F kommen (1). Strahlen, die zum Mittelpunkt zeigen, werden in sich selbst reflektiert (2).

M

1

F

M

F

2

Das Bild eines Zerstreuungsspiegels entsteht hinter der Spiegelfläche. Es handelt sich um ein virtuelles Bild. Es ist aufrecht und verkleinert.

Optik 19

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

erl

ag

1) Das Reflexionsgesetz – In diesen Abbildungen fehlt jeweils ein Lichtstrahl. Zeichne diesen richtig ein!

Trage auch immer das Lot ein! %%

mp eV

Spiegel

2) Das Spiegelbild – Vor diesem Spiegel liegt ein Würfel. Zeichne ein, wie die Lichtstrahlen zwischen dem Spiegel und dem Auge verlaufen und wie das Bild des Würfels im Spiegel aussieht! %%%

3) Sammel- und Zerstreuungsspiegel – Zeichne in die Abbildungen die Lichtstrahlen und das reflektierte Bild ein! %%

M

Oly

F

M

F

S

F

M F

fi

20 Optik

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag

4) Der Scheinwerfer – Du hast dir bei einem Vortrag über das Verwenden von Abblend- und Fernlicht Notizen gemacht. Kreuze jeweils an, ob in diesen Situationen die Verwendung des Fernlichtes erlaubt (+) oder verboten (-) ist! Wenn du alles richtig angekreuzt hast, ergeben die Buchstaben ein Lösungswort. %%%%

Abblend- und Fernlicht

mp eV

Situationen, in denen zumindest mit Abblendlicht gefahren werden muss: • Sichtbehinderung durch Dämmerung, Dunkelheit, Regen, Nebel, Schneefall • im Tunnel • beim Abschleppen

Fernlicht außerhalb des Ortsgebietes ist in folgenden Situationen verboten: • stehender Verkehr • ausreichende Straßenbeleuchtung • wenn Fußgänger, andere Fahrzeuglenker, Züge oder Schiffe neben der Fahrbahn geblendet werden können • Hintereinanderfahren in kurzem Abstand • Wild auf der Fahrbahn • Nebel • Regen oder Schneetreiben bei Dunkelheit

erl

Die Fahrbahn wird vom Abblendlicht ca. 50 bis 60 m weit ausgeleuchtet.

Fernlicht im Ortsgebiet ist in folgenden Situationen erlaubt: • Höchstgeschwindigkeit höher als 50 km/h und der Anhalteweg ist nicht anders beleuchtet • Sichtbehinderung durch Regen oder Schnee am Tag

1

4

LÖSUNGSWORT:

.

.

.

.

.

5

3

+

–

1

F

A

2

L

O

3

K

E

4

B

U

5

I

S

fi

Oly

2

Optik

21

4. DIE BRECHUNG DES LICHTS Medium: hier: Stoff, in dem sich Licht ausbreiten kann

ag

Jakob hat sein Lineal versehentlich in eine Schüssel mit Wasser fallen lassen.

Erschrocken stellt Jakob fest, dass es dabei beschädigt worden ist. Es ist ein wenig abgeknickt. Als er das Lineal jedoch aus der Schüssel nimmt, sieht er, dass dem Lineal überhaupt nichts passiert ist. Es ist wieder wie zuvor.

erl

Was ist mit Jakobs Lineal geschehen?

Grenzfläche: Fläche, an der zwei Medien aneinanderstoßen (z.B. Wasseroberfläche)

Versuch

Licht breitet sich nicht überall gleich schnell aus. Am schnellsten ist es im luftleeren Raum, im Vakuum. Sobald es jedoch in ein anderes Medium wie Wasser eintritt, wird das Licht abgebremst und breitet sich mit geringerer Geschwindigkeit aus. Dadurch erhält ein Lichtstrahl an der Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Medien einen „Knick“. Diesen Effekt nennt man Lichtbrechung.

Luft

mp eV

Wasser

Bei Jakobs Lineal sieht es so aus, als ob es geknickt wäre, weil die vom Lineal ausgehenden Lichtstahlen gebrochen werden, bevor sie sein Auge erreichen.

Daher sieht es so aus, als ob sich das Ende des Lineals woanders befinden würde, als es tatsächlich ist.

Führt die beiden Experimente „Die Position eines Fisches“ und „das gebrochene X“ auf S. 158 durch!

Erinnere dich! Wie hoch ist die Lichtgeschwindigkeit?

Optisch dünne und optisch dichte Medien:

optisch dünn Vakuum

Was sind „optische Medien“?

Optische Medien sind Stoffe, in denen sich das Licht ausbreiten kann, sie sind also durchsichtig. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts ist in jedem optischen Medium anders. Daher kommt es immer dann zur Lichtbrechung, wenn ein Lichtstrahl von einem Medium in ein anderes gelangt.

Wasser Plexiglas

Oly

Lot

Je geringer die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist, desto „optisch dichter“ ist das Medium.

Luft Daher unterscheidet man „optisch dünnere“ und „optisch dichtere“ „zum Lot“ „vom Lot“ Medien. Beim Übergang eines Wasser Lichtstrahls von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium wird der Lichtstrahl zum Lot gebrochen. Beim Übergang von einem dichteren in ein dünneres Medium erfolgt die Brechung vom Lot weg.

Luft

Beim Übergang eines Lichtstrahls zwischen zwei Medien mit unterschiedlicher optischer Dichte wird der Lichtstrahl gebrochen.

Glas Diamant

optisch dicht Licht und Diamant Da ein Diamant optisch besonders dicht ist, funkeln geschliffene Diamanten (Brillanten) besonders schön.

22

Optik Totalreflexion Im Physikunterricht sieht Leonie ein Experiment.

Nachdem die Klasse schon von der Lichtbrechung gehört hat, lässt ihre Physiklehrerin das Licht einer Reuterlampe auf einen halbkreisförmigen Glaskörper fallen. Wie erwartet, wird der Lichtstrahl beim Verlassen des Körpers an der Grenzfläche zwischen Glas und Luft vom Lot weg gebrochen.

ag

kritisch: entscheidend

Wie groß ist der kritische Winkel?

Der kritische Winkel hängt von den Materialien der beiden Medien ab. Je größer der Unterschied in der optischen Dichte ist, desto kleiner ist der kritische Winkel.

Wasser-Luft: 48,5° Glas-Luft: ca. 40° *) Diamant-Luft: 24,4°

erl

Doch dann bewegt die Lehrerin die Lichtquelle, sodass sich der Einfallswinkel an der Grenzfläche vergrößert. Plötzlich wird das Licht nicht mehr gebrochen, sondern an der Grenzfläche reflektiert.

Was geschieht an der Grenzfläche, wenn der Einfallswinkel zunimmt?

*) abhängig von der Glassorte

Fata Morgana

mp eV

Bei der „normalen“ Brechung wird der Lichtstrahl beim Übertritt von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium vom Lot weg gebrochen (grüner Strahl). Der Ausfallswinkel ist daher größer als der Einfallswinkel. Vergrößert sich der Einfallswinkel, nimmt auch der Ausfallswinkel zu, bis er schließlich 90° erreicht (gelber Strahl).

Wasser

Nimmt der Einfallswinkel noch mehr zu, kann es keine Brechung mehr geben, da der gebrochene Strahl wieder im optisch dichteren Medium liegen würde (roter Strahl). Ab diesem Winkel wirkt die Grenzfläche wie ein Spiegel und es gilt das „normale“ Reflexionsgesetz. Man spricht in diesem Fall von Totalreflexion. Den Winkel, ab dem Totalreflexion auftritt, nennt man den kritischen Winkel oder Grenzwinkel der Totalreflexion.

Totalreflexion am Prisma

Fällt ein Lichtstrahl senkrecht auf die Grundfläche eines Prismas, das wie ein gleichschenkeliges rechtwinkeliges Dreieck geformt ist, dann ist der Einfallswinkel auf der Seitenfläche 45°. Dieser Winkel ist größer als der kritische Winkel zwischen Glas und Luft. Daher kommt es zur Totalreflexion. Auch an der zweiten Seitenfläche erfolgt Totalreflexion, sodass der Strahl parallel zum einfallenden Strahl durch die Grundfläche wieder austritt.

Oly

Was ist eine Fata Morgana?

Bei einer Fata Morgana oder Luftspiegelung kommt es zur Totalreflexion an einer Grenzfläche zwischen unterschiedlich warmen Luftschichten. Das Spiegelbild des Himmels sieht aus, als ob man eine Wasserfläche sehen würde.

Luft

Totalreflexion in einer Glasfaser

Glasfasern

Ein Lichtstrahl kann in einem durchsichtigen Medium hin und her pendeln, ohne dass er das Medium verlässt. Dabei kommt es jedes Mal zur Totalreflexion, wenn er die Grenze des Mediums erreicht. Glasfasern sind Glasstäbe, die so dünn sind, dass man sie biegen kann. In ihnen kann so der Lichtstrahl über viele km transportiert werden. Auf diese Weise werden z. B. im Internet Signale um die ganze Welt geleitet.

Optik

23

Brechung an gekrümmten Oberflächen Lot

ag

Betrachte diese Abbildung! Die von links parallel einfallenden Lichtstrahlen treffen senkrecht auf die ebene Fläche des Glaskörpers auf. Daher werden sie nicht gebrochen. Sobald sie jedoch auf die a gekrümmte Grenzfläche zwischen Glas und Luft treffen, erfolgt eine Brechung. Das Lot steht senkrecht auf die gekrümmte Fläche, die Strahlen werden vom Lot weg gebrochen. Je weiter ein Strahl von der optischen Achse a entfernt ist, desto größer ist der Winkel zwischen dem Lichtstrahl und dem Lot. Dadurch wird auch die Brechung größer.

Versuch

Führt die beiden Experimente „Die Flaschenlupe“ und „Das Wasserglas als Umkehrlinse“ auf S. 159 durch!

erl

Besondere Strahlen bei Linsen:

Sammellinsen – Konvexlinsen

mp eV

Glaskörper mit gekrümmten Oberflächen bezeichnet man als Linsen. Bei Linsen, deren Oberflächen nach außen gekrümmt sind, werden parallel einfallende Strahlen so gebrochen, dass sie einander in einem einzigen Punkt schneiden. Diesen Punkt bezeichnet man als Brennpunkt F. Die Brennweite f ist der Abstand zwischen dem Brennpunkt und dem Mittelpunkt der Linse. Weil die Lichtstrahlen in einem Punkt „gesammelt“ werden, bezeichnet man solche Linsen auch als Sammellinsen. Da die Krümmung nach außen weist, werden sie auch Konvexlinsen genannt.

Die Linse, die du oben siehst, ist eine Plankonvexlinse, da nur eine Oberfläche gekrümmt ist und die andere plan, also eben, ist. Bei einer Bikonvexlinse sind beide Oberflächen gekrümmt. Bereits an der ersten Grenzfläche erfolgt eine Brechung. Daher liegt F näher an der Linse als bei einer Plankonvexlinse.

F

a

Parallelstrahlen: Strahlen parallel zur optischen Achse a werden zum Brennpunkt gebrochen.

F a Brennpunktstrahlen: Diese werden parallel zu a gebrochen.

Wie entsteht mit Hilfe einer Linse ein Bild?

F

Die Lichtstrahlen einer Kerze können durch eine Linse so gebrochen werden, dass auf einem Schirm dahinter ein Abbild der Kerzenflamme entsteht. Auf diesem Foto siehst du, dass die Flamme vergrößert ist und auf dem Kopf steht.

Mittelpunktstrahlen: Diese gehen ungebrochen durch die Linse.

Je nachdem, wo sich ein Gegenstand befindet, gibt es drei Möglichkeiten, wie eine Linse einen Gegenstand abbilden kann:

Überlege! Welches Bild entsteht von einem Gegenstand, der sich genau im Brennpunkt befindet?

2f

Oly

1. innerhalb der einfachen Brennweite: Das Bild ist vergrößert und aufrecht, aber virtuell. Das bedeutet, es entsteht dort, wo sich die Verlängerungen der Lichtstrahlen vereinen.

2. zwischen einfacher und doppelter Brennweite: Das Bild ist vergrößert, verkehrt und reell, kann also auf einem Schirm abgebildet werden.

3. außerhalb der doppelten Brennweite: Das Bild ist verkleinert, verkehrt und reell.

Den Abstand zwischen Gegenstand und Linse nennt man Gegenstandsweite, den Abstand zwischen Linse und Bild Bildweite.

f

a

f

2f

1.

2.

3.

24

Optik Zerstreuungslinsen – Konkavlinsen

a

Strahlen durch eine Konvexlinse

ag

F

Bei Konkavlinsen ist die gekrümmte Fläche konkav, also nach innen gekrümmt. Die Lichtstrahlen werden nach dem Durchgang durch die Linse so gestreut, als würden sie vom Brennpunkt kommen. Bei Konkavlinsen nennt man den Brennpunkt, der auf derselben Seite der Linse liegt wie die Lichtquelle, auch Zerstreuungspunkt, da parallel einfallende Lichtstrahlen zerstreut werden.

plankonkav

bikonkav

konkavkonvex

plankonvex

bikonvex

mp eV

Linsenarten

F

konvexkonkav

Strahlen durch eine Konkavlinse

erl

Lichtstrahlen, die auf den gegenüber liegenden Brennpunkt gerichtet sind, werden parallel zur optischen Achse gestreut. Mittelpunktstrahlen gehen ungebrochen durch die Linse hindurch.

Das Bild, das eine Konkavlinse erzeugt, ist immer aufrecht, verkleinert und virtuell.

F’ a

Die beiden Seiten einer Linse können sowohl konvex als auch konkav sein.

Fresnel-Linse in einem Leuchtturm

Leuchtturm: Turm, der in der Nacht beleuchtet ist, um Schiffen den Weg zu weisen

ƒ Bikonvexe bzw. bikonkave Linsen weisen auf beiden Seiten dieselbe Art der Krümmung auf. ƒ Plankonvexe bzw. plankonkave Linsen sind auf einer Seite eben. ƒ Konkavkonvexe Linsen sind auf der der Lichtquelle zugewandten Seite konkav, auf der anderen Seite konvex. Bei konvexkonkaven Linsen ist es umgekehrt.

Licht wird an der Grenzfläche zwischen optisch unterschiedlich dichten Medien gebrochen. Übersteigt der Einfallswinkel den kritischen Winkel, kommt es zur Totalreflexion.

Sammel- oder Konvexlinsen brechen parallele Lichtstrahlen zum Brennpunkt.

Zerstreuungs- oder Konkavlinsen brechen das Licht so, als würde es vom Brennpunkt kommen.

Ob sich eine Linse wie eine Sammel- oder eine Zerstreuungslinse verhält, hängt davon ab, wie dick sie in der Mitte ist. Sammellinsen sind in der Mitte immer dicker als am Rand.

Oly

Fresnel-Linsen

Bei der Brechung an der Grenzfläche einer Linse hängt der Winkel, in dem der Lichtstrahl gebrochen wird, nur von der Krümmung der Oberfläche ab. Daher kann man eine Linse auch in schmale Schichten zerschneiden und diese ein Stück verschieben, ohne dass sich die Eigenschaften der Linse verändern.

Eine Fresnel-Linse ist eine Plankonvexlinse, deren Oberfläche Stufen aufweist. Dadurch können Fresnel-Linsen wesentlich flacher und daher leichter sein, als normale Plankonvexlinsen mit derselben Brennweite. Fresnel-Linsen werden z. B. in Leuchttürmen verwendet, um das Licht der punktförmigen Lichtquelle in parallele Strahlen zu verwandeln.

9

Optik 25

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Plexiglas

Diamant

Wasser

Wasser

Plexiglas

Glas

Vakuum

mp eV

Diamant

Luft

erl

Vakuum

ag

1) Brechung von Lichtstrahlen – Wird der Lichtstrahl vom oder zum Lot gebrochen? Zeichne den Lichtstrahl richtig weiter! %% Tipp: Die Tabelle auf S. 21 hilft dir.

Diamant

Luft

2) Bildentstehung mit Linsen – Welche Linse ergibt bei welcher Gegenstandsweite welches Bild? Kreuze richtig an! %%%

Art des Bildes

Art der Linse

verkleinert verkehrt

kleiner als f zwischen f und 2f größer als 2f

gleiche Seite wie Gegenstand gegenüberliegende Seite

Konvexlinse Konkavlinse

kleiner als f zwischen f und 2f größer als 2f

gleiche Seite wie Gegenstand gegenüberliegende Seite

Konvexlinse Konkavlinse

kleiner als f zwischen f und 2f größer als 2f

gleiche Seite wie Gegenstand gegenüberliegende Seite

Konvexlinse Konkavlinse

kleiner als f zwischen f und 2f größer als 2f

gleiche Seite wie Gegenstand gegenüberliegende Seite

vergrößert

Oly virtuell

verkleinert aufrecht virtuell

vergrößert

fi

verkehrt reell

Lage des Bildes

Konvexlinse Konkavlinse

reell

aufrecht

Abstand des Gegenstandes zur Linse

26 Optik

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

F

erl

F

mp eV

F

ag

3) Strahlengänge bei Linsen – Zeichne bei diesen Linsen den jeweiligen Strahlengang ein und konstruiere das Bild! %%%

F

F

F

F

F

Richtig Falsch

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht ist im Vakuum am größten.

B

A

Licht wird immer zum Lot gebrochen.

L

R

Bei einer Fata Morgana wird das Licht an einer Wasseroberfläche reflektiert.

I

E

Licht breitet sich in einer Glasfaser durch Totalreflexion aus.

C

S

Das Bild, das durch eine Konvexlinse entsteht, ist immer reell.

G

H

Das Bild, das durch eine Konkavlinse entsteht, ist immer virtuell.

U

E

Fresnel-Linsen sind leichter als normale Linsen.

N

S

Plankonkave Linsen und Plankonvexe Linsen sehen gleich aus.

N

G

LÖSUNGSWORT:

.

.

.

.

.

.

.

.

fi

Oly

4) Richtig oder falsch? – Kreuze richtig an, dann erhältst du ein Lösungswort! %%%

Optik

27

5. DAS AUGE – EIN OPTISCHES GERÄT Wir nehmen die Bilder unserer Umwelt mit unseren Augen wahr. Das Licht fällt durch die Hornhaut und tritt durch die Pupille in das Auge ein. Die Pupille ist von der Iris umgeben.

Diese ist eine flexible Blende, die die Lichtmenge reguliert.

ag

Augenlinse Hornhaut

Glaskörper

Netzhaut

Iris

Bei starkem Lichteinfall zieht sich die Iris zusammen und lässt weniger Licht ins Auge.

mp eV

Diese Bilder sind verkleinert, verkehrt und reell. Die Sinneszellen der Netzhaut werden durch das einfallende Licht angeregt und senden Nervenimpulse zum Gehirn. Unser Gehirn ist ein äußerst leistungsfähiges Organ, das dafür sorgt, dass wir die verkehrten Bilder als aufrecht stehend wahrnehmen.

Pupille

erl

Pupille

Unmittelbar hinter der Pupille liegt die Augenlinse. Das Licht wird in dieser Sammellinse so gebrochen, dass auf der Netzhaut scharfe Bilder entstehen.

flexibel: veränderbar

Das „optische Gerät“ Auge und die Akkommodation

Überlegt gemeinsam! Warum sehen wir unter Wasser nicht scharf?

In unserem Auge gibt es mehrere Grenzflächen zwischen optisch unterschiedlich dichten Medien. Das erste Mal wird das Licht gebrochen, wenn es von der Luft in die Hornhaut eintritt. Die nächste Lichtbrechung erfolgt beim Eintritt des Lichts in die Augenlinse und danach beim Übergang von der Linse in den Glaskörper.

Akkommodation: von lat. „accommodare“: anpassen

Die Brennweite unseres Auges ist so groß, dass normalerweise parallel einfallende Lichtstrahlen auf die Netzhaut fokussiert werden. Wir können also Gegenstände in großer Entfernung scharf sehen.

Liegen Gegenstände in der Nähe, dann fallen die Lichtstrahlen nicht parallel ein und ein scharfes Bild würde erst hinter der Netzhaut entstehen – wir würden das Bild unscharf sehen.

Warum sehen wir nahe Gegenstände trotzdem scharf?

Oly

Im Gegensatz zu Linsen aus Glas ist die Augenlinse elastisch. Sie ist von einem Muskel – dem Ziliarmuskel – umgeben. Wenn wir ferne Gegenstände sehen 1 und die Lichtstrahlen daher parallel einfallen, ist dieser Muskel entspannt. Der Brennpunkt liegt auf der Netzhaut (1).

2

Betrachten wir jedoch nahe Gegenstände, dann spannt sich der Ziliarmuskel an und drückt dabei die Linse zusammen. Diese wölbt sich dadurch stärker und verschiebt den Brennpunkt des Auges so, dass er wieder auf der Netzhaut liegt (2).

Diese Anpassung des Auges an die Entfernung geschieht völlig automatisch. Man nennt sie Akkommodation.

Wie nahe können wir sehen?

Die kürzeste Entfernung, in der wir noch scharf sehen können, heißt Nahpunkt oder minimale Sehweite.

Bei Kindern liegt dieser bei ca. 7 cm. Der Nahpunkt gesunder erwachsener Augen liegt bei 25 cm.

Mit zunehmendem Alter nimmt die Elastizität der Augenlinse ab. Daher kann der Ziliarmuskel sie nicht mehr so stark zusammendrücken und die Fähigkeit zur Akkommodation nimmt ab. Ältere Menschen können daher in der Nähe nicht mehr so gut sehen.

28

Optik Was bewirkt Licht im Auge?

1

dpt =

f

ag

Stäbchen (1): In unserem Auge finden sich ca. 120 Mio. Stäbchen. Diese sind sehr lichtempfindlich und senden schon bei der geringsten Lichtmenge Signale an das Gehirn. Stäbchen erlauben es uns, bei sehr wenig Licht Hell und Dunkel zu unterscheiden.

Zapfen (2): Etwa 6 Mio. Zapfen werden für das Farbsehen benötigt. Es gibt drei Arten von Zapfen, die Licht mit unterschiedlicher Farbe erkennen. Im Gehirn entstehen aus deren Nervensignalen farbige Bilder.

1

Gelber Fleck: Dort befinden sich die meisten Sinneszellen.

Daher sehen wir Gegenstände, die sich genau vor dem Auge befinden, am besten.

2 Netzhaut

mp eV

Was ist eine Dioptrie?

Die Brechkraft einer Linse wird in Dioptrien (dpt) angegeben. Sie ist der Kehrwert der Brennweite.

Sammellinsen haben positive Brennweiten. Daher ist ihre Dioptrie-Zahl auch positiv. Zerstreuungslinsen haben negative Brennweiten.

Die Lichtstrahlen fallen auf die Netzhaut oder Retina. In dieser befinden sich Zellen, die einfallende Lichtstrahlen in Nervenimpulse umwandeln. Diese werden durch den Sehnerv ins Gehirn geleitet. Wir besitzen zwei unterschiedliche Typen von Lichtsinneszellen:

erl

Sicherlich kennst du das Sprichwort: „In der Nacht sind alle Katzen grau.“ Warum stimmt dieses Sprichwort?

Blinder Fleck: An der Stelle, an der der Sehnerv ins Auge eintritt, sind jedoch keine Sinneszellen. Daher können wir an diesem „blinden Fleck“ keine Bilder wahrnehmen.

Bildebene

Die Bildebene

Ein Beispiel: Brennweite f einer Linse: + 0,5 m Brechkraft:

1 + 0,5

= +2 dpt

Wie viele Dioptrien hat eine Zerstreuungslinse mit einer Brennweite von -0,5 m?

Das Bild eines Gegenstandes wird durch eine Linse auf einer Ebene abgebildet. Diese bezeichnet man als Bildebene. Beim Auge liegt die Bildebene beim gelben Fleck. Dort sehen wir das Bild am schärfsten.

gelber Fleck

Bildfehler im Auge

Die Bildebene eines gesunden Auges liegt genau an der Augenrückwand. Bei manchen Menschen ist der Augapfel jedoch etwas zu kurz oder zu lang. Dann liegt die Bildebene nicht dort, wo sie liegen sollte, und es entsteht kein scharfes Bild.

Weitsichtigkeit: Die Bildebene liegt hinter der Netzhaut. Mit einer Sammellinse kann diese Fehlsichtigkeit korrigiert werden.

Oly

Auf der Netzhaut unseres Auges entsteht ein verkleinertes, verkehrtes und reelles Bild. Die Anpassung der Augenlinse an unterschiedliche Entfernungen nennt man Akkommodation.

Weitsichtigkeit wird durch Sammellinsen, Kurzsichtigkeit durch Zerstreuungslinsen korrigiert.

Kurzsichtigkeit: Die Bildebene liegt vor der Netzhaut, die Korrektur erfolgt mit einer Zerstreuungslinse.

Zur Korrektur von Bildfehlern werden Brillen verwendet. Je nachdem, wie stark der Fehler ist, müssen die Linsen der Brille das Licht mehr oder weniger stark brechen. Wie stark eine Linse das Licht bricht, wird in Dioptrien angegeben.

Optik

29

6. OPTISCHE GERÄTE

ag

Bei einem Spaziergang setzt sich plötzlich ein Marienkäfer auf Patricias Hand. Sie will die Gelegenheit nutzen, um den Käfer genauer zu betrachten. Langsam nähert sie die Hand ihren Augen und Patricia kann immer mehr Details des Tiers erkennen.

Als ihre Hand mit dem Käfer nur noch etwa 20 cm von ihren Augen entfernt ist, wird das Bild unscharf und Patricia kann ihn nicht mehr genau sehen.

Was ist der Sehwinkel?

Das Auge und die beiden Enden eines Gegenstandes, den man betrachtet, bilden ein Dreieck. Der Sehwinkel ist der Winkel dieses Dreiecks, der sich beim Auge befindet. In der Abbildung ist der Sehwinkel rot eingezeichnet.

erl

Warum kann Patricia den Käfer nicht genauer betrachten?

Wenn ein Gegenstand wie dieser Pfeil weit vom Auge entfernt ist, dann ist das Abbild auf der Netzhaut sehr klein.

Nähert sich das Auge dem Gegenstand, dann wird das Abbild größer. Beim Annähern wird der Sehwinkel größer.

mp eV

Sehwinkel

Je größer der Sehwinkel ist, desto größer erscheint ein Gegenstand.

Während Patricia die Hand zu ihren Augen führt, passt sich die Augenlinse an die verringerte Entfernung an. Der Ziliarmuskel drückt sie zusammen, sodass ihre Brechkraft größer wird. Sobald Patricias Hand näher beim Auge ist als die minimale Sehweite, kann sich die Augenlinse nicht mehr weiter anpassen. Das Bild wird unscharf.

Bei einem normalsichtigen erwachsenen Auge liegt die minimale Sehweite bei 25 cm. Aus größerer Nähe kann ein Gegenstand nicht genau betrachtet werden.

Was kann Patricia tun, um den Käfer noch genauer zu betrachten?

Oly

Eine Sammellinse kann Patricia helfen. Wenn sich der Käfer innerhalb der Brennweite dieser Linse befindet, dann entsteht ein vergrößertes, aufrechtes, virtuelles Bild.

Patricia betrachtet dann nicht mehr den Käfer selbst, sondern das vergrößerte Abbild. Daher wird der Sehwinkel größer. Patricia kann dann mehr Details des Käfers erkennen.

F

Finde heraus, wie nahe du selbst einen Gegenstand an dein Auge heranführen kannst, bevor er unscharf wird!

Wie stark kann eine Lupe vergrößern?

Eine Lupe kann nicht beliebig vergrößern. Wird die Brennweite immer kleiner, sieht die Lupe immer mehr wie eine Glaskugel aus. Das Bild, das man durch eine Glaskugel sieht, ist aber am Rand sehr stark verzerrt.

So eine einfache Sammellinse nennt man Lupe.

minimale Sehweite

Vergrößerung

Detail: Einzelteil

=

Brennweite der Lupe

Geldschein, durch eine Glaskugel betrachtet

30

Optik Die Brille

F2

ag

Die Linsen von Bifokalbrillen sind besonders geschliffen und bestehen eigentlich aus zwei Linsen. Der größte Teil der Fläche des Brillenglases ist eine Sammellinse mit wenigen Dioptrien, um Weitsichtigkeit zu korrigieren. In dieser Linse befindet sich eine zweite stärkere Linse. Wenn man beim Lesen nach unten blickt, sieht man durch diese Linse.

Meist werden Bifokalbrillen aus zwei unterschiedlichen Glassorten mit unterschiedlicher Brechkraft hergestellt. Bei diesen Brillen ist die Grenze zwischen den beiden Linsen nicht zu sehen.

Auch bei Gleitsichtbrillen sieht man diesen Übergang nicht.

mp eV

Geschichte der Vergrößerung Bereits vor mehr als 2 500 Jahren nutzten die Ägypter Linsen als Brillen. Die Römer verwendeten mit Wasser gefüllte Glasschalen und Glaskugeln als Vergrößerungslinsen.

Anfang des 17. Jhs. kombinierte Galileo Galilei erstmals zwei Linsen und baute das erste Mikroskop.

Dieses wurde einige Jahrzehnte später durch den Niederländer Christian Huygens zu dem Mikroskop weiterentwickelt, wie wir es heute kennen.

Eine Brille enthält zwei Linsen, die Kurz- oder Weitsichtigkeit korrigieren. Häufig sind die Gläser einer Brille gebogen, um sie an die Fassung anzupassen. Sie sind daher nicht immer wie typische Linsen geformt. Die beiden Linsen können auch unterschiedliche Brechkraft haben.

erl

Fassung: Halterung für die Brillengläser

Kontaktlinsen

Kontaktlinsen sind kleine Linsen aus Kunststoff, die direkt auf die Hornhaut des Auges aufgesetzt werden und so Augenfehler korrigieren.

Das Mikroskop

Okularlinse

Wenn Patricia ihren Marienkäfer noch genauer betrachten wollte, müsste sie ein Mikroskop benutzen. Dieses vergrößert so sehr, dass man auch Gegenstände, die mit freiem Auge nicht sichtbar sind, betrachten kann.

4

reeles Zwischenbild

F2 virtuelles Bild

3

2

Objektivlinse

1

Oly

F1

Objekt

Lichtdurchgang durch ein Mikroskop

Der Sehwinkel im Mikroskop In einem Mikroskop wird der Sehwinkel, unter dem ein Gegenstand zu sehen ist, stark vergrößert.

Das Licht fällt zunächst durch den Kondensor (1). Dieser besteht meist aus mehreren Linsen und richtet die Lichtstrahlen parallel aus.

Danach durchstrahlt das Licht Gegenstand (das Objekt), den betrachten möchte (2).

den man

Das Objektiv (3) ist eine Sammellinse, die ein vergrößertes, verkehrtes und reelles Zwischenbild des Gegenstandes erzeugt.

Meist besteht das Objektiv aus mehreren einzelnen Linsen. Mehrere Objektive mit unterschiedlichen Vergrößerungen sind drehbar am Objektivrevolver angebracht.

Im Okular (4) befindet sich ebenfalls eine Sammellinse, mit dem das reelle Zwischenbild wie mit einer Lupe betrachtet wird. Dieses wird noch einmal vergrößert, das entstehende Bild ist virtuell.

Die Gesamtvergrößerung eines Mikroskops ergibt sich, wenn man die Vergrößerungen von Objektiv und Okular miteinander multipliziert.

Optik

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Das Fernrohr

ag

Das Fernrohr ist ähnlich aufgebaut wie das Mikroskop. Es besteht ebenfalls aus einer Sammellinse, dem Objektiv, mit dem ein reelles verkehrtes Zwischenbild eines weit entfernten Gegenstandes erzeugt wird. Das Zwischenbild wird mit einer weiteren Sammellinse, dem Okular, betrachtet und ein weiteres Mal vergrößert. Das Bild ist zwar kleiner als der Gegenstand, allerdings wird durch das Fernrohr der Sehwinkel stark vergrößert.

terrestrisch: von lat. terra: die Erde

Okularlinse

F2

F1 = F2

Objektivlinse

Das Fernrohr wurde Anfang des 17. Jhs. erfunden und vom deutschen Wissenschaftler Johannes Kepler weiterentwickelt. Kepler beobachtete mit seinem Fernrohr Himmelskörper, bei denen es nicht störte, dass von ihnen verkehrte Bilder entstanden.

Bei der Beobachtung entfernter Gegenstände auf der Erde wäre es jedoch sehr störend, wenn das Bild auf dem Kopf stehen würde. Daher wird bei terrestrischen Fernrohren durch Totalreflexion an Prismen oder durch eine zusätzliche Sammellinse das Bild noch einmal umgekehrt.

Wofür werden terrestrische Fernrohre noch verwendet?

Okular

mp eV

Fernrohre in der Astronomie

Astronomie: Wissenschaft von den Sternen

erl

F1

Prisma

Objektiv

Bei einem Feldstecher wird das Bild mit Hilfe von Prismen umgekehrt. Er ist dadurch kürzer als andere Fernrohre.

Von weit entfernten Himmelskörpern gelangt nur sehr wenig Licht zur Erde. Daher sind sie oft mit freiem Auge nicht zu sehen, da durch die kleine Öffnung der Pupille zu wenig Licht auf die Netzhaut trifft. Fernrohre bündeln alle Lichtstrahlen, die ins Objektiv gelangen und leiten sie zum Auge weiter. Je größer das Objektiv ist, desto mehr Licht fällt ein.

Oly

Fernrohre in der Astronomie benötigen ein möglichst großes Objektiv. Optische Linsen aus Glas können nur bis zu einem Durchmesser von ca. 1 m hergestellt werden.

Will man Teleskope mit einem größeren Objektiv bauen, kann man zur Bündelung des Lichtes keine Linsen mehr verwenden. Größere Teleskope sind daher Spiegelteleskope.

Bei Spiegelteleskopen reflektiert ein Hohlspiegel das einfallende Licht auf einen zweiten Spiegel. Dieser leitet das Licht so um, dass es aus dem Teleskoprohr austritt. So kann das Bild von fernen Sternen betrachtet oder mit einer Kamera aufgenommen werden.

Spiegelteleskope können sehr groß gebaut werden. Das größte ist derzeit in Chile in Betrieb. Sein Spiegel hat einen Durchmesser von mehr als 8 m.

Warum steht das größte Spiegelteleskop in Chile?

Die Sternwarte steht auf dem Berg Cerro Paranal im Norden Chiles. Dieses Gebiet liegt weit entfernt von großen Städten, sodass wenig Streulicht und kaum Luftverschmutzung die Sternbeobachtung stören.

Außerdem ist die Luft in diesem Gebiet sehr trocken und es gibt kaum Luftströmungen. Bei einer Seehöhe von mehr als 2 600 m muss das Sternenlicht nicht die ganze Atmosphäre durchdringen.

Spiegelteleskop in Chile

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Optik Der Fotoapparat 7

8

6

ag

Sensor: Gerät, das etwas misst

1

4

3

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5

2

Wenn du diese Abbildung betrachtest, siehst du, dass ein Fotoapparat noch zahlreiche zusätzliche Linsen und Komponenten besitzt: Objektiv (1): Dieses besteht meist aus mehreren Linsen. Diese dienen jedoch vor allem dazu, Abbildungsfehler zu korrigieren. Im Wesentlichen wirkt das Linsensystem wie eine einzige Linse.

Bei vielen Kameras können Objektive mit verschiedenen Brennweiten angebracht werden. So können mit einem „Makroobjektiv“ (kleine Brennweite) sehr nahe und mit einem „Teleobjektiv“ (große Brennweite) weit entfernte Gegenstände scharf abgebildet werden.

mp eV

Was ist der Unterschied zwischen Spiegelreflex- und Sucherkamera?

Bei einer Spiegelreflexkamera, so wie sie hier abgebildet ist, werden die vom Objektiv kommenden Lichtstrahlen über einen Spiegel zum Okular geleitet.

Man sieht also das Bild vor der Aufnahme genau so, wie es dann auch auf dem Foto zu sehen sein wird. Bei einer Sucherkamera wird mit dem „Sucher“ der Gegenstand anvisiert, den man fotografieren will.

Ein Fotoapparat funktioniert ähnlich wie das Auge. Damit ein Bild entsteht, wird das vom Gegenstand kommende Licht durch eine Linse so gebrochen, dass der Brennpunkt auf der Bildebene zu liegen kommt.

Allerdings befindet sich in der Bildebene nicht die Netzhaut, sondern ein lichtempfindlicher Bildsensor. In diesem werden durch das einfallende Licht elektrische Signale ausgelöst.

anvisieren: auf etwas zielen

Hast du selbst schon einmal fotografiert?

Berichte in der Klasse, wie du dabei vorgegangen bist!

Damit bei großer Blendenöffnung nicht zu viel Licht auf den Bildsensor fällt, muss die Belichtungszeit kürzer gewählt werden. Die Belichtungszeit ist die Zeit, während der der Verschluss geöffnet ist.

Oly

Was ist ein ZoomObjektiv?

Bei manchen Objektiven befindet sich im Linsensystem eine bewegliche Linse. Mit dieser kann die Brennweite des Linsensystems verändert werden.

So können mit demselben Objektiv sowohl nahe als auch ferne Gegenstände aufgenommen werden.

Blende (2): Sie entspricht der Iris beim Auge und regelt, wie viel Licht einfällt. Ist die Blendenöffnung sehr groß, wird nur der Gegenstand scharf abgebildet, auf den man das Objektiv eingestellt hat. Davor und dahinter liegende Gegenstände erscheinen unscharf.

Bei kleiner Blendenöffnung erscheinen auch weiter vorne oder hinten liegende Gegenstände scharf. Der Abstandsbereich, in dem Gegenstände scharf abgebildet werden, heißt Schärfentiefe.

Auslöser: Knopf, auf den man beim Fotografieren drückt

Verschluss (3): Dieser befindet sich unmittelbar vor dem Bildsensor. Wird auf den Auslöser gedrückt, öffnet sich der Verschluss für kurze Zeit und lässt Licht auf den Bildsensor fallen. Für Gegenstände, die sich rasch bewegen, ist eine sehr kurze Verschlusszeit erforderlich (z. B. 1/1000 sec.). Ruhende Gegenstände können auch mit langen Verschlusszeiten aufgenommen werden (z. B. 1/60 sec.).

Bildsensor (4): Dieser ist ein elektronischer Bauteil, bei dem die einfallenden Lichtstrahlen auf den einzelnen Punkten des Sensors elektrische Signale auslösen. Jeder Punkt wird als „Pixel“ bezeichnet. Die Punkte sind in Zeilen angeordnet.

Pixel auf dem Bildsensor

33

ag

Optik

Wie misst man die Auflösung?

Je mehr Bildpunkte eine Kamera darstellen kann, desto höher ist die Auflösung. Üblicherweise wird sie in „Megapixel“ (Millionen Bildpunkte) angegeben.

Aber ACHTUNG! Je mehr Megapixel ein Bild hat, desto rascher ist die Speicherkarte voll.

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Spiegel (5): Dieser lenkt das durch das Objektiv einfallende Licht nach oben zum Okular ab. Sobald man auf den Auslöser drückt, klappt der Spiegel nach oben und gibt den Weg frei, damit die Lichtstrahlen auf den Bildsensor fallen können.

Prisma (6): In Spiegelreflexkameras sind üblicherweise Prismen mit fünfseitiger Grundfläche eingebaut, bei denen zwei Seitenflächen verspiegelt sind. So ein Prisma nennt man Pentaprisma. Das Licht wird an den verspiegelten Seiten reflektiert. Dabei wird das verkehrte Bild, das vom Objektiv kommt, umgedreht.

mp eV

Pentaprisma

Okular (7): Mit diesem Linsensystem wird das reflektierte Bild des Gegenstandes betrachtet. So kann man vor dem Fotografieren den Bildausschnitt auswählen.

Display (8): Dieses ist ein kleiner Bildschirm an der Rückseite des Fotoapparates. Die Signale, die vom Bildsensor kommen, werden in einem eingebauten Computerchip in ein Bild verwandelt. Dieses Bild wird am Display angezeigt.

Die Bilder, die am Display angezeigt werden, werden gleichzeitig auch elektronisch auf einer Memorykarte gespeichert. Diese Karte ist nicht fix in die Kamera eingebaut, sondern kann ausgetauscht werden. Die Bilder können von der Karte auf einen Computer übertragen oder auf einem Fotodrucker ausgedruckt werden.

Die Handykamera

Oly

Die Kameras, die in Handys eingebaut sind, funktionieren im Prinzip genauso wie ein normaler Fotoapparat. Allerdings ist das Linsensystem, das das Objektiv bildet, viel kleiner. Es besteht aus mehreren Einzellinsen, die das Bild so verzerren, dass es auf dem direkt dahinter liegenden Bildsensor scharf abgebildet wird.

Beim Handy funktioniert das Auslösen anders als beim Fotoapparat. Solange der Kamera-Modus des Handys eingeschaltet ist, liefert der Bildsensor wie bei einer Filmkamera ständig Bilder. Diese werden jedoch nicht gespeichert. Erst wenn du auf den Auslöser drückst, wird das Bild gespeichert, das der Bildsensor gerade aufnimmt.

penta: griechisch: fünf

Lichtstrahlen in einem Pentaprisma Bildausschnitt: der Teil von dem, was du siehst, der abgebildet werden soll

Wie funktioniert das Scharfstellen?

Damit das Bild am Bildsensor scharf ist, verschiebt man durch Drehen die Linsen des Objektivs. Dabei wird die Bildweite angepasst. Die meisten Kameras stellen das Bild von selbst scharf. Diese Funktion nennt man Autofokus.

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Optik Projektoren Sicherlich hast du schon einmal eine Präsentation gesehen. Dabei wird ein kleines Bild stark vergrößert auf eine Leinwand geworfen. Das Bild selbst ist meist sehr klein und auf einer durchsichtigen Folie.

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Projektor: Gerät, mit dem ein vergrößertes Bild auf einer Leinwand erzeugt (projiziert) werden kann

Wie kommt das kleine Bild so groß auf die Leinwand?

mp eV

Leinwand

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Ein durchsichtiges Bild für einen Projektor bezeichnet man als Dia.

Das Gerät, das man dazu benötigt, ist ein Projektor. Ein Projektor enthält eine starke Lichtquelle. Ein Hohlspiegel sorgt dafür, dass das Licht nur in eine Richtung abgegeben wird. Ein aus zwei Sammellinsen bestehender Kondensor leitet das Licht so, dass möglichst viel Licht auf das kleine Bild fällt und es Lichtquelle Kondensor gleichmäßig beleuchtet wird.

Durch die Sammellinse des Objektivs wird das Bild stark vergrößert. Es entsteht ein aufrechtes, reelles Bild, das auf einer Leinwand abgebildet werden kann.

Hohlspiegel

Bei Filmprojektoren zieht ein Motor einen durchsichtigen Filmstreifen vor dem Kondensor vorbei.

Film: durchsichtiger Kuststoffstreifen mit Bildern

Beamer

Bild

Spiegel

Der Overhead-Projektor

Eine Sonderform des Projektors ist der OverheadProjektor. Der Kondensor befindet sich unterhalb einer Glasplatte, auf die man eine durchsichtige Folie legt.

Nach dem Durchgang der Strahlen durch das Objektiv werden sie mit einem Spiegel abgelenkt, bevor sie auf die Leinwand treffen.

Folie

Bei einem Episkop muss Glasplatte sich das Bild nicht auf einer durchsichtigen Kondensor Folie befinden. Das Licht aus dem Kondensor fällt z. B. auf die Seite eines Buches, wird von dieser reflektiert und gelangt über einen Spiegel ins Objektiv.

Oly

Array: regelmäßige Anordnung vieler gleicher Bauteile

Einfache optische Geräte sind die Brille und die Lupe.

In den meisten optischen Geräten wie Mikroskopen werden mehrere Linsen als Linsensysteme verwendet, um Bilder zu vergrößern.

Das Objektiv ist die dem Gegenstand, das Okular die dem Auge zugewandte Linse.

Dia

Der Beamer Ein Videoprojektor oder Beamer ist ähnlich aufgebaut wie ein normaler Projektor.

Anstelle des durchsichtigen Bildes enthält er jedoch ein Mikrospiegelarray. Auf diesem befinden sich mehrere Millionen winzige Spiegel. Jeder dieser Spiegel kann durch ein elektrisches Signal gekippt werden, sodass er entweder einen Lichtpunkt auf die Leinwand projiziert oder eben nicht. Der Befehl, den Spiegel zu kippen, kommt von einem Computer. Jeder Spiegel kann bis zu 5 000 Mal pro Sekunde gekippt werden. Dadurch können auch Filme projiziert werden.

9

Optik 35

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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1) Teste dein Sehvermögen! – Mit diesen einfachen Tests kannst du überprüfen, ob bei dir ein Augenfehler vorliegt. Wenn du bei einem dieser Tests nicht das siehst, was du sehen solltest, suche einen Augenarzt/eine Augenärztin auf! * Tipp: Führe jeden Test zunächst mit jedem Auge einzeln durch! Decke dazu das andere Auge mit der Hand ab. Danach versuche es mit beiden Augen gleichzeitig!

(3)

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A) Farbenblindheit: Stelle fest, ob du die Zahlen in den Farbklecksen richtig erkennst!

(45)

(5)

(29)

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B) Astigmatismus: Stelle fest, ob du die Linien in jede Richtung gleichmäßig dick und scharf erkennst!

Wenn nicht, könnte eine Hornhautverkrümmung (Astigmatismus) vorliegen.

C) Gelber Fleck (Makula): Blicke auf den kleinen Punkt in der Mitte des Gitters! Wenn einige der Linien verzerrt, verschwommen oder unscharf erscheinen, könnte eine Störung des Gelben Flecks vorliegen.

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Oly

Neben diesen einfachen Tests, die du selbst durchführen kannst, gibt es noch zahlreiche andere Möglichkeiten, Augenfehler zu erkennen. Diese Tests kann jedoch nur der Fachmann/ die Fachfrau durchführen.

Daher ist es wichtig, dass du regelmäßig zum Augenarzt/ zur Augenärztin gehst.

36 Optik

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag

2) Optik-Begriffe – Ordne die Begriffe den Erklärungen zu, indem du die richtigen Buchstaben in die freien Kästchen einträgst! %% Wenn du alles richtig machst, erhältst du ein Lösungswort, indem du immer den nächsten Buchstaben im Alphabet nimmst. in einem Linsensystem die Sammellinse, die sich beim Auge befindet (D)

Okular

Teil eines Fotoapparates; besteht aus mehreren Linsen, um Abbildungsfehler zu korrigieren (S)

Bifokallinse

Vorrichtung, die beim Fotografieren das Objektiv so einstellt, dass die Abbildung scharf ist (T)

Makroobjektiv

dient zum elektronischen Speichern von Fotos (Y)

Blende

Teil eines Mikroskops, an dem mehrere Objektive drehbar angebracht sind (H)

Zoom

Objektiv mit kleiner Brennweite zum Fotografieren naher Gegenstände (H)

mp eV

Objektiv

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Kondensor

Objektiv mit großer Brennweite zum Fotografieren entfernter Gegenstände (R)

Autofokus

besteht aus mehreren Sammellinsen; sorgt dafür, dass die Lichtstrahlen parallel ausgerichtet werden (A)

Dia

regelt, wie viel Licht einfällt (B)

Projektor

kleines durchsichtiges Bild (M)

Teleobjektiv

Linse, die eigentlich aus zwei Linsen besteht (K)

Memorykarte

Objektiv mit beweglicher Linse zum Verändern der Brennweite (G)

Verschluss

legt fest, wie groß ein Gegenstand erscheint (S)

Objektivrevolver

öffnet sich kurzzeitig, um Licht auf den Bildsensor fallen zu lassen (D)

Sehwinkel

Gerät zum Erzeugen eines vergrößerten Bildes auf einer Leinwand (F)

.

.

.

.

.

Oly

LÖSUNGSWORT:

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

3) Dioptrie – Paul hält seine Lupe so, dass die gebündelten Sonnenstrahlen auf einer Mauer einen kleinen hellen Fleck ergeben. Die Entfernung zwischen Lupe und Mauer beträgt dabei 0,5 m. Wie viele Dioptrien hat seine Lupe? %%%

fi

Die Lupe hat ________________ Dioptrien.

Optik

37

7. LICHT UND FARBEN

ag

Die Farben des Regenbogens und ihre Wellenlängen violett

390 – 420 nm

indigo

420 – 460 nm

blau

460 – 480 nm

grün

480 – 560 nm

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Bei einem Ausflug wird Jonas mit seinen Eltern von einem Gewitter überrascht. Nachdem sich der Regen verzogen hat, sieht er am Himmel einen hell leuchtenden Regenbogen.

Er möchte wissen, wie ein Regenbogen entsteht. Aber auch seine Eltern können es ihm nicht erklären.

mp eV

In der nächsten Physikstunde fragt er daher seine Physiklehrerin danach. Diese holt ein dreiseitiges Prisma, dunkelt den Raum ab und leuchtet mit einer Reuterlampe mit einer schmalen Blende auf das Prisma.

Verwundert beobachtet Jonas, wie auf der anderen Seite des Prismas nicht weißes, sondern buntes Licht austritt, das genauso aussieht wie der Regenbogen.

Was geschieht im Prisma mit dem weißen Licht?

Das Lichtspektrum

gelb

560 – 580 nm

orange

580 – 630 nm

rot

630 – 790 nm

nm: „Nanometer“; millionstel Millimeter auffächern: einen Fächer bilden

Weißes Licht, wie es von einer Reuterlampe oder von der Sonne kommt, setzt sich aus Licht mit verschiedenen Farben zusammen. Beim Durchgang durch ein Prisma wird das Licht gebrochen. Allerdings werden die einzelnen Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Farben unterschiedlich stark gebrochen. Daher fächern sie sich hinter dem Prisma zu einem Spektrum auf.

Fächer

Wodurch unterscheiden sich verschiedenfarbige Lichtstrahlen?

Spektrum: hier: Farbenreihe

Farbe und Wellenlänge

Oly

Ein Lichtstrahl ist keine „gerade Linie“. Er sieht vielmehr wie eine Welle aus. Man spricht daher auch von einer „Lichtwelle“. Die Wellenlänge λ der Lichtwelle bestimmt die Farbe. Rotes Licht hat eine größere Wellenlänge als violettes. Die Wellenlänge von Licht ist sehr kurz. Bei rotem Licht beträgt sie ca. 0,0007 mm, bei violettem ca. 0,0004 mm. Wie stark ein Lichtstrahl beim Übergang zwischen zwei optischen Medien gebrochen wird, hängt von seiner Wellenläge ab.

Er wird umso stärker gebrochen, je kleiner λ ist.

Violettes Licht wird stärker gebrochen als rotes.

Unser Auge kann die Farben wahrnehmen, die man im Regenbogen sieht. Allerdings gibt es auch noch „Farben“, die für unser Auge nicht sichtbar sind. Lichtwellen, deren λ kleiner ist als das von violett, bezeichnen wir als ultraviolette oder kurz UVStrahlung. Licht mit einem λ, das größer ist als das von Rot, bezeichnen wir als infrarote oder IR-Strahlung.

λ: „Lambda“, griechischer Buchstabe

Viele Tiere sehen „besser“ als wir Auch wenn der Mensch UV- und IR-Strahlung nicht wahrnehmen kann, manche Tiere können es. So können viele Reptilien, vor allem Schlangen, IR-Strahlung sehen. Fledermäuse können auch UV-Strahlung sehen.

Auch Bienen und Hummeln sehen UV-Strahlung.

Viele Blüten, die für uns unscheinbar aussehen, leuchten in UV-Strahlung hell auf und locken damit diese Insekten an.

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Optik Wie entsteht ein Regenbogen?

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Ein Sonnenstrahl, der auf einen Wassertropfen trifft, wird an der Grenzfläche gebrochen. Dabei wird er in das Spektrum zerlegt. Die einzelnen Strahlen werden an der Rückwand des Tropfens reflektiert und beim Austritt aus dem Tropfen erneut gebrochen. Daher treten die verschiedenfarbigen Lichtstrahlen als Lichtfächer aus.

Regenbogen bei einem Wasserfall

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Damit ein Regenbogen entstehen kann, müssen sich Wassertröpfchen in der Luft befinden, die von der Sonne angestrahlt werden. Das geschieht sehr oft nach einem Gewitter, aber auch bei einem Wasserfall.

Du siehst dann die roten Lichtstrahlen aus den Tropfen von weiter oben einfallen als die violetten. Alle bunten Lichtstrahlen gemeinsam sehen wie ein Bogen aus.

mp eV

Wieso sieht man manchmal zwei Regenbögen?

Lichtstrahlen können in einem Wassertropfen auch zweimal reflektiert werden.

Aus weißem Licht wird Farbe

Der so entstehende Regenbogen ist nicht so deutlich zu sehen. Die Farben im Farbfächer werden durch die zweimalige Reflexion umgekehrt.

Ein sehr heißer Körper wie die Sonne oder die Glühwendel einer Glühbirne sendet Licht aus. Dieses Licht enthält Lichtstrahlen mit allen Wellenlängen. Die einzelnen Wellenlängen entsprechen den Farben, die man im Regenbogen oder nach dem Durchgang durch ein Prisma sieht. Solange die einzelnen Strahlen aber noch beisammen sind, sehen wir die einzelnen Farben nicht. Das Licht erscheint weiß.

Weißes Licht enthält Lichtstrahlen in allen Farben.

Die Zerlegung von weißem Licht in unterschiedlich farbiges Licht bezeichnet man als Dispersion. Durch die Zerlegung entstehen sieben Farben, die man als Spektralfarben bezeichnet. Diese sind:

Rot – Orange – Gelb – Grün – Blau – Indigo – Violett

Oly

Regenbogen mit Nebenregenbogen

Diese Farben können nicht weiter zerlegt werden. Schickt man z. B. einen roten Lichtstrahl in ein Prisma, dann sieht man auf der anderen Seite wieder einen roten Lichtstrahl, der in einem bestimmten Winkel gebrochen worden ist.

Die Farben von Lichtstrahlen können wir direkt wahrnehmen. Fällt ein roter Lichtstrahl auf die Netzhaut unseres Auges, dann sehen wir ihn Sammellinse auch rot.

Führt das Experiment „Spektralfarben aus dem Wasser“ auf S. 160 durch!

Prisma

weißer Punkt

Schirm

Versuch

Führt man die Farben eines Spektrums wieder zusammen, ergeben sie gemeinsam wieder weißes Licht.

Optik

39

Wie entstehen Farben?

primär: vom lateinischen Wort „primarius“ = an erster Stelle sekundär: vom lateinischen Wort „secundarius“ = an zweiter Stelle

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Dasselbe geschieht, wenn du eine blaue oder eine grüne Folie verwendest. Wenn du zwei der Lichtkreise so auf ein Blatt Papier fallen lässt, dass sie sich überlappen, entsteht eine neue Farbe. So siehst du zwischen dem grünen und dem roten Kreis die Farbe Gelb. Dort, wo sich alle drei Kreise überlappen, ergibt es Weiß.

Was sind Sekundärfarben?

Alle Farben, die durch Mischung aus Grund- oder Primärfarben entstehen, bezeichnet man als Sekundärfarben.

ag

Wenn du weißes Licht aus einer Reuterlampe mit einer Lochblende durch eine rote Folie fallen lässt, dann erscheint dahinter auf einem weißen Blatt Papier ein roter Kreis.

Die Folie ist ein Farbfilter, der die meisten Spektralfarben zurückhält und nur rotes Licht durchlässt. Die Farbe des hindurchgehenden Lichts ist die Lichtfarbe.

Gelb ist keine Grundfarbe. Gelb entsteht durch Mischung und setzt sich aus den Spektralfarben Rot und Grün zusammen. Diese beiden Farben werden von unseren Augen gleichzeitig aufgenommen und von unserem Gehirn als Gelb empfunden.

mp eV

Die Farbe, die sich aus Grün und Blau ergibt, nennt man Cyan, die Mischung aus Rot Grün + Blau = Cyan und Blau heißt Magenta.

Gelb, Cyan und Magenta Rot + Blau = Magenta entstehen dann, wenn jeweils Rot + Grün + Blau = Weiß die beiden Ausgangsfarben gleich stark sind, wenn also von beiden Farben gleich viele Lichtstrahlen vorhanden sind. Rot, Grün und Blau nennt man Grundfarben oder Primärfarben.

Rot +

Grün +

=

Gelb

Sind die Grundfarben unterschiedlich stark, dann entstehen daraus beim Sehen alle anderen Farben, die du wahrnehmen kannst. Du kannst auch Farben sehen, die nicht im Lichtspektrum vertreten sind, wie Braun.

Die Additive Farbmischung

Oly

Wird Licht mit unterschiedlichen Farben vermischt, so spricht man von Additiver Farbmischung. Beim Fernseher oder beim Computerbildschirm wird dieses Verfahren verwendet, um beliebige Bilder zu erzeugen.

Einzelne Bildpunkte oder Pixel in den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau erstrahlen unterschiedlich hell. Dadurch entsteht in unseren Augen der gewünschte Farbeindruck.

Komplementärfarbe

Rot

Cyan

Grün

Magenta

Blau

Gelb

Worin unterscheiden sich „warme“ und „kalte“ Farben?

Warme Farben sind Farben, die beim Betrachter ein Gefühl der Wärme auslösen.

Dazu zählen vor allem Farben mit hohem Rot- oder Gelbanteil. Im Gegensatz dazu lösen kalte Farben wie Blau und Grün ein Gefühl der Kälte aus.

Bildpunkte bei einem Fernseher

Komplementärfarben

Farbe

Rote, grüne und blaue Lichtstrahlen ergeben gemeinsam weißes Licht.

Als Komplementärfarben bezeichnet man die Farben, die beim Mischen Weiß ergeben.

Betrachte die Farbkreise oben auf dieser Seite!

Rot und Blau ergeben Magenta. Dort, wo zu Magenta noch Grün dazu kommt, entsteht Weiß. Magenta und Grün sind also Komplementärfarben.

Versuch Führt die Experimente „Farbzerlegung – Chromatografie“ und „Komplementärfarben“ auf S. 160/161 durch!

komplementär: gegensätzlich

40

Optik Farbige Körper – Subtraktive Farbmischung Warum ist ein Paradeiser rot?

ag

Wenn weißes Licht auf diesen Paradeiser fällt, dann werden die roten Anteile im weißen Licht reflektiert, alle anderen Farben werden absorbiert. Unser Auge erreicht nur das rote Licht, daher erscheint uns der Paradeiser rot.

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Beim Licht, das vom Paradeiser reflektiert wird, wurden einige Farben aus dem Spektrum entfernt, also subtrahiert. Die Farbe, in der uns der Paradeiser erscheint, ist die Mischung der Farben, die übrig bleiben. Daher spricht man von Subtraktiver Farbmischung. Die Mischfarbe des vom Paradeiser reflektierten Lichts ist die Körperfarbe.

Hast du schon einmal die Farbpatronen bei einem Farbdrucker gewechselt? Es gibt nur drei unterschiedliche Farben sowie eine zusätzliche Patrone für schwarz. Und dennoch kann der Drucker mit diesen drei Farben ein buntes Bild drucken.

mp eV

Was sind „unbunte Farben“?

Als „unbunt“ bezeichnet man Weiß, Schwarz und alle Grautöne. Ein Körper erscheint schwarz, wenn er keine Farbe reflektiert, sondern alle Farben absorbiert. Ein Körper erscheint weiß, wenn er alle Farben reflektiert. Grau erscheint er dann, wenn er alle Farben geschwächt reflektiert.

Wie funktioniert das Farbdrucken?

Versuch

Führt das Experiment „Subtraktive Farbmischung“ auf S. 161 durch!

Bei der Subtraktiven Farbmischung sind Gelb, Cyan und Magenta die Primärfarben. Farbfilter aus diesen Farben ergeben Rot, Grün und Blau als Sekundärfarben. Dort, wo sich alle drei Filter überlappen, erscheint Schwarz. Beim Drucken werden kleine Farbpunkte in den Farben Gelb, Cyan und Magenta auf weißes Papier aufgetragen. Je nachdem, wie groß und wie dicht beieinander diese Farbpunkt sind, erscheinen im Auge unterschiedliche Farbeindrücke. Obwohl alle drei Farben gemeinsam Schwarz ergeben, wird Schwarz auch als eigene Farbe im Drucker verwendet. In der Praxis ergibt sich nämlich bei Mischung aller drei Primärfarben nur ein dunkles Grau.

Probiere aus, ob du mit einer starken Lupe die Bildpunkte in einer Zeitschrift oder in einem Buch sehen kannst!

Oly

Weißes Licht kann durch ein Prisma in die 7 Spektralfarben zerlegt werden. Diese Zerlegung nennt man Dispersion.

Die Farbe eines Lichtstrahls ist abhängig von seiner Wellenlänge (λ). Farbe kann durch additive oder subtraktive Farbmischung entstehen. Unser Farbeindruck entsteht im Gehirn.

Entstehung von Farben beim Drucken

Licht mit nur einer Farbe Mit einem Farbfilter kann aus weißem Licht Licht mit nur einer Farbe erzeugt werden. Auch Laser liefern Licht, das nur aus einer Farbe besteht. Wird ein roter Paradeiser mit grünem Licht beleuchtet, dann erscheint er dunkelgrün. Da ein Paradeiser fast nur rotes Licht reflektiert und im grünen Laserlicht kein Anteil an rotem Licht vorhanden ist, wird fast kein Licht reflektiert, sondern das meiste auftreffende Licht absorbiert.

9

Optik 41

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag

1) Die Farben des Regenbogens – Male diesen Regenbogen richtig mit den sieben Spektralfarben an! %%

mp eV

erl

gelb © violett © rot © blau © orange © indigo © grün

2) Bilder mit farbigem Licht – Hier siehst du einige Bilder, die mit weißem Licht beleuchtet wurden, aus dem eine der drei Grundfarben herausgefiltert worden ist. Kreuze an, welche Farbe fehlt! %%%%

fi

Oly

Originalbild

Bild mit Filter

gefilterte Farbe

Rot Grün Blau

Rot Grün Blau

Rot Grün Blau

42 Optik

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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3) Kreuzworträtsel – Finde die richtigen Begriffe und trage sie in das Rätsel ein! %%%

9

mp eV

erl

waagrecht: 1. Farben des Regenbogens 3. spaltet weißes Licht in Farben auf 4. Farbenreihe 7. Zerlegung von weißem Licht 8. λ 9. Farbe des Lichts 10. Farbe eines Gegenstandes senkrecht: 2. gegensätzlich 5. natürliche Lichtbrechung 6. Farbe in einem Drucker

4) Farben – Welche dieser Begriffe zum Thema Farben haben mit der Wellenlänge des Lichts zu tun und welche mit unserer Wahrnehmung von Farben? Wenn du richtig ankreuzt, ergeben die Buchstaben in der richtigen Reihenfolge ein Lösungswort! %%%

Dispersion

Sekundärfarbe

Lichtfarbe

Wellenlänge (P)

Wellenlänge (A)

Wahrnehmung (L)

Wahrnehmung (T)

Wellenlänge (R) Wahrnehmung (M)

warme Farbe

Wellenlänge

Wahrnehmung (E)

Wellenlänge (U)

Oly

Wellenlänge (I)

Wahrnehmung (B)

kalte Farbe

Wahrnehmung (S)

LÖSUNGSWORT:

.

.

.

.

.

.

Wellenlänge (M)

Spektralfarbe

Wahrnehmung (L)

Wellenlänge (K) Wahrnehmung (H)

.

.

fi

Grundfarbe

Wellenlänge (O)

Optik

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phototrop: sich bei Licht verändernd

erl

Für ein Referat im BU-Unterricht untersucht Hannah eine Wiesenblume ganz genau. Um wirklich alles sehen zu können, hat sie eine Lupe mitgenommen. Sie hält das Vergrößerungsglas vor die Blüte, während ihr die Sonne von hinten über die Schulter scheint.

Plötzlich schreit sie auf und lässt die Blume fallen.

Auf ihrem Finger zeichnet sich ein kleiner roter Fleck ab, fast wie eine Brandblase.

ag

8. LICHT IST ENERGIE

Was ist mit Hannahs Finger geschehen?

Die parallelen Lichtstrahlen der Sonne wurden durch die Lupe im Brennpunkt gebündelt. Als Hannah zufällig mit der Hand in den Strahlengang der Linse geriet, verbrannte ihr das gebündelte Sonnenlicht den Finger.

Im Lichtstrahl steckt Energie!

Film

mp eV

Jeder Lichtstrahl enthält Energie, die beim Absorbieren des Lichts in Form von Wärme auf den Körper übertragen wird. Je mehr Licht ein Körper absorbiert, desto wärmer wird er. Mit der Lupe kann so viel Licht auf einen winzigen Punkt gebündelt werden, dass man mit der darin steckenden Energie ein Stück Papier entzünden kann.

Die Energie, die in einem Lichtstrahl steckt, ist umso größer, je kürzer seine Wellenlänge ist. Die Energie in UV-Strahlung ist wesentlich größer als im sichtbaren Licht. Wenn du deine Haut längere Zeit ungeschützt der UV-Strahlung der Sonne aussetzt, kann die in der UV-Strahlung steckende Energie dazu führen, dass die Zellen deiner Haut beschädigt werden. Sonnenbrand ist die Folge.

Oly

Die im Licht steckende Energie kann aber auch praktisch genutzt werden. Bei phototropen Brillen sind im Glas spezielle Chemikalien enthalten. Diese verändern sich bei UV-Bestrahlung und verfärben das Glas. So wird aus einer normalen Brille eine Sonnenbrille. Ohne UV-Bestrahlung wird die chemische Reaktion rückgängig gemacht.

Das fotografische Bild

Brillengläser, die bei zunehmender UVStrahlung dunkler werden

Bevor zum Fotografieren Digitalkameras verwendet wurden, benutzte man anstelle des Bildsensors Filme. Filme sind mit einer lichtempfindlichen Schicht versehen, die Silberbromid enthält. Dieses aus Silber und Brom bestehende Material zersetzt sich, sobald Licht darauf fällt. Dabei entsteht ein so genanntes „Negativ“. Stellen, auf die viel Licht fällt, werden durch das dort entstandene elementare Silber dunkel. Stellen, auf die kein Licht fällt, bleiben hell. Beim Entwickeln wird das nicht zersetzte Silberbromid aus dem Film gewaschen. Ein „Positiv“ erhält man, indem man das Negativ noch einmal fotografiert.

Entwicklung eines SchwarzWeiß-Bildes: vom „Original“ …

… zum Negativ …

… und zum Foto

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Optik Der photoelektrische Effekt

ag

Trifft ein Lichtstrahl mit der richtigen Energie auf ein Atom, dann kann es zu einer Übertragung der Lichtenergie auf ein Elektron des Atoms kommen. Dieses wird aus der Elektronenhülle des Atoms herausgeschlagen, sodass ein freies Elektron und ein elektrisch geladenes Atom, ein sogenanntes Ion, entstehen.

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In Halbleitern, die normalerweise den elektrischen Strom kaum leiten, erhöht sich durch die freien Elektronen die Leitfähigkeit. So kann man lichtempfindliche elektrische Widerstände herstellen.

Der photoelektrische Effekt wird aber auch in Fotodioden genutzt. Diese sind elektronische Bauteile, die bei auftreffendem Licht elektrischen Strom erzeugen. So können sie als Lichtsensoren verwendet werden, wie sie z. B. in Lichtschranken zum Einsatz kommen. Wie der elektrische Strom in einer Fotodiode entsteht, erfährst du in Kapitel 23.

mp eV

Schreibt man Foto mit „F“ oder mit „Ph“?

Das Wort Foto stammt vom griechischen Wort „phos“ für Licht ab. Früher wurden alle Wörter, die sich davon ableiten, mit „Ph“ geschrieben. Seit der letzten Rechtschreibreform können manche dieser Wörter wie Foto oder Fotodiode auch mit „F“ geschrieben werden.

Andere wie der photoelektrische Effekt werden nach wie vor meist mit „Ph“ geschrieben.

Lichtschranke: stellt die Unterbrechung eines Lichtstrahls fest

Lichtschranken schützen vor unbefugtem Zutritt.

Fotodiode

Der Bildsensor einer Digitalkamera besteht aus Millionen winziger Fotodioden. Jede einzelne sendet ein elektrisches Signal, die Signale aller Dioden werden zu einem Bild zusammengesetzt.

Eine Wärmebildkamera verwendet einen Bildsensor, dessen Dioden nicht sichtbares Licht, sondern infrarote Strahlung in elektrische Signale umwandeln. Eine solche Kamera zeigt, wo Wärme abgestrahlt wird. Auf diese Weise kann beispielsweise festgestellt werden, wo bei einem Haus Wärme verloren geht.

Licht und Leben

Die Sinneszellen der Netzhaut unseres Auges sind „natürliche Fotodioden“. Sie erzeugen aus der Energie des einfallenden Lichts Nervensignale, die ans Gehirn weitergeleitet werden. Wie beim Bildsensor einer Digitalkamera setzt auch unser Gehirn die Signale vieler Sinneszellen zu einem Bild zusammen.

Oly

Chloroplast: Bereich in einer Pflanzenzelle, in dem durch Chlorophyll Fotosynthese stattfindet

Lichtstrahlen enthalten Energie. Diese kann in Stoffen Veränderungen hervorrufen. Bei der Fotografie, der Fotodiode aber auch beim Sehen und bei der Fotosynthese wird diese Lichtenergie genutzt.

Wärmebildkamera

Die im Sonnenlicht enthaltene Lichtenergie ist die Grundlage allen Lebens auf der Erde. Mit dieser Energie erzeugen Pflanzen in den Chloroplasten durch Fotosynthese aus anorganischen Stoffen wie CO2 und Wasser organische Stoffe wie Zucker und Kohlenhydrate. Die darin gespeicherte Energie wird an pflanzenfressende Tiere weitergegeben, von denen sich die Fleischfresser ernähren. So ist die Sonnenenergie das erste Glied in jeder Nahrungskette.

Chloroplasten einer grünen Pflanze

Optik

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9. LICHT ALS STRAHLUNG

Wellenlänge und Frequenz einer Schwingung

Was hast du von UV- und IR-Strahlung bereits gelernt?

Was ist die Wärmestrahlung?

Wovon bekommt man Sonnenbrand?

ag

Wie du schon gelernt hast, bestimmt die Wellenlänge von Licht seine Farbe. Du hast ebenfalls gehört, dass es „unsichtbares“ Licht gibt: UV- und IR-Strahlung. Licht hört also nicht dort auf, wo wir es nicht mehr sehen können. Tatsächlich ist der Wellenlängen-Bereich, in dem wir Licht sehen können, nur ein winziger Teil des Spektrums.

mp eV

erl

Je kürzer die Wellenlänge einer Schwingung ist, desto öfter schwingt sie in einer Sekunde hin und her. Denke dabei an die Schallwelle, bei der die Luft schwingt. Der Schall breitet sich mit ca. 330 m/sec aus. Schwingt die Welle dabei nur ein einziges Mal hin und her, dann hat sie λ eine Frequenz von 1 Hz. Die Wellenlänge, also der Abstand zwischen zwei Maxima, beträgt 330 m. Schwingt die Schallwelle in derselben Zeit fünf Mal λ/5 (5 Hz), dann ist die Wellenlänge nur 1/ so groß, nämlich 66 m.

5

Auch bei einer Wasserwelle gilt derselbe Zusammenhang zwischen Ausbreitungsgeschwindigkeit, Wellenlänge und Frequenz.

Zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit, der Wellenlänge und der Frequenz einer wellenförmigen Schwingung gibt es einen direkten Zusammenhang.

Ausbreitungsgeschwindigkeit = Wellenlänge • Frequenz

Die Lichtwelle als Schwingung

Auch Licht ist eine Schwingung. Allerdings benötigt Licht kein Medium, in dem es sich ausbreiten kann. Anders als den Schall gibt es Licht auch im Vakuum.

Was schwingt beim Licht?

Oly

Sicherlich kannst du dich noch an das elektrische Feld erinnern, das zwischen zwei geladenen Körpern entsteht. Ein anderes Feld, das du schon kennen gelernt hast, ist das magnetische Feld rund um einen Magnet. Felder haben eine Feldstärke, die angibt, wie stark die anziehende oder abstoßende Kraft zwischen zwei Körpern ist.

Beim Wechselstrom ändert das elektrische Feld 50-mal in der Sekunde seine Richtung.

Das Feld, das dadurch entsteht, ist ein elektrisches Wechselfeld. Auch magnetische Felder können sich verändern, so entsteht ein magnetisches Wechselfeld.

λ Die Schwingung des Lichts setzt sich aus einem elektrischen und einem magnetischen Wechselfeld elektrisches zusammen. Beide Felder Feld magnetisches Feld schwingen im rechten Ausbreitungsrichtung Winkel zueinander. Daher bezeichnet man Licht auch als „elektromagnetische Welle“.

Wie beim Schall hängen auch beim Licht die Ausbreitungsgeschwindigkeit, die Wellenlänge und die Frequenz zusammen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beim Licht ist die Lichtgeschwindigkeit.

Elektrisches Feld zwischen zwei geladenen Teilchen

Magnetisches Feld zwischen den beiden Polen eines Magneten

Optik

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Wellenlänge von 0 bis unendlich Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge zwischen etwa 0,4 und 0,8 µm. UV-Strahlung hat eine kürzere Wellenläge, IR-Strahlung eine längere. Die Frequenz von sichtbarem Licht liegt im Bereich von etwa 500 THz.

ag

THz: Terahertz; eine Billion Hertz Radioaktivität: „radius“ heißt auf Lateinisch „Strahl“; selbstständiges Abgeben von Strahlung

erl

Elektromagnetische Wellen können aber jede beliebige Wellenlänge haben. Im gesamten elektromagnetischen Spektrum unterscheidet man verschiedene Bereiche. Allerdings spricht man bei diesen Bereichen nicht von Licht, sondern von Strahlung:

Radar

Gammastrahlung

1 pm 10-13

10-12

Ultraviolettstrahlung

Infrarotstrahlung

Terahertzstrahlung

1 nm

10-11

10-10

10-9

1 μm

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

VHF Mittelwelle UKW Kurzwelle Langwelle

Mikrowellen

Rundfunk

mp eV

Röntgenstrahlung

MW-Herd UHF

1 mm

1 cm

10-3

10-2

10-1

1m 1

1 km 10

102

103

104

Wellenlänge in Meter

UV-Strahlung

Die Strahlung, die eine kürzere Wellenlänge als sichtbares violettes Licht hat, bezeichnet man als ultraviolette oder UV-Strahlung. Die Wellenlänge dieser Strahlung liegt zwischen 10 und 400 nm. Die meiste UV-Strahlung, die von der Sonne kommt, wird in der Atmosphäre durch die Ozon-Schicht abgehalten. Vor allem die kurzwellige UV-Strahlung wird fast vollständig von der Atmosphäre absorbiert.

Röntgenstrahlung

Bei Strahlung zwischen 1 pm und 10 nm spricht man von Röntgenstrahlung. Diese geht teilweise durch deinen Körper hindurch. Daher kann man mit Röntgenstrahlung auch das Innere deines Körpers, vor allem die Knochen, abbilden. Röntgenstrahlung ist sehr energiereich. Wird sie vom Körper absorbiert, wird diese Energie von den Zellen aufgenommen.

Das kann zu schweren Erkrankungen bis hin zum Krebs führen. Daher muss sich medizinisches Personal, das mit Röntgenstrahlung zu tun hat, besonders schützen.

Oly

Wie schreibt man sehr große und sehr kleine Zahlen?

In der Physik werden „unhandliche“ Zahlen in Vielfachen der Zahl 10 angegeben. Man schreibt sie als Potenzen. So bedeutet 106, dass die Zahl Zehn 6-mal mit sich selbst multipliziert wird, also 1 Million.

10-6 bedeutet, dass Eins 6-mal durch 10 dividiert wird, also ein Millionstel. Für jeweils Sprünge von 1 000 gibt es eigene Vorsilben, um eine Zahl zu benennen.

k M G T P m µ n p f

Kilo Mega Giga Tera Peta Milli Mikro Nano Piko Femto

103 106 109 1012 1015 10–3 10–6 10–9 10–12 10–15

Gamma-Strahlung

Gamma-Strahlung oder γ-Strahlung hat eine noch kürzere Wellenlänge als Röntgenstrahlung. Sie entsteht beim Zerfall von Atomkernen.

Symbol für Radioaktivität

Optik

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IR-Strahlung Körperscanner sind nicht unumstritten!

Körperscanner zeigen die Personen, die an Flughäfen gescannt werden, nackt.

Dadurch wird ihre Privatsphäre stark beeinträchtigt.

Heftige Kritik gibt es auch deswegen, weil die Bilder gespeichert und beliebig übertragen werden können.

Da Gegenstände, die verschluckt worden sind und sich im Inneren des Körpers befinden, nicht sichtbar werden, ist fraglich, ob der Einsatz von Körperscannern zusätzliche Sicherheit bringt.

ag

Die Infrarotstrahlung kennst du bereits als Wärmestrahlung. Ihre Wellenlänge liegt zwischen 0,8 µm und 30 µm. IR-Wärmequellen werden z. B. als Heizung oder für Wärmebestrahlungen verwendet.

Terahertzstrahlung (THz-Strahlung)

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Die Wellen dieser Strahlung, die zwischen 30 µm und 1 mm liegen, werden auch Millimeterwellen genannt.

Diese Strahlung durchdringt Kleidungsstücke, wird aber von der Hautoberfläche reflektiert. Daher wird sie in sogenannten Körperscannern an Flughäfen eingesetzt, die unter der Kleidung getragene gefährliche Gegenstände auffinden sollen.

Bilder eines Körperscanners

mp eV

Mikrowellenstrahlung

Die Wellen dieser Strahlung haben eine Länge von bis zu 30 cm. Diese Art der Strahlung wird für viele Zwecke eingesetzt:

ƒ Radartechnik: Die Wellen dieser Strahlung werden von Hindernissen wie Schiffen, Flugzeugen aber auch Wolken reflektiert. Die reflektierten Strahlen können wieder aufgefangen werden. Auf diese Weise kann man auch bei Dunkelheit oder aus großer Entfernung ein Abbild der Umgebung erstellen.

Überlegt gemeinsam, wo ihr überall Strahlung ausgesetzt seid!

Radarbild

ƒ Mobilfunk: Die Funkfrequenz, mit der unsere Handys arbeiten, liegt zwischen 900 und 1 800 MHz. Das entspricht einer Wellenlänge von einigen cm.

ACHTUNG Gib keine Gegenstände aus Metall in den Mikrowellenherd!

ƒ Bluetooth und WLAN: Auch diese Funkübertragungstechniken arbeiten in diesem Frequenzbereich.

Oly

ƒ Mikrowellenherd: Das Wassermolekül ist ein Dipol. Das bedeutet, dass das Molekül zwei Bereiche mit unterschiedlicher elektrischer Ladung aufweist. Die eine Seite – das Sauerstoffatom – ist negativ geladen, während die andere Seite, an der die beiden Wasserstoffatome sitzen, positiv geladen ist.

HAtom

HAtom

O-Atom

Das elektromagnetische Feld von Mikrowellenstrahlung ändert mehrere Milliarden Mal pro Sekunde seine Richtung. Aufgrund der unterschiedlichen Ladung auf beiden Seiten folgen die Wassermoleküle diesem Richtungswechsel und werden dadurch in Drehung versetzt. Durch Stöße der Moleküle untereinander erwärmt sich Wasser.

Da in jeder Speise Wasser enthalten ist, kann diese durch Bestrahlung mit Mikrowellen erwärmt werden. Sie erwärmt sich umso rascher, je mehr Wasser sie enthält.

Was bewirkt Metall in der Mikrowelle?

Die Mikrowellenstrahlung bewirkt, dass in leitenden Materialien teilweise sehr große elektrische Ströme fließen. Dünne Metallfolien können so heiß werden, dass sie schmelzen. Das kann auch beim Goldrand von Tellern und Gläsern geschehen. Zwischen Besteck aus Metall und der Wand des Gerätes kann es zu Funkenüberschlägen kommen.

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Optik Radiowellen

Ionosphäre

Sender

Wie kommt Musik vom Studio in mein Radio?

Die Musik besteht aus einer Reihe von elektrischen Signalen. Diese werden zu einem Sender übertragen. Der Sender wandelt die Signale der Musik in Radiowellen um und strahlt diese ab. Du kannst diese Signale mit deinem Radio empfangen. Dazu sind mehrere Schritte erforderlich: 1. Erzeugung einer hochfrequenten Spannung: Mithilfe elektronischer Bauteile wird elektrischer Wechselstrom mit der gewünschten Frequenz – in unserem Fall 100 MHz – erzeugt.

Dies ist die Trägerfrequenz.

Trägerfrequenz (grün) und Nutzsignal (rot)

Amplitudenmodulation (AM)

mp eV

Wie weit breiten sich Radiowellen aus?

UKW-Signale sind Bodenwellen. Sie breiten sich an der Erdoberfläche aus und reichen bis zu 200 km weit.

Kurzwellen (KW) haben eine Wellenlänge von bis zu 180 m. Sie werden an der Ionosphäre, einer Schicht der Atmosphäre, reflektiert.

Daher kann man mit einem KW-Radio auch weit entfernte Sender empfangen.

ag

Wo gibt es in deiner Nähe einen Radiosender?

Alle Wellen, die länger sind als 30 cm, werden als Radiowellen bezeichnet. Die Wellenlänge kann bis zu 10 km betragen. Die meisten Radiosender verwenden Wellenlängen von ca. 3 m, was einer Frequenz von ca. 100 MHz entspricht. Diesen Bereich der Radiowellen bezeichnet man als „Ultrakurzwellen“ oder UKW.

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Welche Radiosender kennst du? Welche Frequenzen nutzen sie?

Empfänger

Licht besteht aus schwingenden elektrischen und magnetischen Feldern.

Elektromagnetische Strahlung kann jede beliebige Wellenlänge haben. Je nach Wellenlänge hat die elektromagnetische Strahlung unterschiedliche Eigenschaften.

Frequenzmodulation (FM)

3. Sendeantenne: Die Antenne besteht aus einem Metallstab, der halb so lang ist wie die Wellenlänge. Die beiden Enden des Stabes werden durch die Wechselspannung abwechselnd positiv und negativ aufgeladen. Dadurch entsteht eine elektromagnetische Welle, die der modulierten Trägerfrequenz entspricht.

4. Empfangsantenne: Die elektromagnetische Strahlung der Radiowellen bewirkt, dass die Elektronen im Metallstab der Empfangsantenne mit der gleichen Frequenz zu schwingen beginnen. Dadurch entsteht ein elektrisches Signal, welches das Radio wieder in Musik umwandeln kann.

Oly

Reflexion von Kurzwellen an der Ionosphäre

2. Modulation: Die elektrischen Signale des Nutzsignals, also der Musik, werden so mit dem hochfrequenten Signal kombiniert, dass dieses sich verändert. Diesen Vorgang nennt man Modulation. Dabei kann entweder die Amplitude oder die Frequenz des Trägersignals verändert werden. Man spricht dann von Amplitudenmodulation (AM) oder Frequenzmodulation (FM).

Radiosender am Kahlenberg in Wien

Ionisierende und nicht-ionisierende Strahlung Jede Strahlung, die in der Lage ist, durch ihre Energie Elektronen aus den Atomhüllen zu schlagen und so Ionen zu erzeugen, wird als ionisierende Strahlung bezeichnet. Dazu zählen die UV-, die Röntgen- und die Gamma-Strahlung. Sichtbares Licht und Strahlung mit größerer Wellenlänge sind nicht-ionisierende Strahlungen.

Ionisierende Strahlung kann bei Lebewesen Strahlenschäden hervorrufen. Nichtionisierende Strahlung kann ihre Energie dadurch übertragen, dass sie Atome und Moleküle in Schwingung versetzt.

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Optik 49

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

X: leichter

M: wärmer

F: schwerer

H: kälter

10 000 € Welche Strahlung nutzt eine Wärmebildkamera?

1 000 € Was verursacht UV-Strahlung?

A: Karies

S: Zuckerkrankheit

I: Sonnenbrand

K: Muskelkater

erl

500 € Wie wird ein Körper, der Licht absorbiert?

ag

1) Millionenquiz – Wähle die richtige Antwort aus und gewinne die Million! %%%

5 000 € Welcher elektronische Bauteil wird als Lichtsensor genutzt?

Q: Röntgenstrahlung

K: Fotodiode

E: Widerstand

D: UV-Strahlung

V: Mikrowellen

W: Kondensator

H: Glühlampe

mp eV

R: IR-Strahlung

25 000 € Mit welcher Strahlung wird das Innere des Körpers sichtbar gemacht?

50 000 € Wodurch wird die UV-Strahlung der Sonne größtenteils abgehalten?

D: Mikrowellen

P: IR-Strahlung

W: Ozon-Schicht

R: Stratosphäre

T: Gammastrahlung

O: Röntgenstrahlung

H: Ionosphäre

G: Magnetfeld

100 000 € Welche Strahlung kommt in Körperscannern zum Einsatz?

B: WLAN

L: Radio

U: UV-Strahlung

Z: Röntgenstrahlung

A: Mobilfunk

J: Radar

E: THz-Strahlung

I: Gammastrahlung

fi

Oly

250 000 € Welche dieser Technologien arbeitet nicht mit Mikrowellenstrahlung?

500 000 € Welche Strahlung ist keine ionisierende Strahlung?

1 000 000 € Woraus besteht die lichtempfindliche Schicht eines Films?

B: Gammastrahlung

L: THz-Strahlung

F: Natriumchlorid

K: Kaliumiodid

R: UV-Strahlung

M: Röntgenstrahlung

E: Silberbromid

R: Kohlenstoffdioxid

LÖSUNGSWORT:

.

.

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.

.

.

.

50 Optik

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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R: Röntgenstrahlung

Mobilfunk

I:

IR-Strahlung

WLAN

Gammastrahlung

Körperscanner Solarium Funken Radar

mp eV

UV:

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Wärmebestrahlung

G:

ag

2) Strahlung und ihre Anwendung – Welche Strahlung wird wofür verwendet? Trage zu jeder Anwendung den Buchstaben der richtigen Strahlung ein! %%

UV-Strahlung

Bilder aus dem Körperinneren

U:

UKW-Strahlung

T:

THz-Strahlung

Bluetooth

M:

Mikrowellenstrahlung

Radiohören

Mikrowellenherd

L: Langwellenstrahlung

3) Wellenlängen – Mara studiert Physik. Sie erzählt dir etwas über die Wellenlänge verschiedener Strahlungen.

Vervollständige ihren Bericht, indem du die Lücken richtig füllst! %%%

Strahlung kann jede beliebige Wellenlänge haben. Die kürzeste Wellenlänge hat ______________-Strahlung. Diese liegt zwischen

Oly

100 ___________metern und 5 ____________metern. Röntgenstrahlung hat eine Wellenlänge zwischen 10 _____ und 10 _____ Metern. Zwischen 10 Nanometern und ca. 0,4 µm folgt dann die _________-Strahlung. Die Wellen der Infrarotstrahlung sind zwischen 0,8 und 30 _____ lang.

Terahertzstrahlung hat eine Wellenlänge von bis zu 10 _____ m. Zwischen

Längere Wellen bezeichnet man als Rundfunkwellen.

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1 ___________meter und etwa 30 ___m spricht man von Mikrowellen.

Optik

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Im Biologieunterricht betrachtet Felix mit dem Mikroskop die Zellen einer Pflanze. Er dreht am Objektivrevolver und erhält eine immer höhere Vergrößerung. Als er schließlich das stärkste Objektiv erreicht hat, sieht er zwar den Zellkern, aber er würde ihn gerne noch genauer betrachten. Er will wissen, wie hoch die maximale Vergrößerung eines Mikroskops eigentlich sein kann. Daher fragt er in der nächsten Physikstunde seinen Lehrer danach.

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10. LICHT ALS TEILCHEN

Welche Details kann man in einem Mikroskop gerade noch sehen?

mp eV

Der Physiklehrer erklärt: Mit freiem Auge kann man zwei Punkte, die zueinander einen Abstand von 0,5 mm haben, noch als getrennte Punkte wahrnehmen. Den minimalen Abstand zwischen zwei Punkten, die man gerade noch getrennt sehen kann, nennt man Auflösung. Liegen die Punkte z. B. 0,1 mm beieinander, benötigt man eine Lupe mit 5-facher Vergrößerung. Dann wird der Abstand scheinbar um das 5-fache vergrößert und wir sehen sie so, als ob sie 0,5 mm voneinander entfernt wären.

Wir können sie getrennt wahrnehmen.

Die Vergrößerung eines Mikroskops erhält man, wenn man die Vergrößerungen des Objektivs und des Okulars miteinander multipliziert. Moderne Mikroskope erreichen eine Vergrößerung von 1 000. Mit einem Mikroskop mit einer Vergrößerung von 1 000 ist es also möglich, Punkte getrennt wahrzunehmen, die 0,5 µ nebeneinander liegen.

Die Auflösung beträgt dann 0,5 µ.

Felix glaubt, dass er es jetzt verstanden hat. „Wenn ich also ein Mikroskop mit 10 000-facher Vergrößerung verwende, dann beträgt die Auflösung 0,05 µ.“ Sein Physiklehrer schüttelt den Kopf. „So einfach ist das nicht. Die Auflösung beträgt trotzdem nur 0,5 µ.“ Wieso wird die Auflösung trotz höherer Vergrößerung nicht besser?

Oly

Trifft ein Lichtstrahl auf einen Gegenstand, der etwa so groß ist wie die Wellenlänge des Lichts, dann erfolgt die Reflektion nicht genau nach dem Reflexionsgesetz. Das Bild, das durch die reflektierten Strahlen entsteht, ist nicht scharf, sondern „verschmiert“. Punkte, die näher beieinander liegen als die Wellenlänge, werden daher nicht getrennt wahrgenommen.

Bild einer kreisförmigen Blende, die kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts.

Die maximale Auflösung eines Mikroskops hängt also von der Wellenlänge des Lichts ab. Sie liegt bei ca. 0,5 µ.

Im oberen Kästchen befinden sich zwei Punkte, die 0,2 mm auseinander liegen. Mit Hilfe der Lupe siehst du das Kästchen in 5-facher Vergrößerung. µ: „Mü“; Abkürzung für Mikrometer; tausendstel Millimeter

Die maximale Auflösung Lichtstrahlen nahe der optischen Achse werden etwas anders gebrochen als entfernte Strahlen. Daher ergibt sich meist kein scharfer Brennpunkt.

Diesen Effekt nennt man „sphärische Aberration“. Mit den meisten Mikroskopen kann daher die maximal mögliche Auflösung nicht erreicht werden.

Sphärische Aberration

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Optik Höhere Auflösung: das Elektronenmikroskop

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Um eine höhere Auflösung zu erreichen, benötigt man kürzere Wellenlängen als die von sichtbarem Licht. Allerdings kann man mit kurzwelliger Strahlung wie Röntgenstrahlen kein Mikroskop bauen. Der Grund dafür ist, dass Röntgenstrahlen nicht durch Linsen gebündelt werden können.

Da Elektronen elektrisch geladen sind, kann man sie in einem elektrischen Feld beschleunigen. So erhält man einen Elektronenstrahl. Der Elektronenstrahl kann durch Magnetfelder abgelenkt werden. Diese Magnetfelder wirken auf den Elektronenstrahl so wie Linsen auf Licht. So kann mithilfe von sehr schnellen Elektronen und Magnetfeldern ein Elektronenmikroskop gebaut werden.

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Louis-Victor de Broglie

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1924 erkannte der französische Physiker Louis-Victor de Broglie, dass Elektronen sich manchmal nicht wie Teilchen, sondern wie Wellen verhalten. Es gelang ihm auch, die Wellenlänge von Elektronen zu bestimmen. Diese hängt von der Geschwindigkeit der Elektronen ab und ist wesentlich kleiner als die von sichtbarem Licht.

Elektronenmikroskop

„Magnetische Linse“: mehrere Spulen erzeugen mithilfe von elektrischem Strom Magnetfelder.

Der Elektronenstrahl, der durch das Loch in der Mitte fließt, wird dadurch gesteuert.

Auge einer Fliege unter dem Elektronenmikroskop

Spule: aufgewickelter elektrischer Leiter

Mit Elektronenmikroskopen kann eine Auflösung von bis zu 0,05 nm erreicht werden.

Dualismus: zwei zusammen gehörende Eigenschaften Quant: kleinste mögliche Einheit einer physikalischen Größe, z. B. Lichtquant = Photon: kleinste mögliche Lichteinheit

Elektronen verhalten sich manchmal wie Teilchen, manchmal aber auch wie Wellen. Sie haben also Eigenschaften sowohl von Teilchen als auch von Wellen. Diese Kombination von Eigenschaften nennt man Welle-Teilchen-Dualismus.

Normalerweise betrachten wir Elektronen als Teilchen. Die Welleneigenschaften treten nur unter besonderen Bedingungen in Erscheinung. Umgekehrt ist es beim Licht.

Dieses verhält sich üblicherweise wie eine Welle. Unter bestimmten Bedingungen benimmt ein Lichtstrahl sich aber so, als ob er ein Teilchen wäre. Auch beim Licht gilt der Welle-Teilchen-Dualismus. Licht als Teilchen bezeichnet man als Photon.

Oly

Die maximale Auflösung eines Mikroskops ist so groß wie die Wellenlänge von Licht. Mit Elektronen kann man ein Elektronenmikroskop bauen. Licht verhält sich manchmal wie eine Welle, manchmal wie ein Teilchen, man spricht von Wellen-TeilchenDualismus. Das Lichtteilchen ist das Photon.

Der Welle-Teilchen-Dualismus

ƒ Photonen befinden sich, anders als andere Teilchen, niemals in Ruhe. ƒ Sie bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit. ƒ Photonen haben keine Masse.

Der Teilbereich der Physik, der sich mit den Teilcheneigenschaften von Licht beschäftigt, ist die Quantenoptik. Auf diesem Gebiet haben in der Vergangenheit österreichische Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen große Erfolge erzielt. Einer der bekanntesten ist Anton Zeilinger.

Anton Zeilinger

PHYSIK-LABOR: Optik

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Ziel des Experiments: Bestimme den Brennpunkt!

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Experiment 1: Brennpunkte im Haushalt

Du brauchst: durchsichtige Gegenstände mit gekrümmten Oberflächen (z. B. Glasflasche mit dickem Boden, Glaskugel, Brille, Lupe) * Maßband * starke Lichtquelle (anstatt mit einer Lichtquelle kann das Experiment auch im Freien mit Hilfe des Sonnenlichts durchgeführt werden)

mp eV

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Ablauf: ƒ Halte den durchsichtigen Gegenstand so vor eine helle Fläche, dass das Licht im rechten Winkel einfällt! Die Lichtquelle sollte dabei möglichst weit entfernt sein. ƒ Nun verändere den Abstand zwischen der hellen Fläche und dem durchsichtigen Gegenstand so lange, bis der helle Fleck am kleinsten ist! ƒ Zum Schluss miss die Entfernung zwischen dem durchsichtigen Gegenstand und dem kleinen hellen Fleck!

Erklärung: Ein durchsichtiger Gegenstand mit gekrümmter Oberfläche wirkt wie eine Linse. Sobald der Abstand so gewählt worden ist, dass der helle Fleck am kleinsten ist, handelt es sich bei dem Fleck um den Brennpunkt. Der Abstand ist dann die Brennweite.

Experiment 2: Das Kepler-Fernrohr

Ziel des Experiments: Stelle ein einfaches Fernrohr her!

Du brauchst: 2 leere Flaschen * 2 Lupen

Oly

Ablauf: ƒ Stecke zuerst die beiden Lupen in die Öffnungen der Flaschen! ƒ Dann stelle die Flaschen hintereinander auf! Die beiden Lupen müssen dabei so gedreht werden, dass sie im rechten Winkel zur Verbindungslinie (= die optische Achse) stehen. ƒ Nun verschiebe die Flaschen so lange, bis du einen weit entfernten Gegenstand scharf siehst!

Vergleiche die Anordnung der beiden Lupen mit dem Strahlengang des Fernrohrs auf S. 31! Wie müssen die beiden Brennpunkte der Linsen angeordnet sein?

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PHYSIK-LABOR: Optik

Ziel des Experiments: Beobachte, wie sich Farben mischen!

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Experiment 3: Der Farbkreis

Du brauchst: dickes Zeichenpapier oder Bastelkarton * Zirkel * Lineal * Schere * Bunt- oder Filzstifte * Bleistift

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Ablauf: ƒ Zeichne auf das Zeichenpapier bzw. den Bastelkarton einen Kreis mit einem Durchmesser von etwa 10 cm! Teile den Kreis in 6 gleich große Segmente und bemale sie so wie in dieser Abbildung! ƒ Nun schneide den Kreis aus und bohre in der Mitte ein kleines Loch, durch das du den Bleistift steckst! ƒ Stelle den Bleistift mit der Scheibe auf den Tisch und versetzte ihn wie einen Kreisel in Drehung!

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Ergebnis: Wenn sich die Scheibe sehr rasch dreht, sind die Farben nicht mehr zu erkennen. Stattdessen sieht man die Scheibe in einem gleichmäßigen hellen Grau.

Erklärung: Durch die rasche Drehung kann unser Auge die einzelnen Farben nicht mehr unterscheiden. Licht in allen Spektralfarben fällt gleichzeitig auf die Netzhaut unseres Auges. Durch die additive Farbmischung entsteht der Eindruck, als ob die Scheibe weiß (bzw. hellgrau) wäre.

Experiment 4: Bunte Schattenspiele

Ziel des Experiments: Untersuche die additive Farbmischung!

Du brauchst: weiße Wand (Leinwand) * 3 Taschenlampen mit Glühbirnen (keine LED-Taschenlampen) * Folien in den Farben Grün, Rot und Blau (z. B. farbige Heftumschläge) * kleine Schachtel * Schere * Klebeband

Oly

Ablauf: ƒ Schneide zuerst aus den Folien Kreise aus und klebe sie vor die Taschenlampen! ƒ Dann stelle einen Tisch an die weiße Wand und lege die Taschenlampen nebeneinander darauf! ƒ Anschließend stelle die Schachtel einige cm vor der Wand auf den Tisch! ƒ Dunkle den Raum ab und schalte die Taschenlampen ein!

Beobachte den Schatten, den die Schachtel an die Wand wirft! Erkläre die unterschiedlich farbigen Bereiche des Schattens mit Hilfe der additiven Farbmischung!

Was geschieht in den einzelnen Bereichen?

weiß gelb grün schwarz blau magenta weiß

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PHYSIK-ZEITUNG: Optik

Auf Handys und Notebooks, aber auch auf vielen anderen Geräten findet man dieses Zeichen. Dieses Zeichen gibt an, dass ein Gerät die Bluetooth-Technologie nutzt. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, das Funkwellen mit einer Frequenz von ca. 2,4 GHz verwendet, um Daten zu übertragen. Die Reichweite dieser Funkwellen beträgt nur einige wenige Meter. Übrigens: Der Name Bluetooth leitet sich vom dänischen König Harald Blauzahn ab, der vor über 1 000 Jahren gelebt hat.

mp eV

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Ein Laser ist eine Lichtquelle, deren Lichtstrahlen parallel sind und nur eine einzige Wellenlänge haben. Im Licht eines Lasers kann sehr viel Energie stecken. Diese Energie kann so hoch sein, dass man mit einem Laserstrahl sogar Metall schneiden kann. Ärzte verwenden Laser anstelle eines Skalpells bei Operationen.

Sie schneiden damit in den Warnung vor Laserstrahlen menschlichen Körper. Aber auch ein harmlos aussehender Laser wie er etwa als Laserpointer verwendet wird, kann gefährlich sein. Trifft so ein Laserstrahl direkt auf die Netzhaut des Auges, können schwere Schäden die Folge sein.

Was hat ein Blauer Zahn mit Funk zu tun?

ag

Der Laser – eine gefährliche Lichtquelle

Schneiden von Stahl mit einem Laser

BILDER-RÄTSEL: Wie viele steinerne Löwen tragen diesen Brunnen?

Wie funktioniert Ihre Fernbedienung?

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Wenn Sie auf einen Knopf einer Fernbedienung drücken, wird eine rasche Folge von Infrarot-Lichtblitzen abgegeben. Bei jedem Knopf der Fernbedienung sieht diese Folge anders aus. Eine Fotodiode am Fernseher empfängt diese Lichtblitze und wandelt sie in elektrische Signale um. Daher weiß der Fernseher, was er tun soll.

Die Lösung zu diesem Bilderrätsel findest du auf der nächsten Seite.

Bilder aus dem Inneren des Körpers

Um das Innere des Körpers eines Menschen zu untersuchen, genügt ein kleiner Schnitt in der Haut. Durch diesen wird ein Glasfaserkabel ins Körperinnere geschoben. Einige Glasfasern leiten Licht in den Körper.

Andere Fasern fangen Licht aus dem Körperinneren auf und leiten es an eine Kamera weiter. Dieses Verfahren nennt man Endoskopie.

Buchtipps Erstaunliche Experimente: Natur, Optik, Mechanik, Elektrizität (Bassermann Verlag, 2010).

Gianni A. Sarcone, Marie-Jo Waeber: Optische Illusionen (arsEdition, 2013).

Sven H. Pfleger: Aus dem Physiksaal – Experimente zum Selbermachen: Optik (Books on Demand, 2012).

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PHYSIK-ZEITUNG: Optik Archimedes rettet seine Heimatstadt

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ag

213 v. Chr./Syrakus (Sizilien): Dank einer genialen Idee des Archimedes konnte der Angriff der römischen Flotte auf die Hafenstadt Syrakus abgewehrt werden. Archimedes konstruierte einen riesigen Hohlspiegel, mit dem das Licht der Sonne gebündelt werden konnte. Dieses Licht setzte die römischen Schiffe in Brand.

Lösung zum Bilderrätsel

Experimente, die vor kurzem durchgeführt worden sind, haben gezeigt, dass es nicht möglich ist, mit Hilfe eines Hohlspiegels Schiffe in Brand zu setzen. Außerdem gab es zu Archimedes Zeiten nicht die Möglichkeit, so große Spiegel herzustellen. Mit Brandpfeilen dürfte Archimedes damals mehr Erfolg gehabt haben.

Der Brunnen wird nur von zwei steinernen Löwen getragen. Nur ein kleiner Teil dieses Brunnens ist tatsächlich vorhanden. Dieser Teil steht zwischen mehreren Spiegeln.

Durch mehrfache Reflexion entsteht der Eindruck eines vollständigen Brunnens.

Diesen „Spiegelbrunnen“ finden Sie in einem Spiegellabyrinth in der Schweizer Stadt Luzern.

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Prof. Zweistein begehrt folgende Entgegnung

Wissenswertes über Handykameras

Oly

ƒ Manche Firmen verbieten ihren Mitarbeitern, mit Handys mit eingebauter Kamera zur Arbeit zu erscheinen, da sie sich so vor Werkspionage schützen wollen. Es gibt jedoch kaum noch Handys ohne Kameras, sodass die Mitarbeiter dieser Firmen tagsüber ganz ohne Handy auskommen müssen. ƒ Immer häufiger tauchen Fotos auf, die mit Handykameras unbemerkt in Badeanstalten oder Umkleidekabinen aufgenommen worden sind. Solche Aufnahmen stellen eine Verletzung der Privatsphäre der Betroffenen dar. Wer solche Aufnahmen macht oder verbreitet, macht sich strafbar.

Warum ist der Himmel blau?

Die Farbe des Himmels entsteht durch Lichtstreuung.

Die blauen Anteile des Sonnenlichts werden stärker von den Teilchen der Atmosphäre gestreut als die roten. Wenn wir nicht direkt in die Sonne schauen, sehen wir daher vor allem die gestreuten blauen Lichtteilchen. Anders ist es jedoch am Morgen oder am Abend. Die Sonnenstrahlen fallen dann sehr schräg ein und legen einen weiteren Weg in der Atmosphäre zurück. Die blauen Anteile des Sonnenlichts werden dann „weggestreut“, sodass die roten Anteile übrig bleiben. So entsteht das Morgen- oder Abendrot.

Hast du das gewusst?

ƒ Immer wieder verursachen achtlos weggeworfene Glasflaschen Waldbrände. Der dicke Boden einer Flasche wirkt wie eine Linse. Fällt das Licht der Sonne darauf, wird dieses im Brennpunkt gebündelt. Dort kann es so heiß werden, dass ein Brand entsteht. ƒ Farbenblindheit entsteht, wenn die Zapfen in der Netzhaut nicht richtig funktionieren.

Menschen, die unter völliger Farbenblindheit

leiden, können nur Hell und Dunkel unterscheiden. Bei Farbenfehlsichtigkeit sind nur bestimmte Arten von Zapfen beeinträchtigt.

So gibt es die Rot-Grün-Sehschwäche oder die Blau-Gelb-Sehschwäche. ƒ Die Beleuchtungsstärke der Sonne an einem klaren Sommertag beträgt etwa 100 000 lx. Die Beleuchtungsstärke eines Laserpointers erreicht mehr als 400 000 lx.

Radioaktivität

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11. UNSERE WELT BESTEHT AUS ATOMEN

Die Atomhülle

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Wie du schon gelernt hast, sind alle Stoffe aus kleinsten Teilchen aufgebaut, die man Atome nennt. Ein Atom besteht aus dem Atomkern und der Atomhülle.

Der Atomkern

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Die Hülle eines Atoms besteht aus Elektronen.

Elektronen sind elektrisch negativ geladene Teilchen. Sie sind dafür verantwortlich, dass zwei oder mehr Atome gemeinsam eine chemische Bindung eingehen können. Auch die elektrische Leitfähigkeit eines Stoffes hängt von den Elektronen ab.

Wie groß sind Atome?

Atome sind so winzig, dass 10 Mio. von ihnen nebeneinander gelegt gerade einmal 1 mm messen. Der Kern eines Atoms ist noch viel kleiner. Der Durchmesser des Atoms ist etwa 100 000 mal so groß wie der des Kerns. Der größte Teil des Volumens eines Atoms ist also „leer“.

mp eV

Dieser ist wiederum aus einzelnen Teilchen aufgebaut. Protonen sind elektrisch positiv geladen, Neutronen sind elektrisch neutral. Die Anzahl an Protonen, also die Anzahl an positiven Ladungen in einem Kern, bestimmt die Kernladungszahl. Die Kernladungszahl ist auch gleichzeitig die Ordnungszahl, nach der man verschiedene Atomarten, die chemischen Elemente, ordnet. Die Protonenzahl legt auch fest, wie viele Elektronen die Hülle eines Atoms besitzen kann.

Erinnere dich! Wie nennt man die Darstellung der chemischen Elemente, in der sie nach ihren Ordnungszahlen geordnet sind?

Die beiden Arten von Kernteilchen, die Protonen und die Neutronen, haben etwa die gleiche Masse. Je mehr Kernteilchen im Atomkern enthalten sind, desto schwerer wird ein Atom. Die Summe von Protonen und Neutronen ergibt die Massenzahl eines Atoms.

Die Anzahl der Protonen im Kern ist die Kernladungsoder Ordnungszahl. Die Summe von Protonen und Neutronen im Kern ist die Massenzahl eines Atoms.

Neutronen und Protonen im Atomkern werden durch die Kernkraft zusammengehalten. Zwischen den gleich geladenen Protonen gibt es aber auch eine abstoßende elektrische Kraft.

Kennzeichnung eines Elements

Oly

Der Kern eines normalen Wasserstoffatoms enthält lediglich ein Proton, er besitzt kein Neutron. Seine Ordnungs- und Massezahl ist gleich, nämlich 1. Das Symbol für den Wasserstoffkern sieht daher so aus:

Massenzahl

Ordnungszahl

1 1

H

Wasserstoff ist das einzige Element, das keine Neutronen im Kern hat. Bei schwereren Atomen wie Kohlenstoff sind die beiden Zahlen daher unterschiedlich.

Kohlenstoff besitzt zusätzlich zu jedem seiner 6 Protonen ein Neutron.

Seine Massenzahl ergibt sich aus den 6 Protonen und den 6 Neutronen und ist daher „12“.

12 6

C

Die Anzahl der Neutronen im Kern steigt rascher an als die Zahl der Protonen.

Schwerere Atomkerne wie die von Blei enthalten mehr Neutronen als Protonen. Bei Blei sind das 82 Protonen und 125 Neutronen.

Warum nimmt die Neutronenzahl stärker zu als die Protonenzahl?

Zwischen den positiv geladenen Protonen herrscht einerseits die anziehende Kernkraft und andererseits eine abstoßende elektrische Kraft.

Je mehr Protonen im Kern sind, desto stärker wird die Abstoßung. Neutronen wirken wie ein „Klebstoff“, der den Kern zusammenhält.

Dies kommt daher, dass zwischen ihnen und den Protonen zwar auch die anziehende Kernkraft wirkt, aber keine Abstoßung existiert.

Wie wird Blei gekennzeichnet?

58

Radioaktivität Die Atommasse

1

1,008

H

ag

Im Periodensystem sind die chemischen Elemente übersichtlich nach ihrer Ordnungszahl angeordnet. Häufig findet man im Periodensystem auch die Atommasse. Diese gibt an, welche Masse ein Atom eines chemischen Elements hat. Als Einheit der Atommasse gilt 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms, in dessen Kern sich 6 Protonen und 6 Neutronen befinden.

Wasserstoff

erl

Betrachte das Kästchen von Wasserstoff in einem Periodensystem. Hier ist auch die Atommasse angegeben, sie beträgt 1,008.

Wieso ist die Atommasse von Wasserstoff nicht genau 1?

Isotope – gleich und doch verschieden

Die Ursache dafür, dass die Atommasse von Wasserstoff nicht genau 1 ist, liegt darin, dass es vom Wasserstoff verschiedene Arten gibt. Ein „normales“ Wasserstoffatom besitzt in seinem Kern lediglich ein einzelnes Proton. Es gibt aber auch Wasserstoffatome, die im Kern zusätzlich noch ein Neutron haben. Diese sind daher doppelt so schwer. Diese Art von Wasserstoff wird „schwerer Wasserstoff“ oder Deuterium genannt.

Es gibt sogar Wasserstoff mit zwei Protonen im Kern: „überschwerer Wasserstoff“ oder Tritium.

Wasserstoff Deuterium Tritium

mp eV

Welche Masse hat ein Atom wirklich?

1 /12 der Masse eines Kohlenstoffatoms bezeichnet man als 1 Atomare Masseneinheit.

Diese ist so klein, dass man 1023 – das ist eine 1 mit 23 Nullen – davon benötigt, um eine Masse von 1 g zu erhalten. Daher wird die Atommasse meist nicht in g oder kg angegeben, sondern ohne Einheit als Vielfaches der Atomaren Masseneinheit.

Isotop: setzt sich aus den beiden griechischen Wörtern „isos“ (=gleich) und „topos“ (=Ort, Stelle) zusammen

Was ist Protium?

Nachdem Deuterium und Tritium eigene Namen haben, gibt es auch für den „normalen“ Wasserstoff eine eigene Bezeichnung. Da sein Kern nur aus einem Proton besteht, heißt er „Protium“

Isotope eines chemischen Elements verhalten sich chemisch gleich, besitzen im Kern aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen.

Mit der Atommasse wird die durchschnittliche Masse eines Atoms angegeben.

Wasserstoff besteht zum Großteil aus „normalem“ Wasserstoff. Etwa ein Atom von 10 000 ist aber ein Deuterium- oder Tritiumatom. 10 000 Wasserstoffatome sind also etwas schwerer als 10 000 Atome von „normalem“ Wasserstoff, daher ist ihre durchschnittliche Atommasse etwas größer als 1.

Oly

Ein Atom besteht aus dem Kern und der Hülle. Der Kern setzt sich aus elektrisch positiv geladenen Protonen und nicht geladenen Neutronen zusammen. Die Anzahl der Protonen ist die Ordnungszahl. Isotope sind unterschiedliche Arten von Atomen, die zwar dieselbe Anzahl von Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen im Kern besitzen.

Wasserstoff, Deuterium und Tritium haben im Kern jeweils ein einzelnes Proton.

Daher findet sich in ihrer Hülle auch nur ein einzelnes Elektron. Da die chemischen Eigenschaften eines Stoffes nur von den Hüllenelektronen abhängen, verhalten sich alle drei Arten von Wasserstoff gleich. Man findet sie im Periodensystem auch an derselben Stelle. Daher werden sie Isotope genannt.

Stoffe sind Isotopengemische

Die meisten chemischen Elemente können als unterschiedliche Isotope auftreten. Ein Stoff, der nur aus einem Element besteht, ist also ein Gemisch dieser Isotope. Da sich die verschiedenen Isotope jedoch bei chemischen Vorgängen gleich verhalten, fällt es im täglichen Leben nicht auf, dass eigentlich verschiedene Arten von Atomen vorhanden sind.

Außer beim Wasserstoff tragen die Isotope jedoch keine eigenen Namen. Wenn man also z. B. von „Kohlenstoff“ spricht, meint man damit immer das Gemisch seiner Isotope.

Radioaktivität

59

Im Jahr 1896 machte der französische Physiker Henri Becquerel eine überraschende Entdeckung. Er hatte Fotoplatten gemeinsam mit verschiedenen Mineralien in einem dunklen Raum gelagert. Nach einiger Zeit stellte Becquerel fest, dass die Fotoplatten so aussahen, als ob Licht darauf gefallen wäre.

erl

Was hatte Henri Becquerel entdeckt?

ag

12. ATOMKERNE KÖNNEN SICH VERÄNDERN

Die Fotoplatten waren so verpackt, dass kein Licht darauf fallen konnte. Einige der gelagerten Mineralien waren offensichtlich in der Lage, durch die Verpackung hindurch auf der lichtempfindlichen Schicht der Fotoplatten eine chemische Reaktion hervorzurufen.

mp eV

Becquerel schloss daraus, dass von diesen Mineralien eine Strahlung ausging, die die Schutzhülle durchdringen kann und die auf die Fotoplatten ähnlich wirkt wie Licht.

Henri Becquerel hatte die Radioaktivität entdeckt.

Was ist die Ursache für Radioaktivität?

Atomkerne können sich verändern. Bei dieser Veränderung entsteht Strahlung.

Im Kern herrschen gleichzeitig anziehende und abstoßende Kräfte. Ob insgesamt die einen oder die anderen überwiegen, hängt davon ab, wie viele Neutronen und Protonen im Kern vorhanden sind. Überwiegen die anziehenden Kräfte, dann ist der Kern stabil. Überwiegen jedoch die abstoßenden Kräfte, dann kann der Kern auseinanderbrechen. Dieses Auseinanderbrechen nennt man Zerfallen. Daher sind bei einem chemischen Element manche Isotope stabil, während andere zerfallen können, also radioaktiv sind. Durch den Zerfall entsteht aus einem Element ein anderes. Dabei wird Strahlung abgegeben.

Beim Zerfall von Atomkernen wird Strahlung abgegeben.

Warnung vor Radioaktivität

Stabile Isotope einiger Elemente: Element Isotope 1H, 2H Wasserstoff 3He, 4He Helium 12C, 13C Kohlenstoff 16O, 17O, 18O Sauerstoff 27Al Aluminium 54Fe, 56Fe, 57Fe, Eisen 58Fe 107Ag, 109Ag Silber 197Au Gold 196Hg, 198Hg, Quecksilber 199Hg, 200Hg, 201Hg, 202Hg, 204Hg,

Radioaktive Isotope

Die meisten Materialien, die du kennst, sind stabil, also nicht radioaktiv. Allerdings trifft das nicht für alle Isotope dieser Materialien zu. So sind beim Wasserstoff der „normale“ Wasserstoff sowie das Deuterium stabil, während Tritium radioaktiv ist.

Oly

Bei einem bestimmten chemischen Element unterscheiden wir also stabile und radioaktive Isotope. So gibt es auch beim Kohlenstoff zwei stabile Isotope, 12C und 13C, während andere Isotope wie 14C radioaktiv sind.

Blei (Pb) mit der Ordnungszahl 82 ist das schwerste Element, von dem es stabile Isotope gibt. Bei allen schwereren Elementen wie Uran (U) oder Plutonium (Pu) gibt es keine stabilen Isotope, sie sind also auf jeden Fall radioaktiv.

Das Metall Uran

Was ist künstliche Radioaktivität?

Nur wenige radioaktive Isotope kommen in der Natur vor. Jedoch können z. B. durch den Beschuss mit Neutronen aus vielen stabilen Atomen künstliche radioaktive Isotope hergestellt werden.

60

Radioaktivität Die Halbwertszeit

ag

Die Halbwertszeit ist die Zeit, nach der die Hälfte der Atomkerne eines radioaktiven Isotops zerfallen ist.

Halbwertszeiten können sehr unterschiedlich sein. Das Uran, das heute auf der Erde abgebaut wird und das für den Betrieb von Kernkraftwerken benötigt wird, stammt noch aus der Zeit, zu der unsere Erde entstanden ist. Die Halbwertszeit von 238U beträgt etwa 4,5 Mrd. Jahre. Daher kommt in der Natur auch heute noch Uran vor.

Andere radioaktive Elemente haben deutlich kürzere Halbwertszeiten. Viele der künstlich hergestellten Isotope zerfallen schon nach Bruchteilen von Sekunden.

mp eV

U: Uran I: Jod Pu: Plutonium Ra: Radium Cs: Cäsium Sr: Strontium H: Wasserstoff Co: Kobalt Rn: Radon Po: Polonium

Radioaktive Isotope zerfallen allerdings nicht sofort. Bei einem instabilen Atomkern dauert es meist einige Zeit, bis durch die Bewegung der Kernteilchen diese so angeordnet sind, dass der Kern zerfallen kann. Da die Bewegung der einzelnen Kernteilchen jedoch nicht genau vorhergesagt werden kann, kann man auch nicht erkennen, wann genau ein bestimmter Atomkern zerfallen wird. Man kann jedoch feststellen, dass nach einer gewissen Zeit die Hälfte aller Kerne eines bestimmten Isotops zerfallen ist. Diese Zeit nennt man Halbwertszeit.

erl

Halbwertszeiten einiger Isotope: Isotop Halbwertszeit 238U 4,5 Mrd. Jahre 235U 704 Mio. Jahre 129I 15,7 Mio. Jahre 239Pu 24 000 Jahre 226Ra 1 600 Jahre 137Cs 30,2 Jahre 90Sr 28,8 Jahre 3H 12,3 Jahre 60Co 5,3 Jahre 222Rn 3,8 Tage 212Po 0,000 000 3 sec

Sicherlich hast du schon von Unfällen in Kernkraftwerken gehört. Von welchen chemischen Elementen war dabei die Rede?

Das radioaktive Kohlenstoff-Isotop 14C hat eine Halbwertszeit von 5 730 Jahren. Das bedeutet, dass nach 5 730 Jahren nur noch die Hälfte der Atome vorhanden ist und nach 11 460 Jahren nur noch ein Viertel. Nach der 10-fachen Halbwertszeit ist nur noch ca. 0,1 % der ursprünglichen Menge an 14 14 C C vorhanden.

Radioaktives Material zerfällt nie völlig, allerdings wird seine Menge immer geringer.

14

nach

14

C 14

5 730

11 460

C

17 190

14

C

22 920 Jahren

Zerfall von 14C

Was geschieht beim radioaktiven Zerfall?

Wenn ein radioaktiver Atomkern zerfällt, werden Kernteilchen aus dem Atomkern herausgeschleudert. Häufig wird nicht ein einzelnes Kernteilchen abgegeben, sondern zwei Protonen und zwei Neutronen gemeinsam. Diese Kernteilchen stellen gemeinsam einen He-Kern dar.

Nach dem Zerfall entstehen also ein He-Atom sowie ein weiteres Atom, das leichter ist als das ursprüngliche.

Oly

Halbwertszeit und Aktivität eines radioaktiven Stoffes Die Aktivität eines Stoffes gibt an, wie viele Atome pro Sekunde zerfallen. Die Einheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq). Bei einer Aktivität von 1 Bq zerfällt ein Atom pro Sekunde.

Je kürzer die Halbwertszeit eines Isotops ist, desto mehr Atome zerfallen in jeder Sekunde. Daher ist die Aktivität umso größer, je kürzer die Halbwertszeit ist.

0

C

Diese Art des Zerfalls nennt man α-Zerfall (Alpha-Zerfall).

Radioaktivität

61

–

α- und β-Strahler ƒ α-Strahler sind Isotope, die α-Strahlung abgeben.

Sie verwandeln sich dabei in Isotope des chemischen Elements, dessen Ordnungszahl um 2 kleiner ist. ƒ β-Strahler geben beim Zerfall Elektronenstrahlung ab. Der neue Kern hat um 1 Proton mehr, die Ordnungszahl erhöht sich daher um 1.

erl

ag

e Wenn man von „Radioaktivität“ spricht, handelt es sich nicht immer um einen Zerfall im eigentlichen Sinne. Häufig kommt es auch zu einer Umwandlung eines Kernteilchens in ein anderes, ohne dass sich dabei die Massenzahl ändert. So zerfällt etwa Tritium (3H) in ein Isotop des Heliums (3He) mit derselben Masse. Dabei wird ein elektrisch neutrales Neutron des H-Atoms in ein positiv geladenes Proton umgewandelt. Um die Ladung auszugleichen, wird ein negativ geladenes Elektron abgestrahlt. Diese Art des Zerfalls nennt man β-Zerfall (Beta-Zerfall).

Ebenso kann ein Neutron abgestrahlt werden. Dadurch kommt es zu einer Verringerung der Atommasse.

Arten der Strahlung beim radioaktiven Zerfall

mp eV

Je nachdem, woraus die Strahlung besteht, unterscheiden Physiker und Physikerinnen mehrere Arten von Strahlung: ƒ α-Strahlung (Alpha-Strahlung): Diese Strahlung entsteht beim α-Zerfall. Die α-Strahlung ist eine Teilchenstrahlung, die aus He-Kernen besteht.

angeregter Zustand: Zustand mit hoher Energie

ƒ β-Strahlung (Beta-Strahlung): Auch diese Strahlung ist eine Teilchenstrahlung.

Allerdings handelt es sich bei den Teilchen um Elektronen, die beim β-Zerfall entstehen.

Überlege: Wie verhält sich radioaktive Strahlung in einem elektrischen Feld? Welche Art von Strahlung wird wie beeinflusst?

ƒ γ-Strahlung (Gamma-Strahlung): Nach einem radioaktiven Zerfall befinden sich die entstandenen Atomkerne in einem angeregten Zustand. Sie besitzen daher überschüssige Energie. Diese Energie geben sie in Form von sehr energiereicher elektromagnetischer Strahlung ab. Dadurch gehen sie in einen energieärmeren Zustand über. γ-Strahlung tritt immer beim α- oder β-Zerfall auf. ƒ Neutronenstrahlung: Bei vielen radioaktiven Zerfällen werden auch einzelne Neutronen abgestrahlt. Die Neutronenstrahlung ist ebenfalls eine Teilchenstrahlung.

Kernreaktionen

Oly

Radioaktive Zerfälle laufen spontan ab. Das heißt, dass sie ohne Einfluss von außen auftreten. Es ist jedoch auch möglich, dass Atomkerne durch eine Einwirkung von außen dazu gebracht werden zu zerfallen. So einen von außen hervorgerufenen Zerfallsprozess nennt man Kernreaktion.

Kernreaktionen werden in Kernreaktoren zur Energiegewinnung genutzt. Kerne von 235 U werden dazu mit Neutronen 140 Cs beschossen. Dadurch zerfallen die Urankerne und geben dabei Energie N ab. Außerdem werden dabei weitere 235 U Neutronen abgestrahlt, die weitere γ Urankerne zum Zerfallen bringen.

N Die beim Zerfall entstehenden N Atomkerne sind ebenfalls radioaktiv.

92

Rb

Warum kann Radioaktivität gefährlich sein?

Vorgänge in Atomkernen sind mit einer sehr großen Energie verbunden.

Daher besitzen auch die abgestrahlten Teilchen eine sehr hohe kinetische Energie. Auch die entstehende γ-Strahlung ist sehr energiereich. Trifft die Strahlung auf deinen Körper, wird diese Energie auf einem sehr kleinen Raum abgegeben. Das kann dazu führen, dass Zellen in deinem Körper zerstört werden oder Veränderungen in den Informationen der Zellkerne auftreten.

62

Radioaktivität Was bleibt nach dem Zerfall übrig?

Materie kann nicht einfach verschwinden. Daher verschwindet auch ein Atomkern nach dem radioaktiven Zerfall nicht. Er wandelt sich in einen anderen Atomkern um.

Ein Atom des Uran-Isotops 238U ist ein α-Strahler. Nach seinem Zerfall, bei dem es 2 Protonen und 2 Neutronen abgibt, verringert sich seine Ordnungszahl um 2 und sein Atomgewicht um 4. So entsteht ein Isotop des Thoriums mit dem Atomgewicht 234: 234Th. Dieses ist ebenfalls radioaktiv und zerfällt weiter.

N

ag

Erkläre deinem Sitznachbarn/deiner Sitznachbarin, warum die Linie bei einem α- bzw. einem β-Zerfall so wie im Diagramm aussieht!

238

145

α-Strahler 234

β-Strahler

Th

140

230

226

Massenspektrometer

Pa

erl

234

222

135 214

Betrachte die Abbildung! Hier siehst du die radioaktive Zerfallsreihe von 238U. Es sind zahlreiche radioaktive Zerfälle notwendig, bis schließlich ein stabiles Element entsteht, das nicht mehr weiter zerfällt: Das Blei-Isotop 206Pb.

U

218

U

Th

Ra

Auf der waagrechten Achse des Diagramms ist die Ordnungszahl, also die Anzahl an Protonen, aufgetragen, auf der senkrechten die Anzahl der Neutronen.

Rn

Po

mp eV

Pb

234

214

130

Wozu werden Massenspektrometer noch verwendet?

Mit diesen Geräten kann man untersuchen, aus welchen chemischen Elementen ein bestimmtes Material aufgebaut ist. So kann man z. B. feststellen, ob Material, das man am Ort eines Verbrechens gefunden hat, mit Material an einem anderen Ort übereinstimmt.

210

Bi

214

Po

Ti

210

Pb

210

Bi

210

125

206

Po

Pb

80

85

90

Im Diagramm sind sowohl α- als auch β-Zerfälle zu sehen. Bei einem α-Zerfall wandert die Linie um 2 nach links und um 2 nach unten. Bei einem β-Zerfall wandert die Linie Z um 1 nach unten und um 1 nach rechts.

Betrachte den rot markierten Bereich! Das Wismut-Isotop 214Bi zerfällt fast immer mit einem β-Zerfall, dadurch entsteht das Polonium Isotop 214Po. Manchmal zerfällt es aber auch mit einem α-Zerfall, was zum Thallium-Isotop 210Tl führt. 214Po ist ein α-Strahler und zerfällt zu 210Pb. 210Tl ist ein β-Strahler und wird ebenfalls zu 210Pb. Ab diesem Isotop ist der Zerfall wieder eindeutig.

Für jedes radioaktive Isotop gibt es so eine Zerfallsreihe. Innerhalb einer Zerfallsreihe treten sehr unterschiedliche Halbwertszeiten auf. Beim Zerfall von 238U in 234U beträgt sie ca. 4,5 Mrd. Jahre, beim Zerfall des Radon-Isotops 218Rn in 214Rn jedoch nur 35 ms. Jede radioaktive Zerfallsreihe endet bei einem stabilen Isotop.

Oly

Wie kann man ein Isotop bestimmen?

Isotope desselben Elements unterscheiden sich nicht durch ihre chemischen Eigenschaften, sondern nur durch ihre Masse. Protonen können durch ein Magnetfeld abgelenkt werden. In einem Massenspektrometer wird das Element, das untersucht werden soll, Magnet verdampft und ionisiert. Der Ionenstrahl wird in ein Magnetfeld gro ße geleitet. Die ablenkende Kraft wirkt Ma sse nur auf die Protonen. Je schwerer ein Atomkern jedoch ist, desto größer ist seine Trägheit. Deshalb Ionenquelle werden leichtere Isotope stärker Detektoren abgelenkt. ine

kle

sse

Ma

Atomkerne, die nicht stabil sind, zerfallen und geben Strahlung ab. Es gibt α-, β-, γund Neutronenstrahlung.

Die Zeit, in der die halbe Menge eines radioaktiven Stoffes zerfallen ist, nennt man Halbwertszeit.

Radioaktive Stoffe zerfallen in mehreren Schritten einer Zerfallsreihe, bis ein stabiles Element entsteht.

Radioaktivität 63

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Name des Elements

Ordnungszahl

ag

1) Chemische Elemente – Vervollständige diese Tabelle! Tipp: Verwende dazu das Periodensystem auf S. 173 deines Buches! %%% Atommasse

Rubidium

Anzahl der Neutronen

85

30

erl

56 Lithium

4

79

118

Quecksilber

Welches Atom wird hier dargestellt?

121

34

Schreibe das Symbol und die Massenzahl richtig an! %%

mp eV

16

2) Die Halbwertszeit – In dieser Liste findest du die Halbwertszeiten einiger Isotope. Zeichne in das Diagramm ein, wie die Masse dieser Isotope abnimmt, wenn zu Beginn jeweils 1 kg vorhanden war!

Verwende für die Kurven unterschiedliche Farben und beschrifte sie! %%%%

1 kg

500 g

Oly

250 g

Halbwertszeiten einiger Isotope (gerundet): 24

Na: Mg: 48 Cr: 55 Co: 62 Zn: 29

15 h 21 h 22 h 18 h 9h

125 g 62,5 g

6

12

18

1 Tag

6

12

18

2 Tag

6

12

18

3 Tag

6

12

18

4 Tag

Stunden/ Tage

3) Beschreibe mit eigenen Worten: Was versteht man unter der Aktivität eines radioaktiven Stoffes? %%

fi

64 Radioaktivität

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

9

Neptunium 237 (Ordnungszahl 93) hat eine Halbwertszeit von ca. 2 Mio. Jahren.

Durch α-Zerfall wird es zu einem Protactinium-Isotop. Dieses geht durch β-Zerfall in Uran 233 über. Danach schließen 2 weitere α-Zerfälle an, die zunächst ein Thorium- und danach ein Radium-Isotop hervorbringen. Der nächste Schritt in der Zerfallsreihe ist ein β-Zerfall zu Actinium 225. Es folgen 3 weitere α-Zerfälle zu Francium, Astat und schließlich zu Wismut. Wismut 213 kann auf zweifache Art und Weise zerfallen: Entweder durch α-Zerfall, dann entsteht daraus Thallium 209, oder durch β-Zerfall in Polonium 213. Beide Zerfallsprodukte von Wismut 213 werden schließlich zu Blei 209. Dabei handelt es sich um ein instabiles Blei-Isotop, das mit einer Halbwertszeit von ca.

3 Stunden durch β-Zerfall in Wismut 209 übergeht.

N

erl

145

ag

4) Radioaktive Zerfallsreihe – Lies diesen Text über die Zerfallsreihe von Neptunium 237 (237Np)!

Zeichne dann die Zerfallsreihe in das Diagramm ein! Verwende die richtige Beschriftung für die Isotope! %%%%

140

mp eV

135

130

125

80

Z 85

90

beim Zerfall abgestrahlte Elektronen (T)

Halbwertszeit

Summe der Protonen und Neutronen im Kern (A)

Alpha-Strahlung

Atomkerne mit gleich vielen Protonen aber einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen (Ä)

Oly

Massenzahl

radioaktiv

Zeit, nach der die Hälfte der Atomkerne zerfallen ist (K)

Ordnungszahl

kennzeichnet instabile Atomkerne (I)

Gamma-Strahlung

von außen hervorgerufener Zerfallsprozess (T)

Kernreaktion

beim Zerfall abgestrahlte Helium-Kerne (T)

Isotope

energiereiche elektromagnetische Strahlung, die beim Zerfall abgegeben wird (I)

Beta-Strahlung

gibt die Zahl der Protonen im Kern an (V)

LÖSUNGSWORT:

.

.

.

.

.

.

.

.

.

fi

5) Fachbegriffe – Wenn du den Buchstaben hinter der richtigen Erklärung vor den jeweiligen Begriff schreibst, erhältst du ein Lösungswort, das angibt, wie stark ein radioaktiver Stoff strahlt. %%

Radioaktivität

65

Was geschieht, wenn man sich einen Sonnenbrand holt?

mp eV

Das Licht der Sonne setzt sich aus elektromagnetischer Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen zusammen. Je kürzer die Wellenlänge der Strahlung ist, desto höher ist ihre Energie. Für den Sonnenbrand verantwortlich ist die energiereiche UV-Strahlung, die in die Haut eindringt und dort die Zellen schädigt.

Die Folge ist eine leichte Verbrennung, die zu einer Rötung der Haut führt: der Sonnenbrand.

Je mehr Energie in einer Strahlung steckt, desto gefährlicher ist sie. Ab einer bestimmten Energie ist diese so groß, dass sie die Elektronen aus der Hülle von Atomen schlagen kann. Durch die Strahlung werden so Ionen erzeugt, daher spricht man von ionisierender Strahlung.

Man unterscheidet drei unterschiedliche Arten von ionisierender Strahlung: 1. α-Strahlung

Diese Strahlung entsteht nur bei radioaktiven Zerfällen. Sie besteht aus α-Teilchen. Die Energie dieser Teilchen ist millionenfach größer als die von sichtbarem Licht. Wenn α-Teilchen irgendwo auftreffen, stoßen sie nacheinander mit mehreren Teilchen zusammen und geben dabei jeweils einen Teil ihrer Energie ab. Die Stöße liegen sehr nah beieinander, daher erzeugt α-Strahlung zahlreiche Ionen in einem kleinen Bereich. Sie dringt daher nicht sehr tief ein, sondern gibt ihre gesamte Energie an der Oberfläche ab.

2. β-Strahlung

Oly

Welche Strahlung kommt von der Sonne?

Neben sichtbarem Licht, IRund UV-Strahlung sendet die Sonne auch sehr energiereiche Teilchenstrahlung aus. Diese trifft auf die Erdatmosphäre und gibt dort ihre Energie ab, bevor sie die Erdoberfläche erreicht. Diese Strahlung nennt man auch „Höhenstrahlung“.

erl

Am Wochenende arbeitet Valentinas Vater im Garten. Schon nach kurzer Zeit wird ihm in der Sonne warm und er zieht sein Hemd aus. Als er am Nachmittag mit der Gartenarbeit fertig ist und ins Haus kommt, ruft Valentinas Mutter erschrocken: „Du hast ja einen furchbaren Sonnenbrand!“ Deutlich ist zu sehen, wo das Unterhemd die Haut geschützt hat und wo die Sonne die Haut verbrannt hat.

ag

13. IONISIERENDE STRAHLUNG

Auch die Elektronen der β-Strahlung geben ihre Bewegungsenergie in mehreren Stößen an andere Teilchen ab. Allerdings sind Elektronen kleiner als die α-Teilchen. Daher dringen sie tiefer in das Material ein.

Zusätzlich erzeugen Elektronen bei ihren Stößen auch sehr energiereiche elektromagnetische Strahlung.

Wie kannst du dich vor Sonnenbrand schützen?

Wie wirkt dieser Schutz?

Wie wird die Energie von Strahlung angegeben?

Ein Elektron, das durch eine elektrische Spannung von 1 V beschleunigt wird, erhält dadurch eine Energie von 1 eV (Elektronenvolt). Das eV ist die Maßeinheit der Energie von Teilchen, aber auch von Strahlung.

Energie in eV: Wärmeenergie eines Moleküls bei Raumtemperatur Infrarot-Strahlung sichtbares Licht UV-Strahlung

3. energiereiche elektromagnetische Strahlung

Röntgenstrahlung

Elektromagnetische Strahlung, deren Energie etwa doppelt so groß ist wie die von sichtbarem Licht, kann Ionen erzeugen, also ionisieren. Je nach Wellenlänge der Strahlung unterscheidet man UV-Strahlung, Röntgenstrahlung und γ-Strahlung.

γ-Strahlung

0,03 eV

0,001 – 1,6 eV 1,6 – 2,9 eV 2,9 – 1000 eV 1– 120 keV mehr als 120 keV

66

Radioaktivität Röntgenstrahlung

ag

Elektronen können durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden. Auf diese Weise können sie sehr hohe Energie erhalten. Treffen die Elektronen danach auf ein Hindernis aus Metall, werden sie abgebremst und geben ihre Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung ab – der Röntgenstrahlung.

Die Röntgenstrahlung kann auf zwei verschiedene Arten entstehen:

erl

1. Die energiereichen Elektronen schlagen andere Elektronen aus den inneren Elektronenschalen der Metallatome. Diese „Löcher“ in den Elektronenschalen werden durch Elektronen aus höheren Schalen wieder aufgefüllt. Beim „Springen“ von einer äußeren in eine innere Schale geben die Elektronen Energie in Form von Strahlung ab. Diese Energie ist immer gleich groß, daher ist auch die Wellenlänge der abgegebenen Röntgenstrahlung Strahlung immer gleich groß. Sie ist charakteristisch für das Metall, aus dem das Hindernis besteht. Daher spricht man von Wasser „charakteristischer RöntgenK A (Kühlung) strahlung.“

mp eV

Wilhelm Conrad Röntgen Der deutsche Physiker Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte 1895 eine Strahlung, die er „X-Strahlung“ nannte. Dafür erhielt er 1901 als Erster den Nobelpreis für Physik.

Später wurden die Strahlen in „Röntgenstrahlen“ umbenannt. Im Englischen heißen sie heute noch „x-rays“.

Uh

Ua

Röntgenröhre: In der Heizspule K (Kathode) werden die Elektronen freigesetzt und durch eine elektrische Spannung zur Metallplatte A (Anode) beschleunigt.

Diese wird sehr heiß, sodass sie mit Wasser gekühlt werden muss.

2. Die Elektronen werden zwischen den Atomen des Hindernisses gleichmäßig abgebremst. Die Energie, die dabei verloren geht, wird als Strahlung abgegeben.

Diese Strahlung bezeichnet man als „Bremsstrahlung“.

Moderne Röntgenröhre

Die energiereiche Röntgenstrahlung geht durch deinen Körper hindurch. Dabei wird sie jedoch abgeschwächt. Dichteres Gewebe wie Knochen schwächen sie stärker ab als weniger dichtes wie Muskel. Nachdem sie durch deinen Körper gedrungen ist, kann die Röntgenstrahlung auf einer Filmplatte sichtbar gemacht werden. So entsteht ein Röntgenbild.

abschirmen: etwas zurückhalten, sich vor etwas schützen

radioaktive Quelle: radioaktiver Gegenstand, der Strahlung abgibt

Kann man sich vor Strahlung schützen?

Oly

Ionisierende Strahlung kann im Körper großen Schaden anrichten. Ihre Energie wird auf das Gewebe übertragen. Die Strahlung kann Zellen zerstören oder Veränderungen im Zellkern hervorrufen. Solche Veränderungen können zu Krankheiten wie Krebs führen.

Daher ist es notwendig, sich vor starker ionisierender Strahlung zu schützen. Je nachdem, um welche Art von Strahlung es sich handelt, kann sie auf verschiedene Weise abgeschirmt werden.

ƒ α-Strahlung: Die α-Teilchen geben ihre Energie durch Stöße in einem sehr kleinen Bereich ab. Ihre Reichweite ist so gering, dass sie in Luft bereits in einer Entfernung von ca. 10 cm zu einer radioaktiven Quelle vollständig abgebremst werden. Daher reicht schon ein Blatt Papier, um sie abzuhalten.

Radioaktive Quellen

Radioaktivität Intensität: Stärke

ag

ƒ β-Strahlung: Auch diese Strahlung hat nur eine geringe Reichweite. Je nach Energie der Strahlung reicht sie in Luft einige cm bis einige m. Bereits eine dünne Metallfolie reicht aus, um β-Strahlung abzuschirmen.

67

Glimmer: Mineral, das in sehr dünne Schichten gespalten werden kann

erl

ƒ γ-Strahlung: Von Luft wird diese Strahlung überhaupt nicht abgehalten, da es sich bei ihr um eine elektromagnetische Strahlung handelt. Trifft diese Strahlung auf einen festen Körper, dann dringt sie sehr tief ein. Dabei wird sie abgeschwächt. In einer gewissen Tiefe ist ihre Intensität nur noch halb so groß. In der doppelten Tiefe hat sie auf ein Viertel abgenommen. Sie wird nie vollständig abgeschirmt, sondern nimmt nur immer weiter ab. γ-Strahlung wird umso stärker abgeschwächt, je höher die Ordnungszahl des abschirmenden Materials ist. Daher verwendet man meist Blei, um sich vor γ-Strahlung zu schützen.

Röntgenstrahlung kann ebenso wie γ-Strahlung durch Blei abgeschwächt werden.

Strahlungsmessung mit dem Geigerzähler Metallrohr

Draht

Isolator

mp eV

Gasfüllung

Glimmer

Das Geiger-Müller-Zählrohr, meist nur Geigerzähler genannt, nutzt die ionisierende Wirkung von Strahlung, um diese zu messen.

α-Teilchen el. Entladung

Dieses Gerät besteht aus einem Rohr aus Metall, in Widerstand dem sich ein dünner Draht Spannungsquelle befindet. Zwischen Draht und Rohr herrscht eine elektrische Spannung. Das Rohr, das auf einer Seite mit einer dünnen Folie aus Glimmer verschlossen ist, ist mit Gas gefüllt. Die Folie muss so dünn sein, dass α- oder β-Strahlung hindurchtreten kann.

Glimmerfenster

Zähler

Oly

Fällt ionisierende Strahlung durch das Fenster in das Rohr, wird das Gas ionisiert.

Dadurch entstehen Ionen, die eine Entladung zwischen dem Rohr und dem Draht bewirken. So entsteht ein kurzer Stromimpuls, der verstärkt wird und über einen Lautsprecher ein Klicken erzeugt. Ein eingebautes Zählwerk zeichnet auf, wie häufig es klickt. Je häufiger es klickt, desto stärker ist die Strahlung.

Das Dosimeter

Personen, die häufig mit ionisierender Strahlung zu tun haben, tragen meist ein kleines Messgerät am Körper. Dieses Dosimeter zeichnet die Strahlungsmenge auf, die auf sie einwirkt. Sobald die Strahlungsmenge einen bestimmten Wert übersteigt, dürfen sie sich keiner weiteren Strahlung mehr aussetzen. So soll sichergestellt werden, dass keine gesundheitlichen Schäden auftreten.

Wie funktioniert ein Dosimeter?

Im Inneren des Dosimeters befindet sich ein spezieller Film. Trifft Strahlung auf, kommt es zu einer chemischen Reaktion.

Nach dem Entwickeln des Films kann man anhand der Schwärzung feststellen, wie viel Strahlung aufgetroffen ist.

In welchen Berufen hat man mit ionisierender Strahlung zu tun?

α-, β-, γ-, UV- und Röntgenstrahlung sind ionisierende Strahlungen. α-Strahlung kann durch ein Blatt Papier und β-Strahlung durch eine dünne Metallfolie abgeschirmt werden, γ- und Röntgenstrahlung jedoch nur mit einer dicken Bleischicht.

Strahlung misst man mit dem Geigerzähler oder mit dem Dosimeter.

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Radioaktivität

14. RADIOAKTIVITÄT IN DER PRAXIS

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ag

Im Fernsehen sieht Marcel einen Bericht über den Eismenschen vom Hauslabjoch, der im Jahr 1991 an der Grenze zwischen Österreich und Italien im Eis eines Gletschers gefunden wurde. Im Bericht wird erwähnt, dass „Ötzi“ vor 5 250 Jahren gelebt hat.

Marcel möchte wissen, wie man auf dieses Alter gekommen ist und fragt in der nächsten Physikstunde seinen Lehrer danach. „Die Altersbestimmung erfolgt mit der Radiokarbonmethode“, erklärt der Lehrer.

Was ist die Radiokarbonmethode?

Wie du schon gehört hast, gibt es bei radioaktiven Materialien eine Halbwertszeit.

Ein radioaktives Material ist das Kohlenstoffisotop 14C. Dieses Isotop weist einige Besonderheiten auf:

ƒ

14

C wird durch die Höhenstrahlung immer wieder neu gebildet, daher ist in der Atmosphäre immer gleich viel davon vorhanden.

mp eV

Wie bestimmt man das Alter von Gesteinen?

Mineralien wie Glimmer oder Feldspat enthalten Kalium (K), unter anderem auch das radioaktive Isotop 40K. Beim Zerfall entsteht das stabile Edelgas Argon (Ar). Solange ein Gestein flüssig ist, entweicht das 40Ar. Erstarrt es, bleibt das 40Ar im Gestein. Durch Messung des Verhältnisses zwischen 40K und 40Ar kann so der Zeitpunkt ermittelt werden, zu dem das Gestein erstarrt ist.

Mit dieser Methode kann das Alter von Gesteinen bis zu einem Alter von 4,6 Mrd. Jahren bestimmt werden.

Auch das Alter von Meteoriten kann so ermittelt werden.

Wann lebten die Dinosaurier auf der Erde, wann traten die ersten Vorfahren des Menschen auf?

ƒ Lebewesen bestehen zu einem großen Teil aus Kohlenstoff. Während des Lebens wird gemeinsam mit „normalem“ Kohlenstoff auch das radioaktive Isotop 14C in das Körpergewebe eingebaut. Sein Anteil ist jedoch so gering, dass es dem Körper nicht schadet.

ƒ Sobald ein Lebewesen stirbt, wird kein neues 14C mehr aufgenommen. Das bereits im Körper vorhandene 14C zerfällt entsprechend seiner Halbwertszeit.

Findet man Überreste eines Lebewesens, das vor langer Zeit gelebt hat, kann man anhand der Menge an vorhandenem 14C sein Alter bestimmen. Dazu vergleicht man die von 14C stammende Radioaktivität in den gefundenen Überresten mit der Radioaktivität, die üblicherweise vorliegt.

Daher heißt dieses Verfahren auch die Radiokarbonmethode, da radioaktiver Kohlenstoff (Karbon) zur Altersbestimmung herangezogen wird.

Andere Arten von radioaktiver Altersbestimmung Die 14C-Methode funktioniert bis zu einem Alter von ca. 60 000 Jahren. Das entspricht etwa der 10-fachen Halbwertszeit.

Nach dieser Zeit ist nur noch so wenig 14C vorhanden, dass es kaum noch gemessen werden kann.

Oly

Was ist die relative Altersbestimmung?

Häufig findet man kein radioaktives Isotop mit geeigneter Halbwertszeit in Überresten von Lebewesen.

Dann bestimmt man deren Alter anhand des Alters der Gesteinsschichten, in denen sie gefunden worden sind.

ƒ Die Halbwertszeit von 14C beträgt 5 730 Jahre.

Höhlenbären lebten zwischen 400 000 und 28 000 Jahren vor unserer Zeit. Ihr Alter wird mithilfe des Thoriumisotops 230Th bestimmt.

Will man das Alter von älteren Überresten von Lebewesen bestimmen, muss man daher auf radioaktive Isotope mit größeren Halbwertszeiten zurückgreifen. Auch das Alter von Gesteinen kann so bestimmt werden.

Radioaktivität

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Radioaktivität in der Medizin

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Tumor an einer Hundepfote

AKH: Allgemeines Krankenhaus

mp eV

Früher verwendete man zur Behandlung radioaktive Präparate aus dem radioaktiven Kobaltisotop 60Co. Da der Umgang mit radioaktiven Präparaten jedoch sehr gefährlich ist, werden „Kobaltkanonen“ heute kaum noch benutzt. Stattdessen werden zur Strahlenbehandlung meist Geräte eingesetzt, die Elektronen auf sehr hohe Geschwindigkeit beschleunigen. Die dabei entstehende Strahlung wird anschließend zur Behandlung verwendet.

Tumor: Körpergewebe, das aufgrund einer Erkrankung stark anwächst

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Die ionisierende Wirkung radioaktiver Strahlung wird häufig in der Medizin verwendet. Die hohe Energie, die in dieser Strahlung steckt, wird genutzt, um erkranktes Körpergewebe zu zerstören. Vor allem bei der Behandlung von Krebs bestrahlt man geziehlt Tumorgewebe. Meist wird von mehreren Seiten gleichzeitig Strahlung auf den zu behandelnden Körperteil gerichtet. Dadurch wird das gesunde Gewebe wenig geschädigt und nur dort, wo sich die Strahlen treffen, entfalten sie ihre Wirkung.

Beschleuniger für die Strahlentherapie

Radioaktives 60Co wird jedoch immer noch beim „Gamma-Knife“ eingesetzt. Dabei handelt es sich um ein Gerät, das aus bis zu 200 winzigen 60Co-Quellen besteht, die wie ein Helm den Kopf umgeben. Aus diesen Quellen werden dünne γ-Strahlen auf eine kleine Stelle des Gehirns gelenkt. So können Gehirnoperationen an Stellen durchgeführt werden, die sonst nicht zugänglich wären. In Österreich gibt es ein einziges Gamma-Knife, es befindet sich im AKH in Wien.

Patientin mit Gamma-Knife

Markieren mit radioaktiven Isotopen

Scan: Verfahren, bei dem etwas abgetastet wird

Was geschieht bei der Computertomografie?

Beim CT werden von einem Computer viele einzelne Röntgenbilder zu einem räumlichen Abbild des Körperinneren zusammengefügt.

Oly

Manchmal möchte man wissen, wohin im Körper ein bestimmter Stoff gelangt und in welchen Organen er sich ansammelt. In diesem Fall mischt man diesem Stoff radioaktive Isotope bei und spritzt ihn in die Blutbahn. Anschließend kann man anhand der vom Körper abgegebenen Strahlung seinen Verlauf nachvollziehen.

PET: Positronen-EmissionsTomografie (Positronen: Teilchen, die beim radioaktiven Zerfall entstehen; Emission: Abgabe; Tomografie: Verfahren, das die räumliche Struktur eines Gegenstandes abbildet)

Beim PET-Scan verwendet man dieses Verfahren, um ähnlich wie bei einem Röntgenbild das Innere des Körpers darzustellen.

Dieselbe Methode verwendet man auch, um den Verlauf von Flüssigkeiten zu verfolgen. So kann man ein radioaktives Präparat ins Grundwasser einbringen und feststellen, an welcher Stelle genau dieses Wasser wieder als Quelle zutage tritt. Auch undichte Stellen in Rohrleitungen lassen sich so aufspüren.

Darstellung eines gesunden Gehirns im PET-Scan

CT-Aufnahme des Gehirns

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Radioaktivität Radioaktivität in der Technik

mp eV

Wie werden bestrahlte Lebensmittel gekennzeichnet?

Das Radura-Symbol deutet darauf hin, dass damit gekennzeichnete Lebensmittel bestrahlt worden sind. In Österreich dürfen nur getrocknete Kräuter und Gewürze auf diese Weise haltbar gemacht werden. In anderen Ländern dürfen jedoch auch zahlreiche andere Lebensmittel bestrahlt werden.

Diesen Effekt nutzt man für die Materialprüfung. Beim Schweißen werden zwei Metallteile mit flüssigem Metall verbunden. Manchmal bilden sich dabei kleine Luftbläschen. Dadurch wird an dieser Stelle die Schweißnaht weniger fest. Mithilfe von radioaktiver Strahlung können solche Stellen gefunden werden, bevor die Schweißnaht reißt. Dabei wird eine γ-Strahlungsquelle auf eine Seite der Schweißnaht gehalten und ein Geigerzähler auf die andere. Ändert sich die Anzeige des Geigerzählers an einer Stelle, dann ist Geigerzähler dort das Material nicht in Ordnung.

Da diese Untersuchung möglich ist, ohne das Material dabei Schweißnaht Schweißnaht zu zerstören, spricht man mit Luftblase von „zerstörungsfreier Strahlungsquelle Materialprüfung“.

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Beim Elektroschweißen wird Metall durch elektrischen Strom erhitzt und verflüssigt.

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γ-Strahlen werden abgeschwächt, wenn sie einen Gegenstand durchdringen. Ist dieser Gegenstand wie ein Stück Metallblech gleichmäßig dick, dann werden sie überall gleich abgeschwächt. Ist das Blech jedoch nicht überall gleich dick, dann wird die Strahlung unterschiedlich stark abgeschwächt.

Radioaktivität in der Lebensmitteltechnik Hast du dich schon einmal gefragt, warum manche Tomaten sehr lang frisch bleiben, während andere schon nach kurzer Zeit verderben? Viele Obst- und Gemüsesorten werden nach dem Ernten einer starken ionisierenden Strahlung ausgesetzt. Diese durchdringt die Früchte und tötet dabei alle Bakterien und Pilze ab, die die Früchte faulen lassen würden. So können sie über große Strecken transportiert werden und sehen danach im Laden immer noch frisch aus.

Radioaktivität und Landwirtschaft

Ionisierende Strahlung kann Veränderungen im Erbmaterial, so genannte Mutationen, hervorrufen.

Werden bestrahlte Pflanzensamen angepflanzt, so können auf diese Weise Pflanzen mit völlig neuen Eigenschaften entstehen. Einzelne Pflanzen mit für die landwirtschaftliche Produktion vorteilhaften Eigenschaften können in der Folge ausgewählt werden.

Oly

Mit radioaktiven Isotopen kann das Alter von Gesteinen oder von Überresten von Lebewesen bestimmt werden. In der Medizin dient Strahlung zum Behandeln von Krankheiten und zum Sichtbarmachen des Körperinneren. Ionisierende Strahlung wird auch zur Materialprüfung, zum Haltbarmachen von Lebensmitteln und zum künstlichen Hervorrufen von Mutationen verwendet.

Auch größere Gegenstände oder Bauwerke wie Schiffe oder Brücken können so auf Schwachstellen untersucht werden.

So entstehen Pflanzen mit besonders großen Früchten, Pflanzen die unempfindlich gegen Schädlinge sind, oder solche, die besonders viel Ertrag liefern.

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Radioaktivität 71

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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ag

1) Ionisierende Strahlung – Um welche Art von Strahlung handelt es sich? Kreuze richtig an! %%

α-Strahlung β-Strahlung γ-Strahlung

e–

α-Strahlung

α-Strahlung

β-Strahlung

β-Strahlung

γ-Strahlung

γ-Strahlung

mp eV

2) Schutz vor Strahlung – Welcher dieser Gegenstände schützt vor welchen Strahlungen? Kreuze an! %%

α-Strahlung

α-Strahlung

α-Strahlung

α-Strahlung

α-Strahlung

β-Strahlung

β-Strahlung

β-Strahlung

β-Strahlung

β-Strahlung

γ-Strahlung

γ-Strahlung

γ-Strahlung

γ-Strahlung

γ-Strahlung

3) Strahlungsmessgeräte – Lies die beiden Texte über Messgeräte durch und finde die passende Überschrift! %%

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Oly

Im Inneren des Messgerätes befindet sich ein kleines Stückchen Kunststofffolie, auf das eine lichtempfindliche chemische Verbindung aufgebracht wurde. Diese Folie steckt in einer lichtundurchlässigen Hülle. Ionisierende Strahlung kann diese Hülle durchdringen und löst in der chemischen Verbindung eine Reaktion aus. Durch diese Reaktion verfärbt sich die zuvor durchsichtige Folie an dieser Stelle und wird dunkel. Je dunkler die Folie nach einer gewissen Zeit ist, desto mehr Strahlung hat die Person abbekommen.

Dieses Messgerät misst also die Menge an ionisierender Strahlung, der eine Person ausgesetzt ist, solange sie es bei sich trägt.

Dieses Messgerät besteht aus einem Metallrohr, das mit Gas gefüllt ist. Entlang der Achse des Rohres ist ein dünner Draht angebracht. Zwischen dem Draht und dem Rohr wird eine elektrische Gleichspannung angelegt. Sobald Strahlung durch ein dünnes Fenster aus Glimmer in das Rohr eintritt, überträgt sie ihre Energie auf die Teilchen des Gases und ionisiert diese. Das ionisierte Gas leitet den elektrischen Strom, sodass dieser zwischen dem Draht und dem Rohr fließen kann. Ein kleiner Lautsprecher erzeugt mithilfe dieses Stroms ein Klickgeräusch und ein Zähler registriert das ankommende Teilchen der Strahlung.

Dieses Messgerät dient zum Messen von ionisierender Strahlung.

72 Radioaktivität

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

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ag

4) Wann lebten Mammuts? – Lies diesen Text und überlege, an welche Stelle des Textes der Satz im Kästchen gehört! Male den entsprechenden Buchstaben mit einem Buntstift an! %%%

Nachdem sie gestorben sind, wird kein Kohlenstoff mehr aufgenommen.

A Die Altersbestimmung mithilfe des radioaktiven

erl

Kohlenstoffisotops 14C hat ihren Ursprung in der Erdatmosphäre.

B Dort trifft energiereiche Strahlung aus dem Weltall auf

Kohlenstoffatome und löst eine Reaktion aus, die 14C hervorbringt.

C Es mischt sich mit den bereits vorhandenen stabilen Kohlenstoffisotopen C und C. D Lebewesen nehmen diese Mixtur mit der Atmung und mit der Nahrung auf. E Daher ist 13

mp eV

12

dieselbe Verteilung der drei Isotope auch in den Körpern von Mammuts zu finden – solange sie leben.

F Finden Forscher und

Forscherinnen später die Knochen eines Mammuts, so können sie bestimmen, wie viel 14C noch

G Da man die Halbwertszeit von C kennt, kann man ableiten, vor wie vielen Jahren das Mammut gestorben ist. H Daher weiß man heute, dass die letzten dieser riesigen Tiere vor etwa vorhanden ist.

14

4 000 Jahren auf einer Insel vor der Nordküste Sibiriens gelebt haben.

6) Suche dir zwei der Begriffe aus und erkläre sie deinem Sitznachbarn/deiner Sitznachbarin! %%%%

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Oly

5) Begriffe zur Radioaktivität – In diesem Wortsuchrätsel sind 10 Begriffe zur Radioaktivität versteckt.

Finde sie und schreib sie auf den Block daneben! %%%

Radioaktivität

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Sicherlich hast du schon einmal im Fernsehen oder in einer Zeitung ein Atomkraftwerk (AKW) gesehen. In so einem Kraftwerk wird durch den Zerfall radioaktiver Stoffe viel elektrische Energie gewonnen.

Wie gewinnt man Energie aus Atomkernen?

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15. DIE KRAFT DER KERNSPALTUNG

Ba N

235

N

U

Beim Beschießen mit Neutronen zerfallen jedoch nur die Kerne des UranIsotops 235U. Dabei wird sehr viel Energie freigesetzt. Zusätzlich werden noch zwei Neutronen abgestrahlt.

mp eV

139

erl

Im Jahr 1938 machte der deutsche Wissenschaftler Otto Hahn eine überraschende Entdeckung. Er beschoss eine Uran-Probe mit Neutronen und stellte fest, dass danach im Uran auch leichtere Elemente zu finden waren. Er vermutete, dass durch den Neutronenbeschuss Uran-Kerne in kleinere Kerne „zerplatzen“. Seine Mitarbeiterin, die österreichische Wissenschaftlerin Lise Meitner, bestätigte seine Vermutung und berechnete die Energie, die dabei frei wird. Die beiden hatten die Kernspaltung entdeckt.

N

Woher stammt die freigesetzte Energie?

95

Kr

Lise Meitner und Otto Hahn im Labor

Im Jahr 1905 entdeckte der deutsche Physiker Albert Einstein, dass Energie und Masse in einer engen Beziehung zueinander stehen. Er fand die berühmte Formel

E = m • c²

Nach dieser Formel lässt sich eine Masse (m) in Energie (E) umwandeln. Die Menge an Energie erhält man, indem man die Masse mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit (c) multipliziert. Da c sehr groß ist, ist auch die Energie sehr groß, die einer bestimmten Masse entspricht.

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Die Masse des 235U-Kerns und des Neutrons, mit dem es beschossen wird, ist größer als die gemeinsamen Massen der Kerne und Neutronen nach dem Zerfall. Die Energie, die beim Zerfall frei wird, stammt aus der Differenz der Massen und entspricht der in der Einsteinschen Formel: E = m • c².

Aus einem Zerfall werden viele – die Kettenreaktion

Um einen 235U-Kern zum Zerfallen zu bringen, muss man ihn mit einem Neutron beschießen. Beim Zerfall selbst werden zwei Neutronen freigesetzt. Diese können wiederum andere 235U-Kerne spalten.

Kettenreaktion

Mit jedem Schritt verdoppelt sich die Zahl der gespaltenen Kerne: 1 – 2 – 4 – 8 – 16 – … Wenn du diese Reihe weiterführst, wirst du feststellen, dass die Zahlen sehr rasch sehr groß werden.

Wo hast du sonst schon einmal den Begriff „Kettenreaktion“ gehört?

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Radioaktivität Von der Kettenreaktion zum Kernreaktor

ag

In dem Teil eines Kernkraftwerks, in dem die Kernreaktionen stattfinden, befinden sich Uranstäbe (1). Diesen Teil nennt man Kernreaktor. Die Uran- oder Brennstäbe sind in einen Wassertank (2) eingetaucht. Zwischen den Brennstäben sind Regeloder Steuerstäbe (3) angebracht. Bei den Kernreaktionen entsteht Wärme, die auf das Wasser übertragen wird. Über einen Wärmetauscher (4) wird Dampf erzeugt, der eine Turbine (5) antreibt. Diese produziert mithilfe eines Generators (6) elektrischen Strom (7).

Der Dampf wird über einen weiteren Wärmetauscher (8) abgekühlt. Dazu wird meist Wasser aus einem nahen Gewässer (9) entnommen, das in einem Kühlturm (10) seine Wärme abgibt, bevor es ins Gewässer zurückfließt.

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Uran muss angereichter werden Kernspaltung ist nur mit 235U möglich. In der Natur kommt Uran als Isotopengemisch von 235U und 238U vor. Der Anteil von 235U beträgt nur etwa 0,7 %.

Für eine Kettenreaktion sind jedoch etwa 5 % erforderlich. Man muss daher den 235U-Anteil durch Anreichern erhöhen.

3

4

5

6

7

anreichern: einen Anteil erhöhen

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1

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Inneres eines Kernreaktors; das blaue Leuchten nennt man Tscherenkow-Strahlung. Sie entsteht beim Abbremsen schneller Teilchen im Wasser.

Olympisches Schwimmbecken mit einer Länge von 50 m

Wasser

Brennstab

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Die Neutronen in einem Kernreaktor

Die Neutronen, die bei der Kernspaltung frei werden, sind sehr schnell. 235U kann jedoch nur langsame Neutronen einfangen. Umgekehrt werden schnelle Neutronen sehr leicht von 238U eingefangen. Daher müssen die Neutronen abgebremst werden, bevor sie auf 238U treffen. Zum Abbremsen benötigt man schnelles 235 U Materialien mit leichten Atomkernen Neutron 238 U wie Wasserstoff oder Kohlenstoff. Das langsames Wasserstoffatom im Wasser zwischen den Neutron Brennstäben erfüllt diese Funktion. Die schnellen Neutronen übertragen auf deren Kerne durch zahlreiche Stöße Energie, bis sie langsam genug sind, um von 235U eingefangen zu werden. Das Material, das zum Abbremsen verwendet wird, nennt man Moderator. Anstelle von Wasser wird manchmal auch Grafit eingesetzt.

Oly

Wie viel Energie steckt in Uran?

Aus einem kg Uran kann durch Kernspaltung so viel Energie gewonnen werden wie aus ca. 2 Mio. Liter Benzin. Um diese Menge an Benzin zu lagern, brauchst du ein 50 m langes Schwimmbecken.

Brennstab

8

10

Pro Zerfall entstehen mehrere Neutronen, allerdings darf davon nur eines zu einem weiteren Zerfall führen, da sonst die Kettenreaktion zu einer Explosion führen würde.

Daher müssen überschüssige Neutronen abgefangen werden. Dies geschieht durch Steuerstäbe aus dem Metall Cadmium (Cd), die sich zwischen den Brennstäben befinden. Je tiefer diese Steuerstäbe in den Reaktor eintauchen, desto mehr Neutronen fangen sie ab.

Radioaktivität

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Wo findet man Kernreaktoren?

Kernreaktoren findet man auch auf einigen Schiffen. So werden manche Flugzeugträger und Unterseeboote mit Energie versorgt, die aus einem Kernreaktor stammt. Aber auch einige Eisbrecher werden so angetrieben.

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Atombetriebenes U-Boot

mp eV

Atombetriebener Flugzeugträger

Anzahl von Kernkraftwerken in Ländern USA 100 Frankreich 58 Japan 50 Russland 33 Deutschland 9 Tschechien 6 Schweiz 5 Ungarn 4 Slowakei 4 Slowenien 1

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Die meisten Kernreaktoren werden eingesetzt, um elektrische Energie zu erzeugen.

Solche Kernreaktoren bezeichnet man als Kernkraftwerke. Derzeit findet man in 31 Ländern insgesamt 434 Reaktoren. Diese liefern etwa 11 % der weltweit benötigten elektrischen Energie.

Eine andere Methode der Energieerzeugung aus radioaktiven Zerfällen wird in Atombatterien genutzt. Diese werden vor allem in Raumsonden eingesetzt. In Atombatterien kommt es zu keiner Kettenreaktion. Stattdessen wird die Wärme von spontanen Zerfällen genutzt, um elektrischen Strom zu erzeugen.

Gefahren der Kernenergie

Kernreaktoren sind Anlagen, die ständig in einem kritischen Bereich betrieben werden. Werden zu wenig Neutronen erzeugt, kommt die Reaktion zum Erliegen. Sind jedoch zu viele Neutronen an der Kettenreaktion beteiligt, kann es auch sehr gefährlich werden. Wird mehr Wärme erzeugt, als durch Kühlung abgeleitet werden kann, kann der Reaktor so heiß werden, dass das radioaktive Material zu schmelzen beginnt. Man spricht dann von einer Kernschmelze. Dadurch wird die Hülle des Reaktors beschädigt und große Mengen von radioaktivem Material können austreten.

Oly

Tschernobyl: In diesem ukrainischen Kernkrawerk kam es 1986 zu einem Störfall. Dadurch schmolz der Reaktorkern und das Grafit, das als Moderator verwendet wurde, begann zu brennen. Das radioaktive Material, das dabei freigesetzt wurde, wurde durch den Wind über große Teile Europas verteilt und erreichte auch Österreich.

Fukushima: 2011 trat vor der japanischen Küste eines der stärksten je gemessenen Erdbeben auf. In der Folge überschwemmte eine Flutwelle weite Teile der Küste des Landes und beschädigte auch das Kernkrawerk in Fukushima. Dadurch fiel die Kühlung aus und es kam zu einer Kernschmelze. Radioaktives Material trat aus und machte große Flächen unbewohnbar.

Auch ohne Unfälle treten große Probleme auf. Nach dem „Verbrennen“ des 235U enthalten die Brennstäbe ein Gemisch zahlreicher radioaktiver Isototpe. Diese geben so viel Wärme ab, dass die verbrauchten Brennstäbe jahrelang in Wasser gelagert werden müssen, bevor sie abtransportiert werden können.

Raumsonde: Gerät, mit dem unser Sonnensystem erforscht wird

Wo werden Atombatterien noch eingesetzt?

Früher setzte man solche Batterien dort ein, wo man über lange Zeit Elektrizität benötigte und die Batterien nicht austauschen konnte.

So verwendete man auch in Herzschrittmachern Atombatterien.

Heute setzt man sie z. B. in Leuchttürmen ein, zu denen man keine Stromleitung legen kann.

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Radioaktivität GAU und Super-GAU

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Um einen Kernreaktor sicher betreiben zu können, muss die Kühlung funktionieren.

Daher gibt es neben der eigentlichen Kühlung noch zusätzlich ein Notkühlsystem.

Der „Größte Anzunehmende Unfall“ (GAU) in einem Reaktor tritt dann ein, wenn die Kühlung ausfällt, das Notkühlsytem jedoch noch funktioniert. Bei einem SuperGAU fällt auch die Notkühlung aus – eine Kernschmelze ist die Folge.

Was geschieht mit radioaktivem Abfall?

Reaktor in Fukushima vor …

Erinnere dich an die Halbwertszeit von radioaktiven Isotopen! Manche sind nur sehr kurzlebig, einige haben jedoch auch sehr lange Halbwertszeiten.

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In verbrauchten Brennstäben sind sehr viele unterschiedliche Isotope enthalten.

Unmittelbar nachdem sie aus dem Kernreaktor entfernt worden sind, geben die kurzlebigen Isotope so viel Wärme ab, dass sie für einige Jahre im Wasser in einem Abklingbecken gelagert werden müssen. Sobald die Strahlung etwas abgeklungen ist, gibt es zwei Möglichkeiten, die Kernstäbe zu entsorgen: 1. Der Brennstab wird zerteilt und die Teile landen in einem Endlager.

2. Der Brennstab wird in einer Wiederaufbereitungsanlage bearbeitet. Dabei wird das unverbrauchte 235U herausgelöst und für neue Brennstäbe genutzt. Der Rest des Brennstabs kommt in ein Endlager.

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… und nach dem Super-GAU abklingen: weniger werden deponieren: aufbewahren, lagern

Radioaktive Abfälle stammen nicht nur aus Kernreaktoren.

Wo können solche Abfälle sonst noch entstehen?

Was geschieht im Endlager?

Solange ionisierende Strahlung abgegeben wird, ist der Abfall aus Kernreaktoren gefährlich. Daher muss man dafür sorgen, dass Menschen, aber auch Tiere und Pflanzen nicht dieser Strahlung ausgesetzt werden. Da viele Isotope jedoch sehr lange Halbwertszeiten haben, muss auch der Schutz vor Strahlung sehr lange wirksam bleiben – teilweise für viele Millionen Jahre.

Es gibt keine Möglichkeit, radioaktiven Abfall tatsächlich unschädlich zu machen.

Während andere Abfälle z. B. bei hoher Temperatur verbrannt werden können, bleibt ein radioaktives Isotop immer radioaktiv, egal wie man es behandelt.

Daher werden radioaktive Abfälle an Orten deponiert, von denen man hofft, dass sie dort der Natur und dem Menschen auch in ferner Zukunft keinen Schaden anrichten können. ƒ Tiefsee: Früher wurden radioaktive Abfälle häufig an tiefen Stellen ins Meer gekippt.

Seit 1993 ist diese Form der Endlagerung jedoch verboten.

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Wie werden Kernkraftwerke geschützt?

Da bei Störungen in einem Kernkraftwerk sehr große Schäden auftreten können, werden sie besonders geschützt. So müssen Kernkraftwerke so gebaut werden, dass sie sogar einen Flugzeugabsturz überstehen können.

Außerdem werden Standorte für solche Kraftwerke sehr sorgfältig ausgewählt.

Gebiete, in denen Erdbeben auftreten können, kommen dafür nicht in Frage.

ƒ Vergraben: Schwach radioaktive Materialien werden häufig nur vergraben. So können sie zu einem späteren Zeitpunkt wieder ausgegraben und anders gelagert werden.

Vergraben von radioaktivem Abfall

ƒ Bergwerke: Die Abfälle werden in Fässern möglichst tief unter der Erdoberfläche gelagert. Die Bergwerke werden anschließend verschlossen.

Endlagerung im Bergwerk

Radioaktivität

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Kernreaktoren in Österreich

Bei diesen Reaktoren handelte es sich jedoch nicht um Kernkraftwerke, da sie keinen elektrischen Strom produzierten. In ihnen wurden Kernreaktionen lediglich zum Erforschen der Strahlung und von Kernzerfällen hervorgerufen. Daher nennt man sie Forschungsreaktoren.

Von diesen drei Reaktoren ist jedoch heute nur noch der in Wien in Betrieb. Die anderen beiden wurden vor einigen Jahren stillgelegt.

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Atomkraft in Österreich

Nachdem in zahlreichen anderen Ländern Kernkraftwerke Strom erzeugten, sollte die Kernkraft auch in Österreich genutzt werden. Es war geplant, insgesamt drei Atomkraftwerke (AKW) in Österreich zu errichten: in Zwentendorf (NÖ), in St. Pantaleon-Erla (NÖ) und in St. Andrä (Ktn).

Kernkraftwerk in Zwentendorf

1971 wurde mit dem Bau des ersten Kraftwerks in Zwentendorf begonnen. Bevor dieses Kraftwerk jedoch in Betrieb gehen konnte, kam es zu Protesten der österreichischen Bevölkerung gegen die Atomkraft. Unter dem Schlagwort „Atomkraft? – Nein Danke!“ forderten die Gegner und Gegnerinnen, die Atomkraft in Österreich nicht zu nutzen. 1978 wurde eine Volksabstimmung über diese Frage abgehalten.

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Eine knappe Mehrheit sprach sich gegen die Nutzung der Atomenergie aus. Das Parlament beschloss daher das Atomsperrgesetz. Zwentendorf wurde nie in Betrieb genommen und der Bau der anderen Kernkraftwerke gar nicht erst begonnen.

Symbol der Atomkraftgegner 1978

Atomausstieg in Europa

Proteste gegen die Kernenergie gab es in den meisten Ländern, die Atomkraftwerke betreiben. Nach der Katastrophe von Fukushima wurden diese Proteste so stark, dass einige dieser Länder sich entschlossen, in Zukunft auf die Nutzung der Kernkraft zu verzichten.

Was bedeutet der Atomausstieg?

Die Länder, die sich zum Ausstieg aus der Kernenergie entschlossen haben, verzichten auf die Planung und den Bau neuer Kernkraftwerke. Bereits vorhandene Kraftwerke bleiben jedoch meist noch in Betrieb. Nur einige Länder gingen so weit, auch bestehende Kernkraftwerke abzuschalten.

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Kernreaktor im Prater (Wien)

Alliierte: England, Frankreich, Sowjetunion, USA

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Nach dem Zweiten Weltkrieg war Österreich von den Alliierten besetzt. Bis zum Abschluss des Staatsvertrags im Jahr 1955 war es Österreich verboten, sich mit Kernreaktoren zu beschäftigen. Doch bald danach wurde der erste Kernreaktor in Österreich geplant und 1960 in Seibersdorf (NÖ) in Betrieb genommen.

1962 folgten ein Reaktor im Prater in Wien und 1965 ein weiterer Reaktor in Graz.

Atomkraft weltweit: Italien: Bereits nach der Katastrophe in Tschernobyl legte Italien seine vier Kernkraftwerke still. Italien war das erste Land, das seine Kernkraftwerke abgeschaltet hat.

Litauen: Auch Litauen hat seine beiden Kernkraftwerke abgeschaltet.

Belgien, Deutschland, Schweiz, Spanien: In diesen Ländern sind zwar noch Kernkraftwerke in Betrieb, allerdings wurde beschlossen, diese in den nächsten Jahren abzuschalten.

Zahlreiche andere Länder wie die USA, Japan oder Frankreich halten jedoch an der Kernenergie fest und errichten neue Kernkraftwerke.

Andere Länder wie Polen oder die Türkei, die bisher keine Kernkraftwerke betrieben haben, wollen erstmals solche Kraftwerke errichten.

Wie ist deine Meinung zur Atomkraft? Diskutiert in der Klasse darüber!

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Radioaktivität Atomkraft als Waffe

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Manchmal können jedoch auch schnelle Neutronen von einem 235U-Kern eingefangen werden und so einen Zerfall auslösen. In einer kleinen Kugel aus 235U geschieht dies jedoch nur sehr selten, da die meisten Neutronen die Kugel verlassen, bevor sie von anderen Kernen eingefangen werden. Ist die Kugel jedoch groß genug, dann werden genügend Neutronen eingefangen, damit eine Kettenreaktion einsetzen kann. Die Menge an 235U, bei der das geschieht, nennt man „kritische Masse“.

Die Atombombe

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Wie groß ist die kritische Masse?

Bei 235U beträgt die kritische Masse, die für eine Atomexplosion erforderlich ist, 49 kg, bei 239Pu (Plutonium) liegt sie bei 10 kg. Dies gilt jedoch nur dann, wenn das Material kugelförmig ist. Bei anderen geometrischen Formen erhöht sich die kritische Masse.

Wie du beim Kernreaktor gehört hast, sind die Neutronen, die beim Zerfall eines 235 U-Kerns entstehen, zu schnell, um einen anderen Kern zum Zerfallen zu bringen. Sie müssen erst abgebremst werden, um eine Kettenreaktion hervorzurufen.

Bringt man zwei oder mehrere unterkritische Massen von 235U zueinander, dann wird die kritische Masse erreicht und die Kettenreaktion setzt ein. Innerhalb kürzester Zeit wird sehr viel Energie frei, die zu einer Explosion führt – die Atomexplosion.

Atombombe: durch die Explosion von „normalem“ Sprengstoff werden zwei unterkritische Massen von 235U aufeinander geschossen, sodass eine kritische Masse entsteht.

mp eV

unterkritisch: hier: weniger als die kritische Masse Fallout: radioaktiver Niederschlag

In seinem Buch „Sadako will leben“ beschreibt der österreichische Schriftsteller Karl Bruckner, welche Auswirkungen der Atombombenabwurf in Japan hatte. Informiere dich über dieses Buch!

Bei einer Atomexplosion wird sehr viel Energie frei. Temperaturen von mehreren Mio. °C, eine starke Druckwelle sowie ionisierende Strahlung können ganze Städte zerstören. Die USA setzte gegen Ende des Zweiten Weltkriegs zwei Atombomben gegen Japan ein. Dabei wurden die beiden Städte Hiroshima und Nagasaki getroffen.

92 000 Menschen wurden dabei sofort getötet, weitere 130 000 fanden innerhalb weniger Monate den Tod. Hiroshima nach der Atomexplosion

oberirdisch: über der Erdoberfläche

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Neutronen können in radioaktivem Material eine Kettenreaktion hervorrufen.

In einem Atomkraftwerk (AKW) wird so elektrische Energie gewonnen. Die Nutzung der Kernenergie ist mit großen Gefahren verbunden. In Österreich gilt das Atomsperrgesetz.

Mit radioaktivem Material können auch Atombomben hergestellt werden.

Die Zerstörung durch eine Atomexplosion ist enorm. Langfristig sind jedoch auch die radioaktiven Isotope, die dabei freigesetzt werden, gefährlich. Durch die Explosion werden sie in die Atmosphäre geschleudert und durch den Wind über eine große Fläche verteilt. Als „Fallout“ gelangen sie mit dem Regen wieder auf den Boden und bleiben dort für eine lange Zeit.

Um ihre Atomwaffen zu entwickeln, führten einige Länder in der 2. Hälfte des 20. Jhs. hunderte Tests durch. Bei den oberirdischen Tests wurden dabei große Mengen an radioaktivem Material freigesetzt, das über die gesamte Erdoberfläche verteilt wurde. Als man die Gefahr erkannte, die von radioaktivem Fallout ausgeht, wurden in der Folge die meisten Tests unterirdisch durchgeführt.

Typische pilzförmige Wolke bei einem Atomtest (Atompilz)

Radioaktivität

79

16. ENERGIE AUS KERNVERSCHMELZUNG

ag

Wie du im vorherigen Kapitel gelernt hast, haben die Spaltprodukte einer Kernspaltung eine etwas geringere Masse als der ursprüngliche Kern. Der Masseunterschied wird nach der Einstein-Formel E = m • c² in Energie umgewandelt.

Energieerzeugung in der Sonne

H

mp eV

Hast du dich schon einmal gefragt, woher die Energie kommt, die die Sonne seit Milliarden von Jahren abgibt? In ihrem Inneren herrschen Bedingungen, die für das Verschmelzen von H-Kernen erforderlich sind. Hier beträgt die Temperatur ca. 15 Mio. °C, der Druck liegt bei ca. 200 Mrd. bar. Die Sonne besteht zum Großteil aus Wasserstoff, der in ihrem Inneren vollständig ionisiert ist. Das heißt, dass die Elektronen der Hüllen abgespalten worden sind. Diesen Zustand bezeichnet man als Plasma.

Durch den hohen Druck und die hohe 1 1 1 1 H H H H Temperatur können die Protonen der 1 H-Kerne die abstoßenden Kräfte über1 winden. Die Protonen der 1H-Kerne kommen einander so nahe, dass sie verschmelzen (1). Dabei wird ein Proton in 2H 1H 1H 2H ein Neutron umgewandelt, es entsteht Deuterium. Ein D-Kern verschmilzt mit 2 einem weiteren 1H-Kern zu 3He (2). In der Folge verschmelzen zwei 3He-Kerne zu 3He 3He einem 4He-Kern. Dabei werden zwei Protonen abgegeben (3). Bei diesen Vorgängen wird sehr viel Energie freigesetzt, 3 die die Sonne abstrahlt.

1

1

4

H

He

Masse wird geringer p Energiegewinn

m2

erl

Bei leichten Atomkernen ist es genau umgekehrt. Die gemeinsame Masse von vier 1H-Kernen ist etwas größer als die Masse eines 4He-Kerns. Bei der Verschmelzung von H-Kernen zu He tritt ebenfalls ein Masseunterschied auf, der als Energie freigesetzt wird. Diese Verschmelzung bezeichnet man als Kernfusion.

Fusion: Verschmelzung

Aber nicht nur He entsteht durch Fusion.

Alle schwereren Elemente sind durch Fusion aus Wasserstoff entstanden.

Wie ist die Sonne aufgebaut?

Oly

Die Sonne besteht zu ca. 92 % aus Wasserstoff. Ca. 8 % ihrer Masse macht Helium aus, das durch Fusion entstanden ist. Zusätzlich gibt es noch geringe Anteile von schwereren Elementen, die ebenfalls in der Sonne gebildet worden sind.

Nur im Inneren, dem Kern, kommt es zur Kernfusion. In der Konvektionszone wird die entstandene Wärme nach außen transportiert. Die Temperatur nimmt nach außen hin ab. An der Oberfläche beträgt sie nur noch etwa 6 000 °C.

Alle sichtbaren Sterne sind wie die Sonne aufgebaut. Mitunter können Sterne auch explodieren. Dabei werden die in einem Stern gebildeten schweren Elemente in den Weltraum geschleudert. Alle schweren Elemente, aus denen das Sonnensystem und damit auch wir selbst bestehen, sind die Überreste so einer Sternexplosion.

Kern

m1

Spaltung: m1 > m2

m1

m2

Fusion: m1 > m2

Sobald kein Wasserstoff mehr zum „Verbrennen“ vorhanden ist, explodieren schwere Sterne in einer sogenannten Supernova. Dabei wird die im Inneren des Sterns gebildete Materie in den Weltraum geschleudert.

Konvektionszone

Oberfläche

80

Radioaktivität Energieerzeugung durch Kernfusion

ag

Die Bedingungen, wie sie im Inneren der Sonne herrschen, können auf der Erde nicht genau nachgebildet werden. Daher wird als Ausgangsmaterial nicht „normales“ H verwendet, sondern eine Mischung aus Deuterium und Tritium. Um diese beiden Kerne zur Reaktion zu bringen, ist eine Temperatur von ca. 100 Mio. °C erforderlich.

3

2

H

N

4

H

He

Damit bei dieser hohen Temperatur der Reaktor nicht „verbrennt“, greift man zu einigen Tricks. Da das im Reaktor erzeugte Plasma elektrisch leitfähig ist, kann es durch ein starkes Magnetfeld in einem ringförmigen Hohlraum in Drehung versetzt werden.

Dieses Magnetfeld dient auch dazu, das Plasma auf die erforderliche Temperatur zu bringen.

Sobald die Temperatur hoch genug ist, kommt es zur Fusion. Dabei werden Neutronen mit sehr hoher Energie freigesetzt, die nicht durch das Magnetfeld festgehalten werden.

Diese transportieren die Energie nach außen und geben sie an die Wand des Reaktors ab. Durch Kühlflüssigkeit wird die Wärme dann abgeleitet und zur Stromerzeugung genutzt.

mp eV

Wie kam der Bikini zu seinem Namen?

Obwohl es bereits in der römischen Antike zweiteilige Badeanzüge gab, wurde erst im Jahr 1946 diese Bademode wiederentdeckt. Der Erfinder des Bikinis, ein französischer Modeschöpfer, gab ihm den Namen des Bikini-Atolls, auf dem in diesem Jahr die ersten Atomwaffentests stattfanden.

Die Energie, die beim Verschmelzen von H-Kernen frei wird, ist sehr groß. Daher suchen weltweit Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen nach Möglichkeiten, diese Energie auch für die Stromerzeugung in Fusionsreaktoren zu nutzen.

erl

Erkläre deinem Sitznachbarn/deiner Sitznachbarin den Unterschied zwischen Kernspaltung und Kernverschmelzung!

Bisher ist es jedoch noch nicht gelungen, einen solchen Fusionsreaktor zu bauen.

Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen schätzen, dass es noch einige Jahrzehnte dauern wird, bis ein solcher Reaktor mehr Energie liefert, als zuvor zum Aufheizen des Plasmas hineingesteckt werden muss.

Kernfusion als Waffe

Darstellung eines Bikinis auf einem römischen Mosaik

Oly

In Sternen wie unserer Sonne wird durch das Verschmelzen von H-Kernen zu He-Kernen Energie freigesetzt.

In Fusionsreaktoren soll diese Energie für die Stromerzeugung genutzt werden.

In Wasserstoffbomben wird die Fusion durch eine Atomexplosion herbeigeführt.

Auch wenn es bisher nicht gelungen ist, die Kernfusion zur Stromerzeugung zu nutzen, so gelang es dennoch, Wasserstoff auf der Erde zur Verschmelzung zu bringen. In der Wasserstoffbombe werden der erforderlich Druck und die erforderliche Temperatur durch die Zündung einer Atombombe erzeugt. Die so frei werdende Energie ist wesentlich größer als bei einer Atombombe alleine.

In den 1950er-Jahren führte das amerikanische Militär mehrere Tests mit Wasserstoffbomben durch.

Diese Tests fanden auf dem Bikini-Atoll statt, einer Inselgruppe im Pazifischen Ozean.

Nuklearer Waffentest auf dem Bikini-Atoll, 1946

9

Radioaktivität 81

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag

1) Störfälle in grenznahen Kernkraftwerken – Lies diese Kurzmeldungen über Unfälle in Kernkraftwerken und schreibe die Namen der Kernkraftwerke in die Landkarte! %%

Grafenrheinfeld Obrigheim Neckarwestheim

Isar

Bohunice

mp eV

Leibstadt

Beznau Gösgen

Krsko, Juni 2008: Im Kühlsystem des slowenischen Kernkraftwerkes wurde ein Leck entdeckt. Daraufhin musste der Reaktor heruntergefahren werden.

erl

Gundremmingen, August 2013: Im bayrischen Atomkraftwerk Gundremmingen wurde bei einer Kontrolle ein Leck entdeckt, durch das ständig geringe Mengen an Kühlwasser austraten. Um den Schaden zu beheben, wurde der betreffende Kraftwerksblock vorübergehend abgeschaltet.

Paks

Dukovany, Februar 2010: In diesem Kraftwerk 100 km nördlich von Linz kam es zu einem Brand im Schalterraum.

Bereits 1994 führte ein Fehler eines Elektrikers zu einer Trennung des Kraftwerks von der Stromversorgung. Die Notstromaggregate, die eigentlich automatisch anlaufen sollten, mussten damals von Hand gestartet werden. So konnte ein Überhitzen und damit ein GAU vermieden werden.

Temelin, Februar 2007: Bei einem Störfall in dem ca. 100 km nördlich von Wien gelegenen Kernkraftwerk sind 2 000 Liter radioaktives Wasser ausgetreten. Ein Sprecher der staatlichen Elektrizitätsgesellschaft CEZ erklärte, ein Mitarbeiter habe möglicherweise vergessen, einen Hahn zu schließen. Das radioaktive Wasser sei aber in einem Becken aufgefangen worden.

Mochovce, April 2007: Laut der slowakischen Nuklearaufsichtsbehörde ist es am 1. April zu einem Zwischenfall gekommen. Bei einer Inspektion wären kleine Undichtheiten im Primärkreislauf entdeckt worden. Radioaktivität sei jedoch nicht ausgetreten.

2) Im Kernkraftwerk – Bringe die einzelnen Sätze über die Abläufe in einem Kernkraftwerk in die richtige Reihenfolge, indem du in die Kästchen die Zahlen von 1 bis 8 einträgst! Tipp: Die Buchstaben hinter den Sätzen ergeben ein Lösungswort. %%%%

Oly

Dadurch werden sie abgebremst. (K)

Einige dieser schnellen Neutronen werden von 238U-Kernen eingefangen. (T) Die 235U-Kerne werden gespalten und geben mehrere Neutronen ab. (N)

Sie stoßen mit den H-Kernen im Kühlwasser des Reaktors zusammen. (M)

1

Einzelne 235U-Kerne zerfallen spontan und geben schnelle Neutronen ab. (A)

Die langsamen Neutronen werden von 235U-Kernen eingefangen. (R) Andere verlassen den Brennstab. (O) Die abgebremsten langsamen Neutronen treten wieder in einen Brennstab ein. (E)

fi

LÖSUNGSWORT:

.

.

.

.

.

.

.

.

1

2

3

4

5

6

7

8

82 Radioaktivität

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

9

ag

3) Wege des Urans – Schreibe jeweils die richtigen Überschriften aus dem Kästchen zu den Texten! %%%

Wiederaufbereitung © Kernkraftwerk © Uranbergbau © Endlagerung © Brennelemente

erl

Die nicht mehr nutzbaren radioaktiven Abfälle werden in Beton oder Glas vergossen und in Endlagerstätten gebracht.

mp eV

Das Uranerz wird abgebaut. Dieses wird zunächst zerkleinert, dann wird mit chemischen Verfahren das Uran aus dem Erz herausgelöst.

Die Konzentration von 235U wird erhöht.

Das angereicherte Uran wird in Rohre gefüllt.

Die abgebrannten Brennstäbe enthalten noch unverbrauchtes 235U. Dieses wird herausgelöst und neuerlich in Brennstäben genutzt.

Die Kernreaktionen liefern Wärme, die Wasser verdampft. Der Dampf treibt eine Turbine an, die elektrischen Strom erzeugt.

Für Kernenergie:

Gegen Kernenergie:

1.

1.

2.

2.

3.

3.

fi

Oly

4) Atomkraft: Pro und Contra – Sammelt jeweils drei Argumente für und gegen die Nutzung der Kernenergie! Diskutiert anschließend in der Klasse darüber! %%%

Radioaktivität

83

Ist die natürliche Radioaktivität immer gleich?

Die natürliche Radioaktivität hängt stark davon ab, aus welchem Material der Gesteinsuntergrund eines Gebietes besteht. Die Stärke der Höhenstrahlung hängt von der Dicke der Lufthülle ab. So ist die Strahlenbelastung in einem hoch fliegenden Flugzeug stärker als am Boden.

erl

Emils Physiklehrerin hat am Wandertag ein Geiger-Müller-Zählrohr mitgenommen. Bei einem Gemüsefeld will sie ihren Schülerinnen und Schülern zeigen, wie dieses funktioniert.

Gleich nach dem Einschalten beginnt es zu klicken. Danach hält die Lehrerin das Zählrohr nacheinander an die Pflanzen und an den Boden. Beim Boden klickt das Zählrohr besonders stark.

ag

17. GEFAHREN DER RADIOAKTIVITÄT

Warum klickt das Zählrohr beim Einschalten?

mp eV

Ionisierende Strahlung gibt es überall. Wir sind von Gegenständen umgeben, die in geringen Spuren radioaktive Materialien enthalten. Diese Form der Radioaktivität nennt man „natürliche Radioaktivität“. Viele Gesteine enthalten Uran- oder Thoriumspuren. Besonders hoch ist dieser Anteil in Granit. Daher ist die natürliche Radioaktivität im Wald- und Mühlviertel höher als im Rest von Österreich. Eine weitere Quelle der natürlichen Radioaktivität ist die Höhenstrahlung. Dabei handelt es sich um energiereiche Strahlung von der Sonne, die unsere Atmosphäre durchdringt.

Auch wenn die natürliche Radioaktivität ein Geiger-MüllerZählrohr zum Klicken bringt, ist sie so gering, dass sie keine Gefahr darstellt.

Granitblöcke im Waldviertel

Wie wird Radioaktivität gemessen?

Je mehr Atomkerne eines Materials pro Sekunde zerfallen, desto größer ist seine Aktivität. Die Einheit der Aktivität wird nach dem Entdecker der Radioaktivität Becquerel (Bq) genannt.

1 Bq entspricht 1 Zerfall pro Sekunde.

Oly

Dabei wird nicht unterschieden, um welche Art von Zerfall es sich handelt. Die Wirkung von Radioaktivität auf Lebewesen und damit auch auf uns Menschen hängt davon ab, wie viel Energie durch die Strahlung auf den Körper übertragen wird. Da α-Strahlung kaum in den Körper eindringt, ist ihre Gefährlichkeit geringer als die von β- und γ-Strahlung. Die Strahlungsenergie, die im Körper eines Lebewesens abgegeben wird, ist die Äquivalentdosis. Sie wird in Sievert (Sv) angegeben.

1 Sv entspricht einer Energie von 1 J pro kg Körpergewicht.

Sobald wir ionisierender Strahlung ausgesetzt sind, wird die darin enthaltene Energie auf unser Körpergewebe übertragen. Dabei hängt es auch davon ab, in welchem Zeitraum diese Energie wirkt. Daher ist es für die Beurteilung der Gefährlichkeit von Radioaktivität auch notwendig, die Zeit anzugeben, in der unser Körper eine Äquivalentdosis aufnimmt. Die Äquivalentdosis der natürlichen Radioaktivität beträgt etwa 1 – 5 mSv (Millisievert) pro Jahr und gilt als ungefährlich.

Wie verbreiten sich die Spuren der radioaktiven Substanzen in den Gesteinen? Wo können sie überall hin gelangen?

Besprecht dies in der Klasse!

Wonach ist die Einheit Sievert benannt?

Der schwedische Physiker Rolf Maximilian Sievert beschäftigte sich damit, wie man sich vor ionisierender Strahlung schützen kann.

Die Einheit für die Äquivalentdosis ist nach ihm benannt.

84

Radioaktivität Welche Äquivalentdosis ist gefährlich?

2 – 6 Sv

6 – 10 Sv 10 – 20 Sv über 80 Sv

Auswirkungen keine Schäden erkennbar, langfristig erhöhtes Krebsrisiko Abnahme der Zahl der roten Blutkörperchen „Strahlenkater“: Kopfschmerzen „leichte Strahlenkrankheit“: Übelkeit, Erbrechen, 10 % der Betroffenen sterben innerhalb eines Monats „schwere Strahlenkrankheit“: Haarausfall, Durchfall, Blutungen im Mund und unter der Haut; bis zu 60 % der Betroffenen sterben innerhalb eines Monats Der Tod tritt innerhalb von 14 Tagen ein.

Der Tod tritt innerhalb von 7 Tagen ein.

Der Tod tritt sofort ein.

erl

bis 0,2 Sv 0,2 – 0,5 Sv 0,5 – 1 Sv 1 – 2 Sv

ag

Ist ein Mensch für kurze Zeit ionisierender Strahlung ausgesetzt, dann hat diese Strahlung Auswirkungen auf den Körper:

Für Personen, die beruflich ionisierender Strahlung ausgesetzt sind, sammelt sich die Äquivalentdosis meist über einen längeren Zeitraum an. Daher tragen diese Personen ein Dosimeter, an dem abgelesen werden kann, wie hoch ihre Strahlenbelastung ist. Zusätzlich zur natürlichen Radioaktivität darf die jährliche Äquivalentdosis, der sie ausgesetzt sind, 20 mSv nicht überschreiten.

mp eV

Was ist die Strahlenkrankheit?

Ionisierende Strahlung im Körper kann bewirken, dass sich einzelne Körperzellen nicht mehr teilen können.

Dadurch kann es zu Hautschäden, inneren Blutungen und zu einer Veränderung der Blutzusammensetzung kommen. Sind die Geschlechtsorgane betroffen, kann ionisierende Strahlung auch zu Unfruchtbarkeit führen.

Strahlung aus dem Inneren des Körpers Die äußersten Schichten unserer Haut schirmen den Körper vollständig vor α-Strahlung ab, sodass diese keinen Schaden im Körper anrichten kann. Gelangt radioaktives Material, das α-Strahlung abgibt, jedoch in den Körper, dann fehlt die Schutzfunktion der Haut. Die Energie der α-Strahlung wird dann auf sehr kleinem Raum auf das Körpergewebe übertragen. Das kann zu schweren Schäden oder Krebserkrankungen führen. Die Aufnahme von radioaktiven Stoffen in den Körper bezeichnet man als Inkorporation.

Strahlenbelastung durch Radon

Radon ist ein radioaktives Edelgas, das beim Zerfall anderer radioaktiver Elemente wie Uran entsteht. Es dringt dann durch Risse und Spalten aus dem Gestein und gelangt in die Luft. Da es sehr schwer ist, sammelt es sich vor allem in Kellern von Häusern, in Höhlen oder Bergwerken an.

Es löst sich auch im Grundwasser und kommt mit dem Quellwasser an die Erdoberfläche. Daher ist die Radonbelastung in Brunnen und in Wasserwerken manchmal sehr hoch.

Oly

Wirkt ionisierende Strahlung auf alle Lebewesen gleich?

Die Widerstandsfähigkeit gegen ionisierende Strahlung ist bei Lebewesen sehr unterschiedlich. Vor allem Insekten können einer viel höheren Strahlung ausgesetzt sein, ohne Schaden zu nehmen. So haben z. B. Küchenschaben die Atombombenexplosionen in Hiroshima und Nagasaki unbeschadet überlebt.

Küchenschabe

Was ist die Hauptursache für Lungenkrebserkrankungen?

Gemeinsam mit der Luft wird Radon von uns einund ausgeatmet. Einige Radon-Atome zerfallen jedoch in unseren Atemwegen. Die Zerfallsprodukte sind nicht gasförmig und bleiben im Inneren des Körpers, wo sie bereits nach kurzer Zeit weiter zerfallen. Auf diese Weise wird sehr viel Energie auf die Zellen der Umgebung abgegeben.

Man schätzt, dass etwa 10 % der Lungenkrebserkrankungen auf Radon zurückzuführen sind.

Radioaktivität

85

Inkorporation nach Reaktorunfällen

Was bewirkt die Einnahme von Kaliumiodidtabletten?

Strahlenbelastung nach Tschernobyl 137

Cs-Konzentration in kBq pro m2

ag

In Irinas Schule findet eine Strahlenschutzübung statt. Dabei wird den Schülern und Schülerinnen auch gezeigt, wo sich die Kaliumiodidtabletten befinden, die im Falle eines Atomunfalles eingenommen werden sollen.

10 bis 40 40 bis 185 über 185

Polen

Deutschland

1000 km

mp eV

Unser Körper benötigt zur Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen verschiedene chemische Elemente in geringen Spuren. Diese werden mit der Nahrung aufgenommen oder eingeatmet. Manche der radioaktiven Isotope nach einem Reaktorunfall sind Isotope dieser Elemente. Daher werden sie ebenfalls in den Körper aufgenommen und in unsere Organe eingebaut. Beim Zerfall können diese Isotope großen Schaden im Körper verursachen. Iod wird in der Schilddrüse benötigt. Durch die Kaliumiodidtabletten wird dem Köper eine große Menge von ungefährlichem Iod zugeführt, sodass er kein radioaktives Iod mehr aufnimmt.

Tschernobyl

CZ

Ukraine

SK

erl

Nach einem Unfall in einem Kernkraftwerk können große Mengen von radioaktiven Isotopen in die Atmosphäre gelangen, die durch den Wind über große Entfernungen transportiert werden können. Darunter befinden sich auch radioaktive Iod-Isotope. So war nach dem Reaktorunfall in Tschernobyl auch Österreich von radioaktivem Fall-Out betroffen.

Weißrussland

A

Ungarn

Slo

HR

MD Rumänien

BiH

SRB

BG

Nach dem Reaktorunfall in Tschernobyl verteilte sich strahlendes Material durch die radioaktive Wolke über ganz Europa.

Zivil- und Strahlenschutz in Österreich

Unter Zivilschutz versteht man alle Maßnahmen, mit denen im Falle von Katastrophen die Bevölkerung geschützt werden soll. Darunter fallen auch Maßnahmen im Fall eines Atomunfalls, bei dem sich eine Wolke aus radioaktivem Material gebildet hat, die über Österreich zieht.

In Österreich gibt es ca. 350 Messstationen, an denen ständig die Radioaktivität gemessen wird. Steigt die Radioaktivität so stark an, dass eine Gefahr für die österreichische Bevölkerung besteht, wird ein Strahlenalarm ausgelöst.

Sirenensignale in Österreich Warnung: Dauerton, 3 Minuten

Alarm: auf- und abschwellender Ton, ca. 1 Minute

Messstation für Radioaktivität

Oly

Du hörst eine Sirene! Was ist zu tun?

Entwarnung: Dauerton, 1 Minute

Zivilschutz- und damit auch Strahlenalarm wird durch eine Sirene ausgelöst. ƒ Suche einen geschlossenen Raum auf! Wenn du gerade in der Schule bist, bleib im Schulgebäude, auch wenn der Unterricht schon zu Ende ist!

ƒ Drehe das Radio auf! Dort erfährst du, was die Ursache für den Alarm ist und was du tun sollst. In der Schule sagen dir deine Lehrer und Lehrerinnen, wie du dich verhalten sollst.

ƒ Bewahre Ruhe und folge den Anweisungen!

Feuerwehralarm: 3 mal 15 Sekunden

Alarmsirenen werden regelmäßig überprüft. Wann hast du das letzte Mal so einen Probealarm gehört?

86

Radioaktivität Wie schützt man sich vor einer radioaktiven Wolke?

ag

Nicht nur in Österreich wird ständig die Radioaktivität gemessen, sondern auch in den meisten anderen Ländern. Daher weiß man schon vor dem Durchzug der Wolke darüber Bescheid und kann Vorsichtsmaßnahmen ergreifen:

erl

ƒ Bringe Gegenstände und Haustiere, die sich im Freien befinden, ins Haus! ƒ Schließe Fenster und Türen, dichte sie zusätzlich mit Klebebändern ab und schalte die Lüftung ab! ƒ Suche geschützte Bereiche wie Keller oder innenliegende Räume auf! ƒ Lass das Radio eingeschaltet!

Bleib während des Durchzugs der Wolke wenn möglich in einem geschlossenen Raum! Wenn du trotzdem ins Freie musst, beachte Folgendes: ƒ Schütze deinen Körper! Trage leicht zu reinigende Kleidung, die möglichst die ganze Körperoberfläche bedeckt! ƒ Trage im Freien eine Atemmaske oder halte ein feuchtes Tuch vor Mund und Nase! ƒ Beim Betreten eines Hauses ziehe Schuhe und Oberbekleidung vor der Eingangstür aus!

Wasche dich gründlich und dusche dich ab!

mp eV

Das österreichische Strahlenschutzgesetz In Österreich wird durch das Strahlenschutzgesetz geregelt, wie Schutzmaßnahmen vor ionisierender Strahlung aussehen müssen. Es regelt auch, wie mit radioaktiven Stoffen und Abfällen umgegangen werden muss.

Weiters werden durch dieses Gesetz Grenzwerte festgelegt, bis zu denen ionisierende Strahlung ungefährlich ist.

Wie würde sich dein Leben ändern, wenn Strahlenalarm gegeben wird? Wo müsstest du dich einschränken?

Sobald durch ein Sirenensignal oder im Radio Entwarnung gegeben wird, ist die Wolke abgezogen. Aber auch danach, ist die Gefahr noch nicht gebannt.

Frage deine Eltern, wie gut sie über die Maßnahmen bei einem Strahlenalarm Bescheid wissen!

Behörde: staatliche Einrichtung zur Verwaltung eines Landes

ƒ Reinige das Haus und dich selbst gründlich! Wische glatte Flächen mit einem feuchten Tuch ab und trage dabei Gummihandschuhe! Verwende nur dann einen Staubsauger, wenn er über einen Feinfilter verfügt! Vermeide alles, was Staub aufwirbeln könnte! ƒ Reinige auch das Haus außen und die Wege davor, indem du sie mit Wasser abspritzt! ƒ Bring keinen Staub ins Haus! Zieh die Schuhe draußen aus! ƒ Iss kein Obst oder Gemüse aus dem Garten! Beim Kauf von Lebensmitteln achte auf die Hinweise der Behörden!

Man kann vorsorgen!

Oly

Es gibt auch natürliche Radioaktivität.

Radioaktivität wird in Becquerel (Bq) gemessen.

Die Strahlungsenergie, die in den Körper eindringt, nennt man Äquivalentdosis.

Sie wird in Sievert (Sv) gemessen. Bei der Inkorporation gelangen radioaktive Stoffe in den Körper.

Die Zivilschutzorganisationen empfehlen Vorräte anzulegen. Vor allem Lebensmittel, die nicht verderben wie Konserven, Teigwaren oder Reis sollten für einige Tage vorhanden sein. So hat man ausreichend Nahrungsmittel zu Hause und muss während eines Strahlenalarms das Haus nicht verlassen.

Sobald Strahlenwarnung gegeben wird, sollte auch ausreichend für Wasser gesorgt werden. Fülle Töpfe und andere Gefäße mit Leitungswasser!

Radioaktivität 87

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag

1) Ionisierende Strahlung im Berufsleben – Welcher dieser Berufe ist mit einer erhöhten Strahlenbelastung verbunden? Kreuze richtig an, dann ergeben die Buchstaben, die neben den Berufen stehen, in der richtigen Reihenfolge ein Lösungswort! %% Tischlerin (F)

Goldsch

miedin (

erl

E)

)

Bergmann (O

tin (T)

mp eV

Röntgenärz

Köchin (

L)

inem Arbeiter in e (M) Wasserwerk

n (A) Flugbegleiteri

LÖSUNGSWORT:

.

.

.

Rauchfangkehrer (S

)

.

2) Wähle einen der Berufe mit erhöhter Strahlenbelastung aus und erkläre deinem Sitznachbarn/deiner Sitznachbarin, was die Ursache für die Strahlenbelastung ist! %%%%

Oly

3) Richtig oder falsch? – Die richtigen Antworten bringen dir ein Lösungswort. %%%

Ionisierende Strahlung gibt es überall.

Ein Dosimeter misst die Strahlenbelastung einer Person.

1 Bq entspricht einem Zerfall pro kg.

Die Äquivalentdosis wird in Sievert angegeben.

Zivilschutz dient dem Schutz der Umwelt bei Katastrophen.

Radon ist ein radioaktives Edelgas. α-Strahlung dringt von außen tief in den Körper ein.

Höhenstrahlung ist energiereiche Strahlung aus dem Erdinneren.

Inkorporation ist die Abgabe radioaktiver Stoffe aus dem Körper.

fi

LÖSUNGSWORT:

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Richtig Falsch B A E S T C Q F C U E K O R D E H L

88 Radioaktivität

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

9

ag

4) Zivilschutz – Lies diesen Informationstext über Zivilschutz in Österreich und beantworte anschließend die Fragen! %%%%

mp eV

erl

Zivilschutz in Österreich umfasst zahlreiche Maßnahmen, um die österreichische Bevölkerung vor Katastrophen zu schützen und im Fall von Notlagen Hilfe zu leisten. Dazu wird auch mit Organisationen aus dem Ausland eng zusammengearbeitet. Zivilschutzaktivitäten werden von der Bundeswarnzentrale koordiniert. Diese ist eine Einrichtung des Innenministeriums. Sie sammelt alle Meldungen aus dem In- und Ausland und alarmiert im Katastrophenfall die Landeswarnzentralen in den betroffenen Bundesländern. Diese koordinieren die Tätigkeit der Einsatzorganisationen wie Rotes Kreuz oder Feuerwehren. Neben den Einsatzorganisationen sind jedoch auch öffentliche Einrichtungen, Unternehmen und wissenschaftliche Institutionen Bestandteil des Zivilschutzes.

Zivilschutz umfasst einerseits Maßnahmen, um vor Naturkatastrophen wie Hochwasser oder Lawinenabgängen zu schützen bzw. die Bevölkerung darauf vorzubereiten, was im Katastrophenfall zu tun ist. Andererseits gehören auch Maßnahmen dazu, wie bei Katastrophen der betroffenen Bevölkerung zu helfen ist. Zivilschutz umfasst aber nicht nur die Abwehr von Naturkatastrophen.

Auch im Fall von technischen Unglücksfällen wie Großbränden setzen Zivilschutzmaßnahmen ein.

Außerdem gehört auch die Vorsorge zum Schutz vor den Folgen von internationalem Terrorismus dazu.

a) Zu welchem Ministerium gehört die Bundeswarnzentrale? _________________________________ b) Was sind die Aufgaben des Zivilschutzes?

Schutz vor _________________________________________

Vorbereitung der ____________________________________

Hilfe der Bevölkerung bei _____________________________________ c) Nenne zwei Einsatzorganisationen!

_________________________________________

_________________________________________

5) Radioaktive Wolke – Kreuze an, was man vor, während und nach dem Durchzug einer radioaktiven Wolke machen soll! %%%

Oly

vor

während

nach

Haus und Wege im Freien mit Wasser abspritzen Fenster und Türen abdichten

in geschlossenen Räumen bleiben

im Freien Kleidung tragen, die den ganzen Körper bedeckt glatte Flächen mit einem feuchten Tuch abwischen Haustiere in die Wohnung bringen

kein Obst und Gemüse aus dem Garten essen

Schuhe ausziehen

innenliegende Räume oder Keller aufsuchen

fi

vor dem Betreten eines Hauses Oberbekleidung und

89

PHYSIK-ZEITUNG: Radioaktivität Isotopentrennung – ein mühsamer Prozess

erl

ag

Die Kettenreaktion in Kernkraftwerken funktioniert nur mit 235U, nicht jedoch mit 238U. Allerdings besteht das Uran in natürlichen Lagerstätten fast ausschließlich aus 238U. Um den 235U-Anteil zu erhöhen, muss man es anreichern. Dazu nutzt man die unterschiedlichen Massen der beiden Isotope. Man stellt zunächst die gasförmige Verbindung Uranhexafluorid (UF6) her, die in einer sogenannten Gaszentrifuge in rasche Drehung versetzt wird. Durch die Fliehkraft sammeln sich Gasmoleküle mit dem schwereren 238U im äußeren Bereich der Zentrifuge an, während die mit dem leichteren 235U im inneren Bereich zu finden sind. Allerdings muss man diesen Vorgang sehr oft wiederholen, um Uran mit einem Gaszentrifugen für die Urananreicherung ausreichend hohen 235U-Anteil zu erhalten.

Sterne verbrennen nicht nur Wasserstoff

Der Traum der Alchemisten: Transmutation

mp eV

Haben Sie das gewusst? Die Fusion von Wasserstoff zu Helium ist nur der erste Lebensabschnitt von Sternen. Ist der Wasserstoff verbraucht, setzt die nächste „Brennphase“ ein: Dabei verschmelzen Heliumkerne zu Kohlenstoff- und Sauerstoffkernen.

Ist auch das Helium verschwunden, können weitere Fusionsprozesse einsetzen.

Das Ende ist erst dann erreicht, wenn der Großteil der Materie zu Eisenkernen geworden ist.

Anschließend explodiert der Stern in einer Super- Supernova nova.

Sie wollten aus Blei Gold herstellen. Was den Alchemisten des Mittelalters nicht gelungen ist, kann aber die heutige Wissenschaft: Durch Bestrahlung von Quecksilber mit Neutronen entstehen Goldatome.

Transmutation kann aber auch die Lösung des Atommüllproblems sein. So könnte gefährlicher radioaktiver Abfall teilweise unschädlich gemacht werden. Derzeit ist eine europäische Forschungsanlange für Transmutation in Belgien geplant, die 2023 in Betrieb gehen soll. Diese soll nicht nur Abfall beseitigen, sondern auch Strom produzieren.

Die Curies – ein außergewöhnliches Wissenschaftlerpaar

Oly

Da sie in Polen keine Universität besuchen durfte, zog die junge Marie Sklodowska nach Paris, um Physik und Mathematik zu studieren.

Mit ihrem späteren Mann, dem Physiker Pierre Curie, untersuchte sie die kurz zuvor entdeckte Radioaktivität. Das Ehepaar Curie entdeckte die radioaktiven Elemente Polonium und Radium.

Hast du das gewusst?

ƒ Nach dem Abbau des Uranerzes werden durch Säuren die uranhaltigen Sauerstoffverbindungen herausgelöst. Diese haben eine gelbe Farbe und werden „Yellow Cake“ genannt. ƒ Lange Zeit hielt man das Wismut Isotop 209Bi für stabil. Erst 2003 stellte man fest, dass dieses Isotop radioaktiv ist. Seine Aktivität ist jedoch so gering, dass in 1 kg Wismut nur alle fünf Minuten ein Atomkern zerfällt. Seine

1903 wurde ihre Arbeit mit dem Nobelpreis in Physik belohnt.

Nach dem Unfalltod ihres Mannes forschte Marie Curie alleine weiter und erhielt 1911 einen weiteren Nobelpreis, diesmal in Chemie. Marie Curie ist die einzige Frau, die zweimal den Nobelpreis erhielt.

Halbwertszeit beträgt 19 Trillionen Jahre (eine Trillion hat 18 Nullen!). ƒ Als unser Sonnensystem entstand, waren alle Elemente noch gleichmäßig verteilt. Erst nachdem sich die Erde gebildet hatte, sorgten verschiedene Prozesse wie etwa Strömungen im noch flüssigen Erdmantel dazu, dass sich manche Elemente an einigen Orten ansammelten. Daraus entwickelten sich die Lagerstätten, aus denen wir heute unsere

90

PHYSIK-ZEITUNG: Radioaktivität

erl

Nicht nur die moderne Technik kann Kernreaktoren bauen, auch die Natur kann das. 1972 entdeckte man in einer Uranlagerstätte in Oklo (Gabun/Zentralafrika) die Überreste eines natürlichen Kernreaktors. Die Konzentration von Uran im Gestein war dort einmal so hoch, dass eine nukleare Kettenreaktion einsetzen konnte. Grundwasser diente als Moderator und bremste die freiwerdenden Neutronen ab. Der Reaktor war vor ca. 2 Milliarden Jahren „in Betrieb“. Er lief immerhin etwa 500 000 Jahre, bis die Reaktion zum Erliegen kam. In dieser Zeit erzeugte er so viel Energie wie ein modernes Kernkraftwerk in 4 Jahren. Mittlerweile kennt man die Überreste von 17 natürlichen Kernreaktoren.

ag

Kernreaktoren in freier Natur

Überreste eines natürlichen Kernreaktors

Russland

mp eV

England Frankreich

USA

Israel

China Nordkorea

Pakistan

Indien

Staaten mit Atomwaffen

Die „Insel der Stabilität“ wartet auf ihre Entdeckung

Oly

Das schwerste Element, das man heute kennt, ist Ununoctium mit der Ordnungszahl 118. Dieses wurde erst 2006 entdeckt und hat eine Halbwertszeit von ca. 1 Millisekunde.

Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen vermuten,

dass die Elemente mit den Ordnungszahlen 120 und 126 stabiler sind und längere Halbwertszeiten haben als ihre Nachbarn. Rund um diese Elemente könnte es eine „Insel der Stabilität“ im „Meer der Instabilität“ geben.

NEMP zerstört Elektronik

Eine Folge einer Atomexplosion ist der nukleare elektromagnetische Puls (NEMP). Eine Atombombe, die in mehreren 100 km über der Erdoberfläche gezündet wird, richtet keinen unmittelbaren Schaden an. Sobald allerdings die γ-Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft, ionisiert diese die Atome der Lufthülle. Dabei entstehen starke Magnetfelder, die bewirken, dass in elektrischen Leitern Strom zu fließen beginnt. Dieser ist so stark, dass er die Bauteile von Computern zum Durchbrennen bringt. So kann die Elektronik in einem großen Bereich der Erdoberfläche beschädigt oder sogar zerstört werden.

Buchtipps Luca Novelli: Marie Curie und das Rätsel der Atome (Arena, 2008).

Erich Übelacker: Was ist was, Band 079: Moderne Physik (Tessloff, 2000).

Maja Nielsen: Abenteuer & Wissen. Marie Curie – Die Entdeckung der Radioaktivität (Gerstenberg Verlag, 2010).

Elektromagnetismus

91

18. MAGNETFELD UND ELEKTRISCHER STROM

ag

Elisabeths Klasse fährt auf Schikurs. Um sich die Zeit während der langen Busfahrt zu vertreiben, hat Elisabeth ein Schachspiel mitgenommen. Gleich nach der Abfahrt holt sie es aus ihrer Tasche, um mit ihrer Sitznachbarin Claudia zu spielen. Sie stellt die Figuren auf. Plötzlich bremst der Bus an einer roten Ampel und die Taschen, die im Mittelgang des Busses stehen, rutschen nach vorn. Die Schachfiguren bleiben jedoch fest auf ihren Feldern stehen. Verblüfft stellt Claudia fest, dass die Figuren auch dann auf ihren Plätzen bleiben, wenn man das Schachbrett kippt oder sogar auf den Kopf stellt.

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Was bedeutet ferromagnetisch? „ferro“ kommt aus dem Lateinischen und bedeutet „Eisen“. Alle Stoffe, die so wie Eisen von einem Magneten angezogen werden, nennt man ferromagnetisch. Neben Eisen sind auch Kobalt und Nickel ferromagnetisch.

Warum bleiben die Schachfiguren am Schachbrett haften?

mp eV

Im Schachbrett ist eine dünne Eisenplatte enthalten. Die Figuren haben in ihrem Fuß einen kleinen Magnet. Zwischen einem Magneten und einem ferromagnetischen Material wie Eisen gibt es eine anziehende Kraft: den Magnetismus.

Betrachte dieses Bild! Du siehst einen Magnet, der von Eisenspänen umgeben ist. Rund um den Magnet herrscht ein Magnetfeld. Die Anziehungskraft zwischen dem Magneten und den Eisenspänen ist an den Enden des Magneten am größten. In größerer Entfernung vom Magneten ordnen sich die Späne entlang von Linien an. Diese nennt man magnetische Feldlinien.

Dipol: „di“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet „zwei“.

Wo werden Magnete verwendet?

Die beiden Enden eines Magneten nennt man Pole. Man bezeichnet sie als Nordpol und Südpol. Jeder Magnet hat zwei Pole. Daher sagt man, ein Magnet ist ein Dipol.

Oly

Magnete können sehr unterschiedlich geformt sein. Ihre Form gibt ihnen ihre Namen. Je nach ihrer Form sieht ihr Magnetfeld unterschiedlich aus.

Kräfte zwischen Magneten

Nicht nur zwischen Magneten und ferromagnetischen Stoffen gibt es Kräfte.

Auch zwischen zwei Magneten herrschen sie. Je nachdem, wie die Pole der Magnete zueinander gerichtet sind, können diese Kräfte entweder anziehend oder abstoßend sein.

Feldlinien rund um einen Hufeisenmagnet

Gleichnamige Pole stoßen einander ab.

Ungleichnamige Pole ziehen einander an.

Feldlinien rund um einen Stabmagnet

92

Elektromagnetismus Ein Magnet in einem Magnetfeld

ag

Die Kräfte zwischen Magneten führen dazu, dass sich ein beweglicher Magnet im Feld eines anderen Magneten nach seinen Feldlinien ausrichtet.

Magnetfeld der Erde Vorlesung: Unterricht in einer Universität

Woraus besteht ein Magnet?

Ein Magnet besteht aus ferromagnetischem Material. Die Teilchen von ferromagnetischen Materialien sind selbst kleine Magnete. Diese nennt man Elementarmagnete. Jedoch sind diese so angeordnet, dass jeder dieser Elementarmagnete in eine andere Richtung weist. Daher ist von außen kein Magnetfeld feststellbar.

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konzentrische Kreise: Kreise, die einen gemeinsamen Mittelpunkt haben

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Auch die Erde besitzt ein Magnetfeld. Daher richtet sich ein beweglicher Magnet entlang der Feldlinien des Erdmagnetfeldes aus. Einer seiner Pole zeigt dabei immer nach Norden. So einen Magnet bezeichnet man als Kompass.

Was ist Elektromagnetismus?

Magnetismus und Elektrizität stehen in einem engen Zusammenhang. Immer dann, wenn Strom fließt, treten auch magnetische Felder auf. Das Zusammenwirken von elektrischem Strom und Magnetismus bezeichnet man als Elektromagnetismus.

Streicht man mit einem starken Magneten über einen Stab aus ferromagnetischem Material, so drehen sich seine Elementarmagnete so, dass sie sich nach dem stärkeren Magnetfeld ausrichten.

Sie weisen dann alle in dieselbe Richtung. Der Stab wird dann selbst zu einem Magneten.

Sobald die Elementarmagnete eines Stabes parallel zueinander ausgerichtet sind, bleiben sie dauerhaft in dieser Position. Man spricht dann von einem Permanentmagneten.

Magnete und elektrischer Strom

Im Jahr 1820 machte der dänische Wissenschaftler Hans Christian Oersted eine überraschende Beobachtung: Während einer Vorlesung fiel ihm auf, dass sich die Magnetnadel eines Kompasses bewegte, sobald er Strom durch einen Draht fließen ließ. Oersted hatte damit den Elektromagnetismus entdeckt.

Warum beeinflusst elektrischer Strom eine Magnetnadel?

Oly

Dies kommt daher, weil Elektronen, die sich in einem elektrischen Leiter in eine Richtung bewegen, ein Magnetfeld erzeugen. Die Feldlinien dieses Magnetfeldes bilden konzentrische Kreise rund um den Leiter.

Richtung des Magnetfelds

Versuch

Führt das Experiment „Die tanzende Kompassnadel“ auf S. 162 durch!

Magnetnadeln richten sich in diesem Feld so aus, dass alle Nordpole in die gleiche Richtung zeigen. Diese Richtung bezeichnet man als die Richtung des Magnetfeldes.

Rund um einen stromdurchflossenen Leiter entsteht ein Magnetfeld.

Elektromagnetismus

93

Stromrichtung und Richtung des Magnetfeldes Die technische Stromrichtung Die technische Stromrichtung ist entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der Elektronen.

Sie führt vom Plus- zum Minuspol einer Stromquelle.

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Die Richtung des Magnetfeldes hängt von der technischen Stromrichtung ab. Ändert sich die Stromrichtung, so ändert sich auch die Richtung des Magnetfeldes und die Magnetnadeln zeigen in die Gegenrichtung.

Die Richtung des Magnetfeldes in einem stromdurchflossenen Leiter kannst du dir mit der Rechte-HandRegel merken.

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Rechte-Hand-Regel

Vom stromdurchflossenen Leiter zur Spule

mp eV

Rund um einen Leiter bilden sich konzentrische Feldlinien aus. Wird der Leiter zu einer Leiterschleife gebogen, dann fließt der Strom in beiden Hälften des Leiters in entgegengesetzte Richtungen. Zwischen den Leitern weisen die Feldlinien in gleiche Richtung. Die magnetischen Feldlinien zwischen den beiden Leitern werden zusammengedrückt. Es bildet sich ein starkes Magnetfeld, das senkrecht auf die Leiterschleife steht.

Wickelt man einen Draht kreisförmig mehrmals auf, so erhält man eine Spule. Die einzelnen Windungen verhalten sich wie Leiterschleifen. Im Inneren der Spule werden die Feldlinien, die von den einzelnen Windungen der Spule stammen, zusammengedrückt und zeigen alle in dieselbe Richtung. Das Magnetfeld ist hier besonders stark. Ein Eisenstab wird bei eingeschaltetem Strom in das Innere der Spule gezogen. Die Stärke des Magnetfeldes einer Spule ist umso größer, je größer die Anzahl der Windungen und je größer die Stromstärke im Draht sind.

Oly

Durch einen Eisenstab im Inneren der Spule wird das Magnetfeld noch verstärkt.

Dieser Eisenkern bewirkt auch, dass das Magnetfeld an den Enden der Spule gleichmäßiger wird.

Eine Spule kann als Elektromagnet verwendet werden. Im Gegensatz zum Permanentmagneten zieht er ferromagnetische Stoffe nur so lange an, wie Strom durch die Spule fließt. Man kann ihn also ein- und ausschalten.

Spule mit Eisenkern

Umfasst man einen Leiter so mit der rechten Hand, dass der Daumen in die technische Stromrichtung weist, so zeigen die Fingerspitzen in die Richtung des Magnetfeldes.

Magnetfeld einer Leiterschleife Elektromagnet auf einem Schrottplatz

94

Elektromagnetismus Das Relais

Die Magnetsicherung

ag

Ein Relais ist ein Gerät, bei dem ein Elektromagnet einen Schalter betätigt.

Auf diese Weise kann ein sehr schwacher Strom verwendet werden, um einen Stromkreis ein- und auszuschalten, in dem ein sehr hoher Strom fließt. Relais finden in sehr vielen Elektrogeräten Anwendung.

In der 3. Klasse hast du gelernt, dass die Stromkreise in einem Haushalt mit Sicherungen geschützt sind. Diese bewirken, dass der Strom abgeschaltet wird, wenn z. B. durch einen Kurzschluss in einem Gerät die Stromstärke zu hoch wird. In einem Sicherungsautomaten kann die Abschaltung auf zwei Arten erfolgen:

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Relais

mp eV

ƒ Bimetall-Streifen: Der Strom erwärmt einen Bimetall-Streifen. Bei einer zu hohen Stromstärke wird der Streifen so warm, dass er sich krümmt und den Stromkreis unterbricht.

Symbol für ein Relais

ƒ Elektromagnetischer Auslöser: Der Strom fließt durch einen kleinen Elektromagnet. Wird die Stromstärke zu hoch, dann wirkt der Magnet wie ein Relais, das den Stromkreis unterbricht.

Klöppel: Gegenstand, der eine Glocke anschlägt

Klingelknopf

Feder

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Bei einer elektrischen Klingel wirkt ein Klöppel als Schalter. Wenn du auf den Klingelknopf drückst, schließt du den Stromkreis und Strom fließt durch einen Elektromagnet. Dieser zieht den Klöppel an, welcher auf die Glockenschale schlägt und einen Ton erzeugt. Dabei wird der Stromkreis unterbrochen, der Elektromagnet verliert seine anziehende Kraft und eine Feder drückt den Klöppel wieder zurück. Dadurch wird der Stromkreis wieder geschlossen und der Klöppel wird erneut angezogen. Solange du den Klingelknopf gedrückt hältst, wird so der Stromkreis immer wieder unterbrochen und geschlossen, sodass die Klingel läutet.

Oly

Ein Magnet hat einen Nord- und einen Südpol. Er ist ein Dipol. Rund um einen Magnet herrscht ein Magnetfeld. Auch rund um einen stromdurchflossenen Leiter entsteht ein Magnetfeld. In einer Spule herrscht ein starkes Magnetfeld. Spulen werden als Elektromagnete verwendet.

Die elektrische Klingel

Glock e

Wo werden Relais verwendet?

Relais werden z. B. in Autos für das Ein- und Ausschalten des Blinkers verwendet. In Alarmanlagen schaltet der geringe Strom eines Sensors eine Sirene oder einen Scheinwerfer ein.

le cha

Klö

pp

el

Der Lautsprecher In einem Lautsprecher fließt elektrischer Strom, dessen Spannung sich ständig verändert, durch eine Spule. Diese bewegt sich dadurch im Magnetfeld eines Permanentmagneten. Sie ist mit einer Membran verbunden, die Membran dadurch in Schwingung versetzt wird und einen Ton erzeugt.

So wird ein elektrisches Signal, das z. B. von einem MP3-Player kommt, in ein Schallsignal umgewandelt.

Permanentmagnet

Spule

9

Elektromagnetismus 95

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Elektromagnet Permanentmagnet

mp eV

Elektromagnet Permanentmagnet

erl

ag

1) Permanent- oder Elektromagnet – Entscheide und kreuze das Richtige an! %%

Elektromagnet Permanentmagnet

Elektromagnet Permanentmagnet

Elektromagnet Permanentmagnet

Elektromagnet Permanentmagnet

2) Magnetfeld und Windungszahl – Ordne die Elektromagnete nach der Stärke ihres Magnetfeldes, indem du die Ziffern von 1 (am schwächsten) bis 3 (am stärksten) einsetzt! %%

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Oly

3) Magnetfeld und Stromstärke – Ordne die Elektromagnete nach der Stärke ihres Magnetfeldes, indem du die Ziffern von 1 (am schwächsten) bis 3 (am stärksten) einsetzt! %%

96 Elektromagnetismus

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

mp eV

erl

ag

4) Das Relais als Schalter – Vervollständige diesen Schaltplan so, dass das Relais eine Glühbirne ein- und ausschaltet! %%%%

1,5 V

230 V

5) Richtig oder falsch? Ringle die richtigen Buchstaben ein, dann erhältst du ein Lösungswort, wenn du immer den vorangegangenen Buchstaben des Alphabets einsetzt! %%%

N

S

Ein Kompass besteht aus einer Magnetnadel, die sich nach dem Erdmagnetfeld ausrichtet.

B

Q

Ein Relais dient dazu, die Spannung in einem Stromkreis zu verändern.

K

H

Ein Magnet besitzt einen Plus- und einen Minuspol.

I

O

Je höher die Stromstärke in einer Spule ist, desto schwächer ist das Magnetfeld.

W

F

Gleichnamige Pole eines Magneten stoßen einander ab.

U

L

Ein Elektromagnet besteht aus einer stromdurchflossenen Spule.

G

Y

Ein Magnet besteht aus auromagnetischem Material.

P

F

Magnete sind Dipole.

M

V

Silber ist ein ferromagnetisches Metall.

R

E

Oly

Elektronen, die sich in einem Leiter bewegen, erzeugen ein Magnetfeld.

LÖSUNGSWORT:

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

fi

Richtig Falsch

Elektromagnetismus

97

Abschwächung des Magnetfelds

erl

Was geschieht mit dem Leiter?

mp eV

Sobald Strom durch die Leiterschleife fließt, entsteht rund um den Leiter ein Magnetfeld. Dieses zeigt auf einer Seite in die gleiche Richtung wie das des Hufeisenmagneten, während es auf der anderen Seite entgegengesetzt gerichtet ist.

Zwischen den beiden Magnetfeldern wirkt dadurch eine Kraft, die die Leiterschleife bewegt. Die Richtung der Bewegung hängt von der Stromrichtung und damit von der Richtung des Magnetfeldes um den Leiter ab.

Verstärkung des Magnetfelds

Im Physikunterricht zeigt der Lehrer, was mit einem Leiter in einem Magnetfeld geschieht. Dazu hängt er ein gebogenes Stück Kupferkabel zwischen die Pole eines Hufeisen-magneten. Zunächst geschieht nichts. Doch als der Lehrer Strom durch den Leiter fließen lässt, bewegt sich plötzlich die Leiterschleife. Sie wird in den Hufeisenmagneten hineingezogen. Danach ändert der Lehrer die Stromrichtung und die Leiterschleife bewegt sich in die Gegenrichtung.

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19. DER ELEKTROMOTOR

Stromdurchflossene Leiterschleife in einem Magnetfeld: Wo die Feldlinien in die gleiche Richtung verlaufen, werden sie zusammengedrückt. Dort wird das Magnetfeld verstärkt.

Ein Magnetfeld erzeugt eine Drehbewegung

Ein drehbar gelagerter Magnet richtet sich zwischen den Polen eines Permanentmagneten immer nach dessen Magnetfeld aus. Dadurch führt er eine Drehbewegung aus, die allerdings rasch zum Stillstand kommt, sobald die entgegengesetzten Pole einander gegenüberstehen.

Oly

Verwendet man anstelle des Magneten eine drehbar gelagerte Spule, so dreht sich auch die Spule in Richtung des Magnetfeldes, wenn Strom hindurchfließt und ein Magnetfeld entsteht. Auch diese Drehbewegung endet, sobald die Spule sich nach dem Feld des Permanentmagneten ausgerichtet hat.

Allerdings kann man in einer Spule die Stromrichtung ändern, sodass sich auch ihr Magnetfeld umkehrt. Dadurch dreht sich die Spule um 180° weiter.

In einer stromdurchflossenen Spule entsteht ein Magnetfeld, das die Spule nach einem äußeren Magnetfeld ausrichtet.

Um die Spule in eine ständige Drehbewegung zu versetzen, muss die Stromrichtung in der Spule ständig geändert werden.

Will man eine Drehbewegung durchführen, muss Reibung überwunden werden. Die dazu erforderliche Energie wird aus der elektrischen Energie des durch die Spule fließenden Stroms gewonnen. Je höher die Reibung ist, desto mehr elektrische Energie ist erforderlich.

Das Ändern der Stromrichtung in einer Spule versetzt diese in Drehung.

Versuch Führt das Experiment „Stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld“ auf S. 162 durch!

98

Elektromagnetismus Aus einer Spule wird ein Elektromotor Stator (1)

In einem Elektromotor wird elektrische Energie in die mechanische Energie einer Drehbewegung umgewandelt.

Durch eine Spule fließt elektrischer Strom und erzeugt ein Magnetfeld. Die Stromrichtung in der Spule kehrt sich regelmäßig um. Daher dreht sich die Spule im Magnetfeld eines Permanentmagneten. Dies ist auf die abwechselnde Anziehung und Abstoßung zurückzuführen.

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Rotor (2)

Der Elektromotor besteht aus folgenden Teilen:

Kommutator (4)

Bürsten (3)

Stator: unbeweglicher Teil eines Gerätes, von lateinisch „stare“ = stillstehen Schleifkontakt: elektrische Verbindung zwischen zwei Teilen, die gegeneinander beweglich sind

Kommutator: Stromwender, von lateinisch „commutare“ = vertauschen

Bürsten

Kommutator

BÜRSTEN (3): Diese sind mit der Stromquelle verbunden und leiten über Schleifkontakte den elektrischen Strom in die Spule. Die Bürsten sind eine bewegliche elektrische Verbindung zwischen der Stromquelle und dem sich drehenden Rotor. Sie können aus dünnen Metallfäden bestehen, die an den Kommutator gedrückt werden. Häufig bestehen sie aus elektrisch leitenden Kohlenstoffstäben, die durch die Kraft einer Feder gegen die Kontakte des Kommutators gepresst werden.

KOMMUTATOR (4): Der Kommutator sorgt dafür, dass die Stromrichtung in der Spule regelmäßig geändert wird.

Er besteht aus einer Scheibe aus isolierendem Material, das fest mit der Welle des Rotors verbunden ist. An der Scheibe sind zwei halbkreisförmige Metallringe befestigt. Jede der Ringhälften ist mit einem der Anschlussdrähte der Spule verbunden. Von außen werden die Ringhälften von den Bürsten berührt, sodass Strom von der Stromquelle fließt.

Oly

Rotor

ROTOR (2): Der Rotor ist jener Teil des Elektromotors, der sich dreht. Ihn bezeichnet man auch als Anker. Er ist ein Elektromagnet. Die Spule ist über einen Eisenkern gewickelt, dessen Enden so geformt sind, dass sie sich mit möglichst geringem Abstand zum Stator drehen können.

mp eV

Aufbau eines Elektromotors

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STATOR (1): Das Magnetfeld, in dem sich die Spule bewegt, wird vom Stator erzeugt. Er ist unbeweglich und umgibt die beweglichen Teile des Motors.

Stator

Bürsten

Rotor mit Kommutator

Modell eines Elektromotors

Welle: stabförmiger Teil einer Maschine, der Drehbewegungen weiterleitet Kollektor: von lateinisch „colligere“ = sammeln

Bei jeder Umdrehung des Rotors kommen die Bürsten abwechselnd mit den Kontakten des Kommutators in Berührung. So wird die Stromrichtung in der Spule bei jeder Umdrehung zweimal geändert. Häufig wird der Kommutator auch Kollektor genannt.

Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in die mechanische Energie einer Drehbewegung um.

Elektromagnetismus

99

Wie sehen Elektromotoren tatsächlich aus?

erl

Bei so einem Motor besteht auch der Kommutator aus mehr als zwei Kontakten, da die einzelnen Spulen unterschiedlich mit Strom versorgt werden müssen.

Was bewirkt der Eisenkern im Reihenschlussmotor?

Der Eisenkern verändert das Magnetfeld, das von der Spule erzeugt wird. Es ist an den Enden des U-förmigen Kerns am stärksten und nicht direkt bei der Spule.

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Die Bauform des Ankers eines Elektromotors, wie du sie auf der vorigen Seite gesehen hast, nennt man DoppelT-Anker, da beide Seiten des Ankers wie ein „T“ geformt sind. Meist besteht der Anker eines Elektromotors jedoch aus mehreren Spulen, die um einen gemeinsamen Eisenkern gewickelt sind. Dadurch dreht sich der Motor gleichmäßiger. So einen Anker nennt man Trommelanker.

Trommelanker

Elektromotoren ohne Permanentmagnet

Rotor

mp eV

Das Magnetfeld, in dem sich der Anker eines Elektromotors dreht, kann auch von einem Elektromagneten erzeugt werden. Wie du in der Abbildung sehen kannst, bewegt sich der Anker in einem U-förmigen Eisenkern. Dieser ist von den Wicklungen einer Spule umgeben.

Stator

Diese Spule erzeugt das Magnetfeld. Da die Spule des Ankers (die Ankerspule) und die Spule, die das Magnetfeld erzeugt (die Feldspule), in Reihe geschaltet sind und so den Stromkreis schließen, nennt man so einen Motor auch Reihenschlussmotor.

Fließt ein Gleichstrom durch diesen Motor, geschieht dasselbe wie bei einem Motor, bei dem das Magnetfeld durch einen Permanentmagnet erzeugt wird.

Wechselstrom-Elektromotoren

Bürsten

Oly

Der Reihenschlussmotor kann auch mit Wechselstrom betrieben werden. Beim Wechselstrom ändert sich die Stromrichtung 100-mal in der Sekunde. Dadurch wird auch die Richtung des Magnetfeldes, das durch die Feldspule erzeugt wird, 100-mal in jeder Sekunde umgedreht. Auch das Magnetfeld in der Ankerspule ändert 100-mal pro Sekunde seine Richtung. Da aber die Änderung gleichzeitig mit der Änderung in der Feldspule erfolgt, bleibt die Drehbewegung aufrecht.

Elektromotor

Ein Motor, der sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom betrieben werden kann, wird Universalmotor genannt.

Zusätzlich gibt es aber auch noch spezielle Bauformen von Elektromotoren, die nur mit Wechselstrom funktionieren.

Kommutator Reihenschlussmotor

Reihe: bei elektrischen Schaltungen dasselbe wie Serie (Serienschaltung = Reihenschaltung)

ACHTUNG Motoren, die mit Wechselstrom betrieben werden, besitzen keine Permanentmagnete!

Wo hast du schon Elektromotoren gesehen?

100 Elektromagnetismus Der Drehstrommotor

230 V

0V

– 230 V

Spannungsverlauf beim Drehstrom

In vielen Häusern gibt es drei unterschiedliche Stromkreise, die auch als Phasen bezeichnet werden.

Diese liefern jeweils Wechselstrom. Die Spannung in den drei Phasen erreicht jedoch nicht gleichzeitig ihren höchsten Wert von 230 V. Vielmehr sind die Spannungsverläufe in den drei Phasen gegeneinander zeitversetzt. Gemeinsam bezeichnet man die drei Phasen als „Drehstrom“.

mp eV

Häufig bezeichnet man den Drehstrom auch als „Starkstrom“. Überlege: Warum?

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Der Strom in einer normalen Steckdose ist Wechselstrom, bei dem sich in jeder Sekunde die Stromrichtung 100-mal ändert. Die Spannung wechselt dabei von 230 V in eine Richtung auf 230 V in die andere Richtung.

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Warum gibt es Drehstrom?

In einem Kraftwerk wird in einem Generator Drehstrom mit drei Phasen erzeugt.

Dieser kann über weite Strecken mit viel weniger Verlusten transportiert werden als Gleichstrom oder Wechselstrom.

Drehstrom im Haushalt Jede einzelne Phase ist mit einer Sicherung gegen eine zu hohe Stromstärke abgesichert. Geräte wie der Elektroherd, die besonders viel elektrische Energie benötigen, nutzen daher oft alle drei Phasen. So können alle Herdplatten gleichzeitig eingeschaltet werden, ohne dass das die Sicherung auslöst.

wartungsarm: benötigt kaum Pflege oder Reparaturen

Drehstrommotor

Wo gibt es Elektromotoren?

Elektromotoren sind aus dem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. In vielen Elektrogeräten werden sie eingesetzt, um Bewegung zu erzeugen.

Elektromotoren erzeugen immer eine Drehbewegung, die in Geräten wie einem Mixer oder einer Kreissäge direkt genutzt wird. In Geräten wie Stichsägen oder Elektromessern wird die Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umgesetzt.

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Auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld wirkt eine Kraft. Bei der Änderung der Stromrichtung in einer Spule führt diese in einem Magnetfeld eine Drehbewegung aus.

Der Elektromotor setzt elektrische Energie in die mechanische Energie einer Drehbewegung um.

Mit Drehstrom kann auch ein Elektromotor betrieben werden.

Dieser enthält drei Feldspulen, die jeweils von einer der drei Phasen mit Strom versorgt werden. Durch die zeitliche Verschiebung der maximalen Spannung erreichen auch die Magnetfelder in den drei Spulen nacheinander ihren höchsten Wert.

Dadurch wird der Rotor in eine Drehbewegung versetzt.

Die Leistung von Elektromotoren kann sehr unterschiedlich sein. So gibt es winzige Motoren, die nur eine Leistung von wenigen mW haben. Diese werden z. B. in Spielzeugen eingesetzt. Andere Elektromotoren erreichen Leistungen von über 1 000 kW. Solche Motoren findet man z. B. in Eisenbahnen.

Elektromotoren haben einen sehr hohen Wirkungsgrad von über 90 %. Sie sind sehr wartungsarm und können sehr lange ohne Störung arbeiten.

Umsetzen einer Drehbewegung

9

Elektromagnetismus 101

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag Stromrichtung

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Stromrichtung

Stromrichtung

1) Leiterschleifen im Magnetfeld – In welche Richtung bewegt sich der Leiter im Feld eines Hufeisenmagneten? Trage die Feldlinien ein und zeichne einen Pfeil in die richtige Richtung! %%%% Tipp: Denk an die Rechte-Hand-Regel!

mp eV

2) Magnetnadel und Spule im Magnetfeld – Zeichne die Drehrichtung richtig ein! %%%

3) Elektromotoren sind (fast) überall! Kreuze an, in welchem dieser Elektrogeräte KEIN Elektromotor enthalten ist! %%

DVD-Player

Föhn

Mikrowellenherd

Oly

Waschmaschine

Notebook

Mobiltelefon

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Espressomaschine

Kühlschrank

102 Elektromagnetismus

Oly

waagrecht: 1. drehender Teil eines Elektromotors 3. erzeugt im Reihenschlussmotor das Magnetfeld 7. elektrische Verbindung zwischen zwei beweglichen Teilen 9. Bereich, in dem die Kraft eines Magneten wirkt 10. Stromkreis 11. andere Bezeichnung für einen Rotor 13. elektrischer Strom mit 3 Phasen 15. aufgewickelter Draht 17. Motor, der mit Gleich- und Wechselstrom betrieben werden kann

senkrecht: 2. Elektromotor ohne Permanentmagnet 4. U-förmig gebogener Draht 5. Gerät, das elektrische in mechanische Energie umwandelt 6. Eigenschaft von Eisen, Nickel und Kobalt 7. unbeweglicher Teil eines Elektromotors 8. andere Bezeichnung für einen Kommutator 12. ändert die Stromrichtung im Elektromotor 14. überträgt den elektrischen Strom auf den Rotor 16. leitet Drehbewegungen weiter

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mp eV

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4) Der Elektromotor – Löse dieses Kreuzworträtsel! %%%

9

ag

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Elektromagnetismus 103

20. ELEKTRISCHER STROM AUS INDUKTION Induktion: vom lateinischen Wort „inducere“ = etwas hineinbringen, hineinführen

ag

Der Physiklehrer bereitet ein neues Experiment vor. Wieder stellt er einen Hufeisenmagnet auf den Tisch, durch den eine Leiterschleife führt. Die Enden der Leiterschleife sind mit einem Amperemeter verbunden. Der Lehrer zieht den Magnet rasch von der Leiterschleife weg. Auf dem Amperemeter ist dabei ein Ausschlag des Zeigers zu sehen.

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Erinnere dich an das Ohmsche Gesetz! Wie hängen Stromstärke und Spannung zusammen?

Was geschieht im Leiter, wenn der Magnet weggezogen wird?

Durch die Bewegung des Magneten verändert sich auch das Magnetfeld, welches auf den Leiter wirkt. Dadurch wirkt eine Kraft auf die Elektronen im Leiter, die so in Bewegung versetzt werden. Diesen Effekt nennt man elektromagnetische Induktion.

mp eV

Die Änderung eines Magnetfeldes bewirkt, dass in einem elektrischen Leiter Strom fließt.

Der Lehrer wiederholt den Versuch einige Male, wobei er den Magnet unterschiedlich rasch wegzieht. Je schneller er dies macht, desto höher ist der Ausschlag des Zeigers am Messgerät. Dann nimmt er einen stärkeren Hufeisenmagnet. Nun ist der Ausschlag des Zeigers ebenfalls höher.

Je stärker das Magnetfeld ist und je schneller es sich verändert, desto mehr Strom wird induziert.

Das Amperemeter misst die Stromstärke im Leiter. Anstelle des Amperemeters kann auch ein Voltmeter verwendet werden, das die Spannung misst. Auch in diesem Fall würde sich der Ausschlag des Zeigers erhöhen, wenn man einen stärkeren Magnet verwendet oder wenn die Veränderung des Magnetfeldes rascher erfolgt. Die gemessene Spannung bezeichnet man als Induktionsspannung.

Die Wechselstromspannung Beim Wechselstrom ändert sich die Stromrichtung regelmäßig. Damit sich die Flussrichtung der Elektronen umkehrt, muss sich auch die Spannung umkehren. Sie wechselt von einem positiven Wert zu einem negativen und zurück.

230 V 0V – 230 V Spannungsverlauf beim Wechselstrom

Oly

Der Physiklehrer ändert jetzt die Bewegungsrichtung des Hufeisenmagneten. Er schiebt ihn aus größerer Entfernung rasch über die Leiterschleife. Wieder ist ein Ausschlag am Messgerät zu beobachten. Allerdings schlägt der Zeiger des Messgerätes in die andere Richtung aus.

Was geschieht beim Bewegen des Leiters?

Beim Wegziehen des Magneten nimmt das Magnetfeld um die Leiterschleife ab. Beim Zurückschieben nimmt das Magnetfeld hingegen zu. Je nachdem, ob das Magnetfeld stärker oder schwächer wird, fließt der Strom im Leiter in die eine oder andere Richtung. Würde man den Magnet sehr rasch hin und her bewegen, würde man auf diese Weise Wechselstrom erzeugen.

Die Induktionsspannung ändert ihr Vorzeichen, wenn sich die Bewegungsrichtung des Magneten ändert.

104 Elektromagnetismus Die rotierende Leiterschleife

MERKE DIR!

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Warum fließt Strom, obwohl die Leiterschleife im Magnetfeld bleibt?

Die Leiterschleife bleibt während der Drehung zwar im Magnetfeld, allerdings ändert sich die Anzahl der Feldlinien, die durch die Leiterschleife hindurchdringen. In gleichem Maße ist die Induktionsspannung, die dabei entsteht und die am Voltmeter abgelesen werden kann, unterschiedlich stark.

mp eV

Blättere zurück zu Kapitel 18!

Welcher Zusammenhang zwischen Strom und Magnetfeld wurde dort beschrieben?

Wie hängen Strom- und Magnetfeld hier in diesem Kapitel zusammen?

Erneut führt der Physiklehrer seinen Schülerinnen und Schülern ein Experiment vor. Er nimmt eine Leiterschleife, die sich zwischen den Polen eines Magneten drehen kann. Die Enden der Leiterschleife sind über Schleifringe mit einem Voltmeter verbunden. Beim Drehen der Leiterschleife sieht man am Messgerät, dass ein Wechselstrom entsteht.

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Induktionsspannung und Induktionsstrom Durch ein sich veränderndes Magnetfeld wird in einem elektrischen Leiter eine Induktionsspannung induziert. Diese bewirkt, dass in einem geschlossenen Stromkreis elektrischer Strom fließt. Diesen Strom nennt man Induktionsstrom.

Strom erzeugt Magnetfeld. und

Änderung des Magnetfelds erzeugt Strom.

Die Induktionsspannung ist eine Wechselspannung.

Spulen im Magnetfeld

Wie du schon weißt, bildet sich ein Magnetfeld, sobald Strom durch eine Spule fließt. Die Stärke des Magnetfeldes ist abhängig von der Stromstärke sowie von der Anzahl der Windungen der Spule.

Aber wie verhält sich eine stromlose Spule in einem Magnetfeld?

Oly

Da kein Strom fließt, herrscht im Inneren der Spule kein Magnetfeld. Wenn man einen Stabmagnet in die Spule schiebt, dann ändert sich das Magnetfeld im Inneren der Spule. Die Änderung des Magnetfelds bewirkt, dass Strom durch die Windungen der Spule fließt. An den Enden der Spule kann der Stromfluss mit einem Amperemeter gemessen werden.

Versuch

Führt die Experimente „Schwingender Ring“ und „Strom durch Induktion“ auf S. 163 durch!

Der Strom fließt solange, solange sich der Magnet bewegt. Kommt er zur Ruhe, ist kein Stromfluss mehr messbar.

Die Stärke des Induktionsstroms in einer Spule hängt von der Windungszahl sowie von der Stärke und der Geschwindigkeit des Magneten ab.

Elektromagnetismus 105 Der Fahrraddynamo

Permanentmagnet Gebogenes Eisenstück

Spule

Generator

ag

Reibrolle

Motor

Sicherlich hast du schon einmal einen Fahrraddynamo gesehen. Mit diesem Gerät wird bei einem Fahrrad der elektrische Strom erzeugt, mit dem die Beleuchtung betrieben wird. Die Reibrolle wird durch das sich drehende Rad in Rotation versetzt und dreht einen kleinen Magnet. Dieser rotiert zwischen den beiden Enden eines gebogenen Eisenstücks. Rund um das Eisenstück ist eine Spule gewickelt.

Bei jeder Umdrehung des Magneten kehrt sich die Magnetisierung im Eisenstück und damit das Magnetfeld in der Spule um. In dieser wird dabei elektrischer Strom induziert. Beim Radfahren bedeutet dies: Je schneller du fährst, desto höher ist die Spannung und desto heller leuchtet die Fahrradlampe.

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Pole

Ein Notstromaggregat besteht aus einem Benzin- oder Dieselmotor, der einen Generator antreibt.

Generatoren

mp eV

Generatoren sind Geräte, die die Energie einer Drehbewegung in elektrische Energie umwandeln. Sie liefern immer Wechselstrom. Auch der Fahrraddynamo ist ein Generator.

Man unterscheidet zwei unterschiedliche Arten von Generatoren:

INNENPOLGENERATOR: Bei einem Innenpolgenerator dreht sich der Magnet. Die Spulen, in denen der Strom induziert wird, sind aber fest. Der Fahrraddynamo ist ein Innenpolgenerator.

Innenpolgenerator

AUSSENPOLGENERATOR: Beim Außenpolgenerator hingegen ist der Magnet fest und die Spule dreht sich. Um den in der Spule induzierten Strom ableiten zu können, sind Bürsten und Schleifkontakte erforderlich.

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Durch die Schleifkontakte beim Außenpolgenerator treten Verluste bei der Übertragung der elektrischen Energie auf. Außerdem nutzen sich die Schleifkontakte mit der Zeit ab und müssen ersetzt werden. Daher werden in Kraftwerken meist Innenpolgeneratoren verwendet.

Außenpolgenerator

Generatoren, wie sie in Kraftwerken verwendet werden, bestehen aus mehreren Spulen, in denen sich mehrere Magnete gleichzeitig drehen. Dadurch läuft das Gerät gleichmäßiger.

Außerdem werden bei großen Generatoren meist keine Permanentmagnete, sondern Elektromagnete verwendet.

Spulen eines Innenpolgenerators in einem Kraftwerk

In einem Kraftwerk erzeugen mehrere Generatoren elektrischen Strom.

Wodurch wird bei einem Generator mit nur einem Magneten bzw. einer Spule das gleichmäßige Laufen gestört?

Wovon hängt die Frequenz des Wechselstroms ab?

Die Umdrehungsgeschwindigkeit eines Generators legt fest, welche Frequenz der Wechselstrom hat. Die Frequenz des österreichischen Stromnetzes beträgt 50 Hz.

106 Elektromagnetismus Der Gleichstromgenerator Jeder Generator liefert Wechselstrom.

Jedoch kann mit Hilfe eines Kommutators erreicht werden, dass während einer Umdrehung des Generators die Stromrichtung zweimal geändert wird. So wird immer dann, wenn die Spannung negativ wäre, diese „nach oben geklappt“. Auf diese Weise entsteht keine echte Gleichspannung, sondern eine pulsierende Gleichspannung. Diese ist nicht konstant, sondern ändert während einer Umdrehung ihre Stärke.

Gleichstromgenerator: In ihm wird das gleiche Prinzip wie beim Elektromotor mit Permanentmagnet genutzt.

Versuch

Der Gleichstromgenerator ist genauso aufgebaut wie ein Gleichstrommotor. Wie beim Trommelanker eines Elektromotors kann auch der Rotor eines Gleichstromgenerators aus mehreren Spulen bestehen. Die maximale Spannung der einzelnen Spulen wird jeweils ein wenig verschoben. Dadurch wird der pulsierende Gleichstrom geglättet.

mp eV

Induktion und Energie Der Energieerhaltungssatz gilt auch bei der Induktion: Es kann nur so viel elektrische Energie gewonnen werden, wie zuvor an mechanischer Energie zugeführt wurde.

erl

ag

pulsieren: sich regelmäßig verändern

Führt das Experiment „Der Drehstromgenerator“ auf S. 164 durch!

Der Drehstromgenerator

In einem Drehstromgenerator befinden sich drei Spulen, die kreisförmig angeordnet sind.

Zwischen ihnen dreht sich ein Magnet. Jedes Mal, wenn ein Pol des Magneten einer Spule direkt gegenüber steht, erreicht die Spannung, die in dieser Spule induziert wird, den höchsten Wert. Die drei Spulen stehen in einem Winkel von 120° zueinander. Daher werden so drei Wechselspannungen erzeugt, die gegeneinander verschoben sind.

Induktion im Tauchspulenmikrofon Membran

Permanentmagnet

wellen

Oly

Die Induktion bewirkt, dass ein sich veränderndes Magnetfeld in einem elektrischen Leiter Strom fließen lässt. Ein Generator besteht aus einem Magneten, der sich zwischen Spulen dreht.

So kann die Energie einer Drehbewegung in elektrische Energie umgewandelt werden.

Schall

Spule

Ein Tauchspulenmikrofon nutzt das Prinzip der Induktion, um Töne in elektrische Signale zu verwandeln. Die Schallwellen treffen auf eine Membran und Signal versetzen diese in Schwingung. Die Membran ist fest mit einer Spule verbunden, in der ein Permanentmagnet steckt.

Durch die Schwingungen bewegt sich die Spule auf dem Magneten auf und ab.

Dadurch verändert sich das Magnetfeld in ihrem Inneren und es entsteht eine schwingende Induktionsspannung. Laute Töne erzeugen eine höhere Spannung als leise. Hohe Töne versetzen die Membran in raschere Schwingung als tiefe Töne. So entspricht der Verlauf der Induktionsspannung dem aufgenommenen Ton.

Elektromagnetismus 107

21. UMWANDLUNG VON WECHSELSTROM

ag

Emma und Leonie haben den Tabletcomputer mit in den Garten genommen. Sie suchen im Internet nach dem neuesten Klatsch über ihren Lieblingssänger. Am Abend braucht Leonie das Gerät dann, um ihre Hausaufgaben zu machen. Da der Akku schon ziemlich leer ist, muss sie ihn dazu an das Stromnetz anschließen.

erl

Transformator: vom lateinischen Wort „transformare“ = umformen, umwandeln

Der im Tabletcomputer eingebaute Akku liefert Strom mit einer Spannung von 12 V. Der Netzstrom hat eine Spannung von 230 V.

mp eV

Kann dasselbe Gerät mit 2 unterschiedlichen Spannungen betrieben werden?

Ein Gerät wie ein Tabletcomputer benötigt immer dieselbe Spannung, in diesem Fall 12 V. Vielleicht hast du schon einmal mit einem Tabletcomputer oder einem Notebook gearbeitet. Das Anschlusskabel sieht etwas anders aus als bei anderen Elektrogeräten. Im Kabel findest du ein kleines Kästchen. Dieses Kästchen hat die Aufgabe, den Strom des Stromnetzes mit einer Spannung von 230 V in Strom mit einer Spannung von 12 V umzuwandeln. Dieser Strom betreibt dann den Computer. So einen Spannungsumwandler bezeichnet man als Transformator.

Ein Transformator ist ein Gerät, das die Spannung des elektrischen Wechselstroms ändert.

Zwei Spulen und ein Eisenkern

Oly

Wenn du diese Abbildung betrachtest, siehst du zwei Spulen. Diese sind um einen Ring aus Eisen, den sogenannten geschlossenen Eisenkern, gewickelt. Sobald durch eine Spule, die Primärspule, Wechselstrom fließt, erzeugt dieser ein magnetisches Feld im Eisenkern.

Das Magnetfeld ist nicht konstant. Es wechselt – so wie der Wechselstrom – regelmäßig seine Richtung.

Primärspule

Bei Geräten mit geringem Stromverbrauch wie Handys ist der Transformator direkt im Stecker eingebaut.

ACHTUNG! Transformatoren funktionieren nur mit Wechselstrom!

Erinnere dich! Wovon hängt die Stärke des Magnetfeldes in einer stromdurchflossenen Spule ab?

Sekundärspule

Magnetfeld

Das magnetische Wechselfeld pflanzt sich durch den Eisenkern fort. Es geht auch durch die zweite Spule, die Sekundärspule, auf der anderen Seite. Dort induziert dieses magnetische Wechselfeld durch elektromagnetische Induktion in der Spule einen Wechselstrom.

Die Stärke des Magnetfeldes in einer Spule hängt von der Anzahl ihrer Windungen ab. Umgekehrt hängt die Spannung, die durch ein Magnetfeld in einer Spule induziert wird, ebenfalls von ihrer Windungszahl ab. Haben beide Spulen gleich viele Windungen, dann ist die Spannung in der Sekundärspule dieselbe wie in der Primärspule.

Verluste beim Transformator Bei der Erzeugung des Magnetfeldes in der Primärspule und bei der Induktion des elektrischen Stroms in der Sekundärspule kommt es zu Verlusten, die in Form von Wärmeenergie abgegeben werden. Daher ist die Spannung in der Sekundärspule bei gleicher Windungszahl etwas geringer als in der Primärspule.

108 Elektromagnetismus Die Transformatorgleichung

Versuch

n1 = 14

Wie hoch ist die Spannung in der Sekundärspule?

n2 = 7

Die Primärspule in dieser Abbildung hat doppelt so viele Windungen (n1) wie die Sekundärspule (n2). Die Spannung, die man mit einem V-Meter in der Sekundärspule misst, ist deswegen halb V1 = 230V so groß wie in der Primärspule.

erl

Führt das Experiment „Induktion beeinflusst Magnete“ auf S. 164 durch!

ag

Wenn die Windungszahl der Sekundärspule sich von der der Primärspule unterscheidet, dann sind die Spannungen in den beiden Spulen unterschiedlich hoch.

V2 = 115V

Generell gilt die Transformatorgleichung:

Das Verhältnis der Spannungen in den beiden Spulen eines Transformators ist gleich dem Verhältnis der Windungszahlen.

U1 n1 = U2 n2

mp eV

Transformator

In einem Transformator gilt der Energieerhaltungssatz: Die Energie, die man auf der einen Seite hineinsteckt, muss auf der anderen Seite wieder herauskommen. Daher muss auch die elektrische Leistung in der Primärspule dieselbe sein wie in der Sekundärspule.

Bei diesem Experiment besteht die Sekundärspule nur aus einer einzigen Windung. Durch die hohe Stromstärke wird diese so heiß, dass das Wasser verdampft.

Schaltsymbol Transformator

Elektrische Leistung: P=U•I P1 = P2 U1 • I1 = U2 • I2 U1 I2 n1 = = U2 I1 n2

Die Spannung in der Sekundärspule (U2) wird geringer, wenn sie weniger Windungen hat als die Primärspule. Da die Leistungen in beiden Spulen allerdings gleich sind (P1 = P2), ist die Stromstärke in der Sekundärspule (I2) höher als in der Primärspule (I1).

Da in einem Transformator Verluste auftreten, sind die elektrischen Leistungen auf beiden Seiten nicht genau gleich groß (P1 ≈ P2). Daher gilt dieser Zusammenhang zwischen Spannungen und Stromstärken nicht ganz genau.

Hoch- und Niederspannung

Transformatoren können die Spannung von elektrischem Wechselstrom erhöhen oder verringern. Während beim Tabletcomputer die Spannung des Netzstromes verringert wird, ist es bei anderen Geräten oft erforderlich, eine höhere Spannung zu erzeugen.

Oly

Wo gibt es bei dir in der Nähe ein Umspannwerk?

Ein Transformator besteht aus einer Primärspule, einer Sekundärspule und einem geschlossenen Eisenkern. Er wandelt die Spannung und die Stromstärke von Wechselstrom um.

Die Verluste beim Transport von elektrischer Energie vom Kraftwerk zum Endverbraucher sind umso geringer, je höher die Spannung in der Leitung ist. Daher wird der Strom beim Kraftwerk auf eine hohe Spannung (bis zu 380 000 V) transformiert. Im Umspannwerk in der Nähe der Verbraucher wird dann der Strom wieder auf eine geringere Spannung transformiert.

Umspannwerk

9

Elektromagnetismus 109

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag

1) Geräte zur Nutzung der Induktion – Um welches Gerät handelt es sich? Wähle aus und schreibe die passende Überschrift über die Texte! Setze anschließend die richtigen Nummern zu den Bildern! %%%

erl

Innenpolgenerator © Fahrraddynamo © Außenpolgenerator © Gleichstromgenerator © Drehstromgenerator © Tauchspulenmikrofon

mp eV

In diesem Gerät dreht sich ein Permanentmagnet zwischen den beiden Enden eines gebogenen Eisenstücks. Der Magnet wird durch eine Rolle in Drehung versetzt. (1)

Ein Magnet dreht sich zwischen drei feststehenden Spulen. Diese sind in einem Winkel von 120 ° zueinander angeordnet. (2)

Zwischen den Polen eines feststehenden Permanentmagneten dreht sich eine Spule.

Anstelle des Permanentmagneten kann auch ein Elektromagnet verwendet werden. (3)

Oly

Eine Membran ist mit einer Spule verbunden, in der ein feststehender Stabmagnet steckt. Schwingungen der Luft werden auf die Spule übertragen, in der dadurch Strom induziert wird. (4)

Der Rotor dieses Geräts ist ein Permanentmagnet. Seine magnetischen Feldlinien induzieren in den Spulen des Stators eine Induktionsspannung. (5)

Zwischen den beiden Polen eines Permanentmagneten dreht sich eine Spule.

Der Strom, der in der Spule entsteht, wird über einen Kommutator abgeleitet. (6)

fi

110 Elektromagnetismus

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

9

mp eV

erl

ag

2) Der Induktionsstrom – Ordne in jeder der drei Zeilen die Abbildungen nach der Stärke des auftretenden Induktionsstroms, indem du sie von „1“ für den kleinsten bis „3“ für den stärksten Strom nummerierst! %%

Oly

3) Die Transformatorgleichung – Berechne in deinem Heft die Spannung in der Sekundärspule! %%% Primärspule:

Windungszahl = 460; Spannung = 230 V

Sekundärspule:

Windungszahl = 20; Spannung = __________ V

Primärspule:

Windungszahl = 200; Stromstärke = 0,5 A

Sekundärspule:

Windungszahl = 1; Stromstärke = __________ A

fi

4) Stromstärke im Transformator – Berechne in deinem Heft die Stromstärke in der Sekundärspule! %%%

Elektromagnetismus 111

22. NUTZUNG VON ELEKTRIZITÄT

ag

Im Jahr 1880 wurde dem amerikanischen Erfinder Thomas Alva Edison das Patent für die erste funktionstüchtige Glühlampe erteilt. Damit stand eine neue Technologie zur Verfügung, die die bisherige Beleuchtung mit Kerzen oder Gaslampen ablösen konnte.

Eine der ersten Glühlampen

mp eV

erl

Unmittelbar darauf begann die Elektrifizierung der Welt. Um Glühlampen zum Leuchten zu bringen, musste elektrischer Strom produziert werden. Allerdings gab es zur damaligen Zeit noch keine großen Kraftwerke, wie wir sie heute kennen. Strom wurde mit dampfbetriebenen Generatoren erzeugt. Diese konnten jedoch nur jeweils etwa 1 000 Glühlampen betreiben.

Die ersten Kraftwerke, in denen solche Generatoren betrieben wurden, entstanden in der amerikanischen Stadt New York. Sie erzeugten Gleichstrom mit einer Spannung von 110 V, der nicht über größere Entfernungen transportiert werden konnte. Daher versorgten diese Kraftwerke nur jeweils ein kleines Gebiet – oft auch nur ein einzelnes Gebäude – mit elektrischem Strom für die Beleuchtung.

Dampfgenerator

Strom für die Beleuchtung wurde jedoch nur zu bestimmten Zeiten des Tages benötigt. Um eine gleichmäßigere Auslastung der Kraftwerke zu erreichen, wurden daher in der Folge auch andere Geräte wie Bügeleisen und Elektroherd entwickelt. Sehr bald wurde auch begonnen, elektrische Motoren für den Betrieb von Straßenbahnen einzusetzen.

1883: Elektrische Straßenbahn zwischen Mödling und Hinterbrühl (NÖ)

Bei regelmäßigen Weltausstellungen wurden immer neue Entwicklungen von elektrischen Geräten präsentiert.

Elektrizität als Massenware

Oly

Je mehr elektrische Geräte es gab, desto mehr elektrische Energie wurde benötigt. Bald waren die kleinen Kraftwerke in den Städten nicht mehr in der Lage, ausreichend Energie zur Verfügung zu stellen. Daher wurden größere Kraftwerke außerhalb der Städte errichtet. Um die elektrische Energie über die größeren Entfernungen transportieren zu können, musste von Gleich- zu Wechselstrom übergegangen werden.

1891: Anlage zur Erzeugung elektrischen Stroms

Gleichzeitig wurde damit begonnen, mehrere Kraftwerke durch ein Stromnetz miteinander zu verbinden. Auf diese Weise konnte man den unterschiedlichen Strombedarf in verschiedenen Gebieten und zu verschiedenen Tageszeiten besser ausgleichen.

Ab wann gab es Elektrizität in Österreich?

• Bereits im Jahr 1883 wurde zwischen Mödling und Hinterbrühl (NÖ) eine 4,5 km lange Strecke mit einer elektrischen Straßenbahn betrieben.

• Als erste österreichische Stadt führte Steyr (OÖ) im Jahr 1884 eine elektrische Straßenbeleuchtung ein. In Amerika gab es erst im Jahr 1911 eine solche Beleuchtung.

• Als erste österreichische Stadt hatte Salzburg ab dem Jahr 1887 ein städtisches Elektrizitätswerk. Wien und Innsbruck folgten im Jahr 1889.

Firmengründungen durch Elektrizität Mit dem Aufkommen der Elektrizität wurden zahlreiche Unternehmen gegründet, die es teilweise auch heute noch gibt. So stammen Firmennamen wie Siemens, AEG oder Elektra Bregenz aus dieser Zeit.

112 Elektromagnetismus Erzeugung elektrischer Energie heute

ag

Um elektrische Energie zu erzeugen, benötigt man Primärenergie. Diese kann … ƒ aus der potentiellen oder kinetischen Energie von Wasser ƒ aus der Wärmeenergie eines Verbrennungsvorganges oder eines Atomzerfalls ƒ aus der kinetischen Energie von Luft (Wind) ƒ direkt von der Sonne stammen Bei Wasserkraftwerken unterscheidet man Speicher- und Laufkraftwerke.

Bei so einem Kraftwerk wird das Wasser eines Flusses in einem hoch gelegenen Staubecken gespeichert. Sobald elektrische Energie benötigt wird, wird die Rohrleitung geöffnet und Wasser strömt auf eine Turbine.

In Speicherkraftwerken wird meist eine Freistrahlturbine, die man auch Peltonturbine nennt, eingesetzt. Das Wasser wird durch eine Düse mit hohem Druck auf die Schaufeln des Turbinenrades geleitet. Dieses wird dabei in eine Drehbewegung versetzt. Die Turbine ist mit einem Generator verbunden, der elektrischen Strom erzeugt.

mp eV

Düse: verengtes Rohr, durch das eine Flüssigkeit mit Druck austritt

Speicherkraftwerke

erl

Wasserrad: Die Kraft des Wassers wird schon sehr lange genutzt, um Maschinen zu betreiben.

Oberbecken

Funktionsweise einer Düse

Generator

Schaufel: hier p dünnes gebogenes Metallstück, ähnlich einem Löffel

Turbine

Von welchen Speicherkraftwerken in Österreich hast du schon gehört?

Pumpe

Speicherkraftwerk

Welche Laufkraftwerke in Österreich kennst du?

Peltonturbine

Die Energie dieses Kraftwerkes steht dann zur Verfügung, wenn besonders viel Strom erforderlich ist. In Zeiten, wo andere Kraftwerke zu viel Strom produzieren, kann deren Energie auch genutzt werden, um mit Pumpen Wasser vom unteren Becken wieder nach oben zu befördern.

Laufkraftwerke

Laufkraftwerke findet man an Flüssen, die ständig Wasser führen. Der Fluss wird aufgestaut, allerdings beträgt der Höhenunterschied durch das Aufstauen nur einige Meter. Das Wasser fällt von oben auf die Turbine, die ähnlich wie ein Flugzeugpropeller aussieht. Diese Turbine bezeichnet man als Kaplanturbine. Laufkraftwerke liefern ständig elektrischen Strom.

Oly

Woher hat die Kaplanturbine ihren Namen?

Viktor Kaplan war ein österreichischer Ingenieur, der sich sein Leben lang mit der Nutzung der Wasserkraft beschäftigte. Unter anderem entwickelte er eine Turbine mit einstellbaren Schaufeln, die nach ihm benannt wurde.

Die erste wurde im Jahr 1919 in Betrieb genommen.

Unterbecken

Da sämtliches Wasser des Flusses durch die Turbine geleitet wird, hängt die Energiemenge des Kraftwerkes davon ab, welche Wassermenge der Fluss führt.

Daher ist die Energieausbeute nach der Schneeschmelze höher als während einer Trockenperiode. In Österreich gibt es an allen größeren Flüssen Laufkraftwerke.

Laufkraftwerk mit Kaplanturbine

Elektromagnetismus 113

ƒ Kohle- und Gaskraftwerk: Die Wärme wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Bei Gaskraftwerken können die Verbrennungsgase von Erdgas auch direkt die Turbine in Drehung versetzen.

Turbine

Transformator

Abgasreinigung

Generator

erl

Bei Wärmekraftwerken oder kalorischen Kraftwerken wird aus Wärmeenergie elektrischer Strom gewonnen. Durch die Wärme entsteht Dampf, der eine Turbine in Drehung versetzt. Diese treibt einen Generator an, der den Strom erzeugt. Je nachdem, auf welche Weise die Wärmeenergie gewonnen wird, unterscheidet man verschiedene Arten von Kraftwerken:

ag

Kalorische Kraftwerke und Atomkraftwerke

Kondensator

ƒ Biomassekraftwerk: Die Wärme wird aus nachwachsenden Rohstoffen wie Holz oder Stroh gewonnen. Auch Abfälle wie Altpapier oder Alttextilien können verbrannt werden.

mp eV

Abwärme / Fernwärme

ƒ Atomkraftwerk: Die Wärme wird aus radioaktiven Zerfällen gewonnen.

Bei kalorischen Kraftwerken wird der heiße Dampf in einem Kondensator wieder verflüssigt. Häufig wird bei kalorischen Kraftwerken die dabei entstehende Abwärme als Fernwärme genutzt. Mit dieser werden Wohnungen beheizt. Diese doppelte Nutzung der Wärme, also zur Stromerzeugung und zum Beheizen, bezeichnet man als Kraft-Wärme-Kopplung.

Windkraftwerke

Welchen Wirkungsgrad haben Wärmekraftwerke?

Ca. 30 – 45 % der eingesetzten Energie können in elektrische Energie umgewandelt werden. Wird die Abwärme als Fernwärme genutzt, steigt der gesamte Wirkungsgrad auf 60 – 70 %.

Bewegte Luft – der Wind – versetzt ein großes Windrad in Drehbewegung. Durch einen Generator, der direkt mit dem Windrad verbunden ist, wird elektrischer Strom erzeugt.

In Gebieten, in denen es viel Wind gibt, findet man häufig viele Windräder nebeneinander. So eine Anordnung von Windrädern nennt man Windpark. Der Tauernwindpark (Stmk) ist mit einer Höhe von 1 900 m der zweithöchstgelegene in Europa.

Die 13 Windräder mit einem Durchmesser von jeweils 66 m erbringen eine Leistung von ca. 23 MW. Damit können 13 000 Haushalte mit Strom versorgt werden.

Wo hast du schon einmal ein Windkraftwerk gesehen?

Welchen Einfluss könnten die Windräder auf die Tierwelt haben?

Sonnenkraftwerke

Oly

Fotovoltaikkraftwerke wandeln die Sonnenstrahlung direkt in elektrischen Strom um. Bei Sonnenwärmekraftwerken wird durch Spiegel die Sonnenstrahlung auf die Spitze eines Turms gelenkt. Dort wird es so heiß, dass Wasser verdampft werden kann, das eine Turbine antreibt.

Tauernwindpark (Stmk)

Fotovoltaikkraftwerk in Portugal

Sonnenwärmekraftwerk Gemasolar in Spanien (aus 2 650 Spiegeln)

114 Elektromagnetismus Stromnetze sichern die Energieversorgung

ag

Der Stromverbrauch ist nicht immer gleich. Zu bestimmten Tageszeiten wie in der Früh, wenn viele Menschen gleichzeitig aufstehen und ihr Frühstück zubereiten, wird mehr Strom benötigt als in der Nacht. Den Strombedarf, der immer vorhanden ist, bezeichnet man als Grundlast. Dieser Strom wird in Österreich vor allem durch Laufkraftwerke erzeugt. Der Strom, der in den Spitzenzeiten benötigt wird, heißt Spitzenlast. Dieser Strom wird durch Kraftwerke erzeugt, deren Leistung man rasch an den Bedarf anpassen kann. Dazu zählen Speicherkraftwerke und kalorische Kraftwerke.

Damit der Strom von den einzelnen Kraftwerken zuverlässig zu den Verbrauchern kommt, sind Kraftwerke, Stromleitungen und Verbraucher zu einem Stromnetz zusammengeschaltet.

erl

Was geschieht, wenn ein Kraftwerk ausfällt?

Alle Kraftwerke sind durch das Stromnetz miteinander verbunden. Fällt eines aus, wird die Leistung der anderen Kraftwerke erhöht.

Das österreichische Stromnetz ist dazu auch mit allen anderen europäischen Netzen verbunden.

Industrieanlagen und Großverbraucher wie Krankenhäuser sind direkt mit dem Umspannwerk verbunden.

mp eV

Hochspannungsleitungen bringen den Strom vom Kraftwerk zu den Verbrauchern.

Laufkraftwerke decken die Grundlast ab.

Die Hochspannung beträgt bis zu 380 kV.

Speicher- und kalorische Kraftwerke decken die Spitzenlast ab.

GWh: Gigawattstunde, 1 Mio. kWh

In Kraftwerken wird Primärenergie in elektrische Energie umgewandelt. Es gibt Wasser-, Wärme-, Windund Sonnenkraftwerke.

Die elektrische Energie wird durch das Stromnetz verteilt.

Im Umspannwerk wird die Hochspannung auf 20 kV verringert.

Häuser und Haushalte beziehen ihren Strom von der Trafostation.

Stromproduktion und -verbrauch in Österreich In Österreich gibt es: ƒ 673 Laufkraftwerke ƒ 107 Speicherkraftwerke ƒ 614 kalorische Kraftwerke

Zusätzlich gibt es noch tausende kleinere Kraftwerke, die privat betrieben werden, sowie Wind- und Solaranlagen. Diese Kraftwerke liefern im Jahr etwa 70 GWh elektrischen Strom an das Stromnetz. Trotz dieser gewaltigen Menge an elektrischer Energie ist Österreich nicht in der Lage, sich damit selbst zu versorgen. In jedem Jahr müssen ca. 3 GWh an elektrischer Energie aus dem Ausland importiert werden.

Oly

Welche Kraftwerke gibt es in deiner Nähe?

Wo stehen das Umspannwerk und die Trafostation, von der du elektrischen Strom beziehst?

In einer Trafostation wird die Spannung auf 400 V bzw. 240 V reduziert.

Im Durchschnitt verbrauchen jeder Österreicher und jede Österreicherin pro Jahr 9 000 kWh an elektrischer Energie. Das ist so viel, wie eine Waschmaschine benötigen würde, die das ganze Jahr ununterbrochen läuft.

Der Anteil an Ökostrom ist in Österreich sehr hoch. Er liegt bei etwa 73 %. Unter Ökostrom versteht man Strom, der aus erneuerbaren Energiequellen wie Wasserkraft, Windkraft oder Biomasse stammt.

Elektromagnetismus 115

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

43,5 1,3 23,0

6,4

0,2 3,4

Laufkraftwerke Speicherkraftwerke fossile Brennstoffe Biogene Brennstoffe Windkraftwerke Photovoltaik Sonstige

Der Großteil des in Österreich erzeugten Stroms, nämlich ______ %, stammt

aus

Wasserkraft.

erl

22,2

ag

1) Stromproduktion in Österreich – Betrachte diese Grafik und fülle anschließend die Lücken im Text! %%

zweitgrößte

Anteil

stammt

Der mit

_______ % aus fossilen Brennstoffen.

_________________________________________, zu denen neben Holz und Stroh auch Biogas gehört, liefern

mp eV

_________ % des Stroms. ______ % des österreichischen Stroms wird aus Windkraft gewonnen. Der Anteil von _____________________ liegt lediglich bei 0,2 %.

2) Turbinen – Herr Professor Zweistein hat für die Schülerzeitung einen Artikel über Turbinen verfasst. Lies diesen Artikel aufmerksam durch und beschrifte anschließend die Bilder! Kreuze auch an, für welche Art von Wasserkraftwerken die Turbinen verwendet werden! %%%

Oly

Je nach Kraftwerkstyp werden unterschiedliche Turbinen eingesetzt. In Speicherkraftwerken verwendet man üblicherweise Pelton-Turbinen. Bei diesen wird das Wasser seitlich auf die Schaufeln geleitet. Francis-Turbinen können sowohl in Speicher- als auch in Laufkraftwerken eingesetzt werden. Die Turbinenschaufeln selbst sind starr.

Bevor das Wasser auf die Turbine trifft, wird es durch bewegliche „Flossen“, die rund um die Turbine angeordnet sind, in Drehung versetzt.

_________________turbine

Diese Flossen dienen auch dazu, die Durchflussmenge des Wassers zu regulieren. So wird die Drehzahl der Turbine konstant gehalten. Die Kaplan-Turbine ist eine Weiterentwicklung der Francis-Turbine. Bei dieser Turbine fällt das Wasser von oben auf die waagrecht liegende Turbine. Die Turbinenschaufeln sind verstellbar. Dadurch kann erreicht werden, dass sich die Turbine immer gleich schnell dreht, auch wenn sich die Menge des durchströmenden Wassers ändert.

_________________turbine

_________________turbine

fi

Laufkraftwerk

Laufkraftwerk

Laufkraftwerk

Speicherkraftwerk

Speicherkraftwerk

Speicherkraftwerk

116 Elektromagnetismus

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

9

ag

3) Der Strompreis – Lies diese Information eines Energielieferanten, der über die Zusammensetzung des Strompreises Auskunft gibt, aufmerksam durch! %% Information

erl

Der Strompreis setzt sich aus vier Komponenten zusammen: 1. Energiepreis: Dieser ist je nach Stromanbieter unterschiedlich. Pro verbrauchte kWh ist ein gewisser Betrag zu bezahlen. Manchmal hängt der Preis von der Anzahl der kWh ab. Wird sehr viel Strom benötigt, sinkt der Preis pro kWh. Den verbrauchsabhängigen Energiepreis nennt man auch Arbeitspreis. Manche Anbieter verrechnen zusätzlich eine Grundgebühr, die pro Monat zu bezahlen ist, unabhängig davon, wie viel Strom verbraucht worden ist.

2. Netztarif: Dieser ist unabhängig vom Stromanbieter. Mit dieser Preis-Komponente werden die Kosten für das Stromnetz abgedeckt.

3. Steuern und Abgaben: Auch diese sind unabhängig vom Stromanbieter.

4. Umsatzsteuer: Auf die Summe der ersten drei Komponenten werden noch 20 % Umsatzsteuer aufgeschlagen.

FIX-STROM Arbeitspreis: 0 – 2 000 kWh 2 000 – 10 000 kWh über 10 000 kWh Grundgebühr:

mp eV

Hier findest du Informationen von drei Stromanbietern. Berechne, wie hoch die jährlichen Stromkosten sind, wenn pro Jahr 5 000 kWh verbraucht werden! Führe die Rechnungen in deinem Heft durch! %%%%

5,87 Cent/kWh 5,82 Cent/kWh 5,76 Cent/kWh 3,5 €/Monat

E-Diskont

ELEKTROPOWER

Arbeitspreis: 0 – 50 000 kWh

Arbeitspreis: 0 – 3 500 kWh 3 500 – 20 000 kWh über 20 000 kWh Grundgebühr:

Grundgebühr:

4,97 Cent/kWh keine

6,31 Cent/kWh 6,14 Cent/kWh 5,98 Cent/kWh 1 €/Monat

Mein Energiepreis:

Mein Energiepreis: Netztarif:

Steuern u. Abgaben:

Mein Energiepreis:

Netztarif:

253,50 €/Jahr

Steuern u. Abgaben:

198,30 €/Jahr

253,50 €/Jahr

198,30 €/Jahr

Netztarif:

253,50 €/Jahr

Steuern u. Abgaben:

198,30 €/Jahr

Netto-Preis:

Netto-Preis:

Netto-Preis:

20 % USt.:

20 % USt.:

20 % USt.:

Gesamtkosten:

Energieträger: Erneuerbar Wasserkraft Windenergie Biomasse

100 % 88,4 % 5,3 % 6,3 %

Energieträger: Erneuerbar Wasserkraft Fossil Erdgas Braunkohle Erdöl

Gesamtkosten:

43,6 % 43,6 % 56,4 % 36,9 % 12,6 % 6,9 %

Energieträger: Erneuerbar Wasserkraft Windenergie Biomasse Solarenergie Fossil Erdgas

Diskutiert in der Klasse darüber, welchen Stromanbieter ihr wählen würdet!

Welche Gründe könnte es geben, nicht den billigsten Anbieter zu wählen?

87,2 % 77,3 % 4,9 % 3,6 % 1,4 % 12,8 % 12,8 %

fi

Oly

Gesamtkosten:

Elektromagnetismus 117

23. ELEKTRONIK UND MIKROELEKTRONIK

ag

Im Physikunterricht geschieht Jakob ein Missgeschick: Das Multimeter, mit dem er gerade Messungen durchführt, fällt zu Boden und die hintere Abdeckung löst sich. Überrascht stellt er fest, dass im Inneren eines Multimeters sehr viele Einzelteile enthalten sind. Offensichtlich sind alle diese Teile erforderlich, damit Jakob mit dem Gerät Messungen durchführen kann.

erl

Wofür sind alle diese elektronischen Bauteile erforderlich?

Jeder dieser elektronischen Bauteile erfüllt eine bestimmte Funktion. Die Widerstände, die Jakob erkennt, reduzieren die Spannung in einem elektrischen Schaltkreis. Neben Widerständen gibt es aber noch zahlreiche andere Schaltelemente.

mp eV

Der Kondensator

Wie ist ein Kondensator aufgebaut?

Die Kapazität eines Kondensators hängt von der Plattengröße und vom Plattenabstand ab. Bei Kondensatoren mit großer Kapazität werden meist zwei dünne Metallfolien, zwischen denen sich eine isolierende Kunststofffolie befindet, zu einer Rolle aufgewickelt. Die Kapazität von Drehkondensatoren kann verändert werden, indem man die Platten mehr oder weniger weit ineinanderschiebt.

Ein Kondensator besteht aus zwei Metallplatten, zwischen denen sich ein Isolator befindet. Wird eine elektrische Spannung angelegt, laden sich die Platten elektrostatisch auf. Dabei wird die Elektronenzahl auf einer Seite erhöht und auf der anderen vermindert. Ein Kondensator ist auf diese Weise in der Lage, elektrische Ladungen zu speichern.

Isolator

Metallplatten Plattenkondensatoren

Ein Kondensator speichert elektrische Ladungen.

Die Ladung, die ein Kondensator speichern kann, hängt von der Größe der Platten, ihrem Abstand zueinander und von der elektrischen Spannung ab. Ein Kondensator, der bei einer Spannung von 1 V eine Ladung von 1 C (Coulomb) speichern kann, hat eine Kapazität von 1 Farad. Diese Einheit wird mit F abgekürzt. Das Zeichen der Kapazität ist C (von lat. „capacitas“ = Fassungsvermögen).

Wickelkondensatoren

Oly

In einem Gleichstromkreis wirkt ein Kondensator wie ein Isolator. Lediglich beim Laden und Entladen entsteht ein kurzer Stromstoß, der solange anhält, bis die Plattenoberfläche mit Elektronen gefüllt ist. Im Wechselstrom werden die beiden Platten abwechselnd geladen und entladen.

Die Spule im Stromkreis

Drehkondensator

Schließt man einen Stromkreis, so verändern sich sofort die Spannung und die Stromstärke. Befindet sich im Stromkreis eine Spule, dann baut sich beim Einschalten in der Spule ein Magnetfeld auf. Dieses anwachsende Magnetfeld führt in der Spule selbst zu einer Induktionsspannung.

Farad: Einheit der Kapazität; ist nach dem englischen Wissenschaftler Michael Faraday benannt

Diese Spannung ist der angelegten Spannung entgegengesetzt und hemmt dadurch den Stromfluss, bis sich das Magnetfeld ganz aufgebaut hat. Diesen Effekt bezeichnet man als Selbstinduktion.

In welchem Zusammenhang hast du Michael Faraday schon kennen gelernt?

118 Elektromagnetismus

ag

Eine Spule in einem Stromkreis bewirkt durch Selbstinduktion, dass sich beim Ein- und Ausschalten die Stromstärke langsamer ändert.

Halbleiter als Material elektronischer Bauteile

Bei Metallen erfolgt die elektrische Leitung dadurch, dass sich manche Elektronen im Kristallgitter der Metallatome frei bewegen können. Bei Halbleitern wie Silizium oder Germanium gibt es jedoch keine freien Elektronen. Alle Elektronen sitzen an fixen Plätzen.

Führt man Energie z. B. in Form von Wärme zu, können einzelne Elektronen ihre Plätze verlassen und sich frei bewegen. So entsteht eine geringe elektrische Leitfähigkeit.

Legt man eine Spannung an, so bewegt sich das Elektron zum positiven Pol. Der Platz, an dem das Elektron zuvor war, ist freies Elektron jetzt leer. Man bezeichnet ihn als „Loch“. Dieses Loch kann dadurch aufgefüllt werden, dass vom Nachbaratom, das näher beim negativen Pol liegt, ein Elektron in das Loch springt. Dadurch wandert das Loch in Richtung zum negativen Pol. Bei Halbleitern spricht man daher von zwei Arten von Leitung: Der Elektronenleitung und der LöcherBewegungsrichtung der Elektronen Bewegungsrichtung der Löcher leitung.

mp eV

Was sind NTC- und LDR-Widerstände?

In Metallen nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur zu. Bei Halbleitern nimmt der Widerstand jedoch ab, da mehr Ladungsträger entstehen.

So einen Widerstand nennt man NTC-Widerstand (Negative Temperature Coefficient).

Beim LDR (Light Dependent Resistor) oder Fotowiderstand entstehen die Ladungsträger durch auffallendes Licht.

erl

Schaltzeichen für Kondensator und Spule

Beim Ausschalten bewirkt das abnehmende Magnetfeld in der Spule, dass die Stromstärke nicht plötzlich auf Null zurückgeht, sondern stetig abnimmt. Dadurch werden andere elektronische Bauteile geschont, die durch eine zu rasche Veränderung der Spannung und der Stromstärke beschädigt werden könnten.

Donator: aus dem Lateinischen; „donare“ = schenken Akzeptor: aus dem Lateinischen; „accipere“ = annehmen

Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern hängt stark von der Temperatur ab. Bei Raumtemperatur leiten sie den elektrischen Strom kaum.

Dotieren von Halbleitern

Oly

Phosphoratom in Silizium als Donator

Das für Halbleiterbauteile am häufigsten verwendete Material ist Silizium. Dieses ist vierwertig. Das bedeutet, dass es in der äußersten Elektronenschale vier Elektronen besitzt, mit denen es Bindungen zu seinen Nachbaratomen eingeht. Durch das Beigeben von Atomen einer anderen Art kann die Leitfähigkeit verändert werden. Dieses Beigeben nennt man Dotieren.

Dotieren mit Donatoren: Fünfwertige Elemente wie Phosphor geben ein Elektron für die Elektronenleitung ab. Diese Art der Dotierung bezeichnet man als „n-Dotierung“, da negative Ladungsträger entstehen.

Aluminiumatom in Silizium als Akzeptor

Dotieren mit Akzeptoren: Dreiwertige Elemente wie Aluminium nehmen ein Elektron eines benachbarten Halbleiteratoms auf. Sie erzeugen so ein Loch für die Löcherleitung. Löcher verhalten sich wie positive Ladungsträger. Daher bezeichnet man diese Dotierung als „p-Dotierung“.

Elektromagnetismus 119 Dioden

Schaltzeichen für eine Diode; der Pfeil gibt die Durchlassrichtung an.

ag

Eine Diode ist ein Halbleiterbauteil, bei dem eine Seite n-dotiert und die andere Seite p-dotiert ist. Am p-n-Übergang berühren sich die beiden dotierten Bereiche. Dort füllen die Elektronen des einen Bereiches die Löcher des anderen. Auf einer Seite befinden sich dadurch zu viele Elektronen, auf der anderen zu wenige. So p-dotiert n-dotiert entsteht eine elektrisch geladene Sperrschicht. Es tritt eine Spannung auf, die verhindert, dass weitere Elektronen aus der n-Schicht in die p-Schicht gelangen, um sämtliche Löcher zu füllen.

erl

Sperrschicht

Wozu werden Fotodioden verwendet?

Diese werden als Lichtsensoren eingesetzt. Sie geben ein Signal ab, solange Licht darauf fällt. Du findest sie z. B. bei Aufzugstüren. In Solarzellen erzeugen sie aus Licht elektrischen Strom.

mp eV

Eine Diode lässt Strom nur in eine Richtung durch. Legt man den negativen Pol einer Stromquelle an die n-Schicht, dann werden durch die Spannung Elektronen und Löcher voneinander weggezogen. Die Sperrschicht wird auf diese Weise vergrößert. Ändert man die Polung und ist die Spannung höher als die Spannung an der Sperrschicht, dann können die Elektronen durch die Löcher von einer Seite zur andern wandern – Strom fließt.

Die Fotodiode

In der Sperrschicht gibt es elektrisch geladene Teilchen, die ein Elektron zu viel haben. Fallen Lichtstrahlen auf diese Teilchen, dann führen sie diesen Energie zu. Diese Energie bewirkt, dass die Elektronen abgespalten werden. Die Spannung in der Sperrschicht zieht Elektronen zur n-Schicht, die sich dadurch negativ auflädt. Verbindet man die p- und die n-Schicht mit einem Leiter, so fließt Strom. Auf diese Weise kann man aus Licht elektrische Energie gewinnen.

Der Transistor

Wo hast du schon überall Lichtsensoren gesehen?

Was ist eine LED? LED steht für „Light-Emitting Diode“. Es bezeichnet eine Diode, die Licht abgibt, sobald Strom in Durchlassrichtung fließt.

Transistoren

Ein Transistor ist ein Halbleiterbauteil, das aus drei Bereichen mit unterschiedlicher Dotierung besteht. Je nachdem, wie die dotierten Schichten aufeinander folgen, unterscheidet man NPN- und PNP-Transistoren.

Oly

Die drei Bereiche bezeichnet man als: ƒ Basis (B) ƒ Emitter (E) ƒ Kollektor (C)

An diesen befindet sich jeweils ein elektrischer Anschluss.

Ein Transistor wirkt wie ein Schalter, bei dem der Strom in einem Stromkreis den Strom in einem anderen steuert.

Fließt Strom im Steuerkreis zwischen B und E, dann bilden sich in der Basis Ladungsträger. Durch diese kann ein wesentlich größerer Strom im Arbeitskreis zwischen E und C fließen. So kann ein Transistor als Verstärker verwendet werden.

Stromfluss durch einen NPN-Transistor

Schaltzeichen für NPN- und PNP-Transistor

Stromfluss durch einen PNPTransistor

120 Elektromagnetismus Der Transistor als Schalter

ag

Bei einem Transistor schaltet ein Strom in einem Stromkreis den Strom in einem anderen Stromkreis ein oder aus. Diese Eigenschaft des Transistors nutzt man z. B. in einem Computerchip. Dieser besteht aus vielen miteinander verbundenen Transistoren. Je nachdem, durch welche seiner zahlreichen Anschlussdrähte Strom in den Chip geleitet wird, nimmt der Strom unterschiedliche Wege. So können komplizierte Rechenoperationen durchgeführt werden.

Computerchip

erl

Auf einem einzelnen Computerchip befinden sich mehrere Milliarden Transistoren.

Diese werden gleichzeitig aus einer Scheibe aus Halbleitermaterial hergestellt.

Digitale Information

Ein Transistor kennt nur zwei mögliche Zustände: Strom fließt oder eben nicht. Die Information, die ein Computer verarbeiten kann, muss daher so aufbereitet werden, dass sie diesen beiden Zuständen entspricht. Sie muss in eine digitale Form gebracht werden, also in eine Abfolge von „0“ (Strom fließt nicht) und „1“ (Strom fließt) umgewandelt werden. Auf diese Weise kann Information auch übertragen oder gespeichert werden.

mp eV

Wie erfolgt die digitale Informationsübertragung und -speicherung?

Bei der Übertragung wird die Information in eine Abfolge von Stromstößen oder Lichtblitzen umgewandelt.

So kann sie über Kupferleitungen oder Glasfaserkabel übertragen werden.

In einem elektronischen Speicher werden „0“ und „1“ gespeichert, indem winzige Bereiche im Speicher magnetisiert werden. Auf einer DVD gibt es winzige Vertiefungen, die das Licht eines Lasers beeinflussen.

Der Schwingkreis – eine Kombination mehrerer Bauteile

ACHTUNG!

Elektronisch gespeicherte Daten können mit der Zeit verloren gehen.

1.

3.

2.

4.

Ein Kondensator und eine Spule bilden gemeinsam einen Schwingkreis, in dem der Strom ständig hin und her schwingt. Stell dir vor, der Kondensator wäre aufgeladen!

1. Zwischen den Platten des Kondensators gibt es ein elektrisches Feld.

Dieses bewirkt, dass Strom fließt.

2. Der Strom fließt durch die Spule. Dadurch bildet sich in dieser ein Magnetfeld. Sobald der Kondensator entladen ist und kein Strom mehr fließt, nimmt das Magnetfeld in der Spule wieder ab.

Dieses abnehmende Magnetfeld erzeugt durch Selbstinduktion einen Strom.

3. Dieser Strom lädt die Platten des Kondensators wieder auf, allerdings in entgegengesetzter Richtung.

4. Darauf entlädt sich der Kondensator erneut, der Strom fließt allerdings in die andere Richtung.

Oly

Durch den elektrischen Widerstand wird der Strom immer geringer. Um die Schwingung aufrecht zu erhalten, muss also stets neue elektrische Energie zugeführt werden.

Der offene Schwingkreis – die Dipolantenne

Elektronische Schaltungen bestehen aus vielen Bauteilen wie Widerständen, Kondensatoren, Spulen, Dioden oder Transistoren. Ein Kondensator und eine Spule bilden gemeinsam einen Schwingkreis.

Biegt man die Platten des Kondensators in einem Schwingkreis zu einem geraden Leiter auseinander, so entsteht ein offener Schwingkreis. Das elektrische Feld entsteht zwischen den Enden des Leiters und wird seitlich abgestrahlt.

So einen Leiter bezeichnet man als Dipolantenne. Das abgestrahlte Feld erzeugt in einem anderen offenen Schwingkreis wieder eine Schwingung.

Elektromagnetismus 121

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Ausschnitt aus dem ASCII-Code: 0011 0000

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0011 0001

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0011 0011

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0011 1001

A

0100 0001

B

0100 0010

C

0100 0011

D

0100 0100

E

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0100 0110

G

0100 0111

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I

0100 1001

J

0100 1010

K

0100 1011

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0100 1100

M

0100 1101

N

0100 1110

O

0100 1111

P

0101 0000

Q

0101 0001

R

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S

0101 0011

T

0101 0100

U

0101 0101

V

0101 0110

W

0101 0111

X

0101 1000

Y

0101 1001

Z

0101 1010

mp eV

0

Information Interchange“ wurde im Jahr 1963 entwickelt und wird von allen Computern verwendet. Jedes einzelne „0“ oder „1“ bezeichnet man als „Bit“. Eine Gruppe von acht solchen Bits, die ein Zeichen der „normalen“ Schrift darstellt, nennt man „Byte“.

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Der ASCII-Code Damit ein Computer Text verarbeiten kann, müssen alle Zeichen dieses Textes in eine Abfolge von „0“ und „1“ umgewandelt werden. Dies geschieht nach dem ASCII-Code. Jeder Buchstabe, jede Zahl und jedes Sonderzeichen wird dabei durch acht „0“ und „1“ dargestellt. Der „American Standard Code for

ag

1) Lesen wie ein Computer – Lies diesen Informationstext! %

2) Übertrage dieses „Computerwort“ in einen normalen Text! %%%

0100 0011 0100 1111 0100 1101 0101 0000 0101 0101 0101 0100 0100 0101 0101 0010 ___

___

___

___

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___

___

3) Schreibe nun deinen eigenen Namen in „Computersprache“ in dein Heft! %% 4) Entschlüsseln wie ein Computer – Lies zunächst nach, wie ein Computer einen Text verschlüsselt und dadurch verhindert, dass ihn ein Unbefugter lesen kann! Dann entschlüssle den darunter stehenden Geheimtext! %%%%

fi

Oly

Um einen Text, der aus „0“ und „1“ besteht, zu verschlüsseln, braucht man eine zufällige Abfolge aus „0“ und „1“, die genau so lang ist wie der Text.

Diese zufällige Abfolge ist der „Schlüssel“. Jedes Zeichen des Textes wird mit einem Zeichen des Schlüssels addiert. Dabei gelten folgende Rechenregeln: 0+0=0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1=0. So erhält

man den „Geheimtext“. Addiert man den Schlüssel noch einmal zum Geheimtext, erhält man wieder den ursprünglichen Text. So können zwei Personen, die denselben Schlüssel haben, eine Nachricht miteinander austauschen, die nicht abgehört werden kann.

Geheimtext:

00100100

01100100

11100000

01001010

10011011

10011010

Schlüssel:

01110100

00101100

10111001

00011001

11010010

11010001

Text:

________

________

________

________

________

________

Klartext:

___

___

___

___

___

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122 Elektromagnetismus

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag

5) Schwingkreis und Transistor – Entscheide, an welche Stelle im Text der Satz im Kästchen gehört!

Male den entsprechenden Buchstaben mit einem Buntstift an! %%%% Die Spule des Schwingkreises ist induktiv mit einer zweiten Spule gekoppelt, die mit der Basis eines Transistors verbunden ist.

Aufgrund des elektrischen Widerstandes würde die

erl

A

Schwingung in einem Schwingkreis sehr rasch abklingen.

B Damit die Schwingung gleichmäßig weitergeht, muss der Strom regelmäßig verstärkt werden. C Dies geschieht mit Hilfe der Meißner-Schaltung, die 1913 vom österreichischen

D Fließt in der Schwingkreis-Spule Strom, so wird auch

mp eV

Elektrotechniker Alexander Meißner entwickelt wurde.

E Dieser bewirkt, dass die Basis des Transistors mit Strom versorgt wird.

F Dadurch fließt auch vom Emitter zum Kollektor Strom. G Der Kollektor ist mit dem Schwingkreis verbunden, sodass der Stromfluss durch den Transistor den Strom im Schwingkreis verstärkt. H Durch diese Schaltung wird

in der anderen Spule Strom induziert.

erreicht, dass der Strom immer nur dann verstärkt wird, wenn er im Schwingkreis in die richtige Richtung fließt.

6) Digitale Speicher – Auf welchem dieser Speichermedien wird Information in digitaler Form gespeichert?

Ringle die richtigen Buchstaben ein, dann ergeben diese ein Lösungswort! %%%%

Mobiltelefon

S

Filmrolle

USB-Stick

E

Notebook

R L B

Buch

DVD

LÖSUNGSWORT:

Schallplatte

fi

Tonbandkassette

Oly

A

Y

T

Elektromagnetismus 123

24. DIGITALE KOMMUNIKATION – DAS INTERNET

ag

Homepage: Hauptseite eines Internetauftritts

Was sind Top-LevelDomains?

Im Internet gibt es eine Rangordnung. Auf der obersten Ebene („Top Level“) stehen Domains, die große Teilbereiche des Internets abdecken. Domains wie .org, .com oder .net sind solche Domains. Auch Länderdomains wie .at, .de oder .uk stehen auf dieser Ebene. Sie werden jeweils von einem sogenannten Registrar im jeweiligen Land verwaltet.

Den österreichischen Registrar findest du unter www.nic.at. Du kannst dort auch erfahren, wem welche Domain gehört.

erl

David hat von einem Freund in einem Chatroom einen tollen Tipp bekommen. Dieser hat ihm die URL einer Homepage genannt, von der man sich kostenlos ein tolles Spielprogramm downloaden kann.

Sofort ruft David die URL auf und gleich darauf hat er auch das Programm auf seinem Computer installiert. Doch dann stellt David entsetzt fest, dass sein Bildschirm schwarz wird und nichts mehr funktioniert.

Was ist mit Davids Computer geschehen?

mp eV

David hat ein Programm aus dem Internet heruntergeladen und auf seinem Computer installiert, das einen Schaden angerichtet hat. Er hat nicht gewusst, was genau es auf seinem Computer macht. Der Tipp dazu stammt von jemandem, den David nicht kennt und die URL, von der er das Programm hat, war ihm ebenfalls nicht bekannt. Das Internet bietet viele Möglichkeiten der Kommunikation und der Information, aber es birgt auch zahlreiche Gefahren.

Doch was ist eigentlich das Internet?

Das Internet oder World Wide Web (www) ist ein weltweites Netzwerk, an dem Millionen von Computern beteiligt sind. Viele davon stellen Informationen und Anwendungen zur Verfügung, diese nennt man Server. Andere wie der von David nutzen diese Informationen und Anwendungen. Das sind die User.

Die URL – die Adresse im Internet

Um an eine bestimmte Information zu gelangen, musst du die URL wissen, unter der sie zu finden ist. URL steht für Uniform Resource Locator (einheitlicher Quellenanzeiger). Eine URL wird von rechts nach links gelesen, die einzelnen Teile sind durch Punkte getrennt.

Was sagt mir die URL http://www.un.org !

ƒ Die Buchstaben ganz rechts kennzeichnen die Top-Level-Domain. Eine Domain ist ein Teilbereich des Internets. Jede dieser Top-Level-Domains wird von einer zentralen Stelle aus verwaltet, die festlegt, wer welche URL erhält.

Oly

ƒ Links vom Namen der Top-Level-Domain stehen die Namen der Server, mit denen du in Kontakt treten willst. Der Server „un“ gehört den Vereinten Nationen. Dieser Server verwaltet mehrere andere Server. Einer davon heißt „www“. Dieser stellt dir die Information zur Verfügung. ƒ Rechts von der Top-Level-Domain – getrennt durch einen Schrägstrich – können noch weitere Namen stehen. Diese verweisen auf einen bestimmten Bereich des Servers, z. B. eine Homepage. ƒ http steht für „Hypertext Transfer Protocol“. Damit weiß das Programm auf deinem Computer, das mit dem Internet in Verbindung steht, wie es die Daten übertragen soll. Dieses Programm nennt man Browser.

Welche Top-Level-Domains kennst du noch?

Was ist die IP-Adresse?

Jedem Gerät, das ans Internet angeschlossen ist, wird eine eindeutige Adresse zugewiesen. Sie ist so etwas Ähnliches wie eine Postadresse. Sie ist jedoch nicht an einen bestimmten Ort gebunden, sondern bezieht sich immer auf einen Computer.

Was ist ein Provider?

Ein Provider ist eine Firma, die für andere eine Verbindung zum Internet herstellt.

124 Elektromagnetismus Sorgfältiger Umgang mit dem Internet

ag

Überlege dir gut, was du herunterlädst! Starte Downloads nur von Internetseiten, die du kennst und denen du vertraust!

COOKIES: Dies sind kleine Programme, die automatisch auf deinem Computer gespeichert werden. Sie helfen dir, dich beim nächsten Besuch dieser Seite leichter zurechtzufinden. Mit ihnen kann aber auch überwacht werden, was du alles im Internet machst.

Du kannst im Browser festlegen, ob Cookies verwendet werden dürfen.

Cookies können auch gelöscht werden.

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Phishing: leitet sich vom englischen Wort „fishing“ für fischen oder angeln ab

DOWNLOADS: Alles, was du aus dem Internet auf deinen Computer lädst, wird auf diesem gespeichert. Du weißt nie, welchen Einfluss es auf andere Programme hat. Das gilt auch für Video-Clips, Musikstücke oder APPs.

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Was ist ein Hacker?

Ein Hacker sucht nach Schwachstellen in den Sicherheitsvorkehrungen eines Computers. Durch diese Schwachstellen kann er in den Computer eindringen, Daten stehlen oder verändern sowie Schaden am Computer anrichten.

Wie David feststellen musste, kann man sehr unangenehme Überraschungen erleben, wenn man sich bedenkenlos im Internet bewegt. Hier einige Tipps, wie man sich davor schützen kann:

Spam: unerwünschte Nachrichten

Firewall: spezielles Programm, das auf einem Computer zur Erhöhung der Sicherheit installiert ist

Virus: Programm, das über das Internet auf einen Computer gelangt und dort Schaden anrichtet; verbreitet sich von einem Computer zu anderen

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Trojaner: Computerprogramm, das wie ein nützliches Programm aussieht, zusätzlich aber Schaden anrichtet

Das Internet ist eine Verbindung von vielen Computern weltweit.

Es bietet Information und rasche Kommunikation.

Durch vorsichtigen Umgang im Internet kann man sich vor Schaden schützen.

PERSÖNLICHE DATEN: Das Internet vergisst nie! Alles, was du auf irgendeiner Internetseite eingibst, wird gespeichert. Das betrifft auch deine Daten, die du in Plattformen wie facebook oder twitter bekanntgibst.

Achte stets darauf, welche Daten du veröffentlichst! Gib niemals unbedacht Daten wie Adressen oder Telefonnummern bekannt! Du kannst nie wissen, wohin diese Daten gelangen!

E-MAIL: Mit Phishing-Mails wird versucht, an deine Passwörter oder andere persönliche Daten wie Kontoinformationen heranzukommen.

E-Mails können dich dazu verleiten, etwas Bestimmtes zu kaufen oder eine bestimmte Internetseite zu besuchen. Sie können dir sogar in Form von Dateianhängen Dinge schicken, die deinem Computer schaden können.

Achte darauf, wo du deine E-Mail-Adresse bekannt gibst! Öffne keine Dateianhänge von Absendern, die du nicht kennst! Antworte nicht auf E-Mails von Unbekannten! Ein Spam-Filter kann verhindern, dass du unerwünschte E-Mails erhältst.

SICHERHEIT: Im Internet stehst du mit deinem Computer weltweit mit zahlreichen anderen Computern in Verbindung. Ohne Schutz hat dadurch jeder Zugriff auf deinen Computer. Eine Firewall verhindert, dass dadurch schädliche Programme wie Viren oder Trojaner auf deinen Computer gelangen können. So können auch andere deine Daten nicht lesen. Deine persönlichen Daten auf Internetseiten sollten durch ein Passwort geschützt sein.

Verwende auf deinem Computer eine Firewall! ACHTUNG: Diese muss regelmäßig aktualisiert werden! Verwende, keine zu einfachen Passwörter, die andere leicht erraten können! Ändere die Passwörter immer wieder. Sichere Seiten im Internet sind verschlüsselt. Sie sind an „https“ in der Adressleiste deines Browsers erkennbar.

Elektromagnetismus 125

25. UMGANG MIT ELEKTRIZITÄT

ag

Elektrizität ist ein wichtiges Hilfsmittel in unserem täglichen Leben. Egal ob bei der Fortbewegung, bei der Beheizung von Wohnungen und Häusern, bei der Beleuchtung oder in der Freizeit, ohne elektrischen Strom würde vieles nicht funktionieren. Immer mehr Geräte, die elektrischen Storm benötigen, helfen uns in immer mehr Bereichen unseres täglichen Lebens. Dadurch steigt aber auch der Bedarf an elektrischer Energie ständig an. Elektrische Geräte haben nur eine beschränkte Lebensdauer und müssen daher immer wieder ersetzt werden. Als Folge davon fallen jährlich zahllose Altgeräte an, die fachgerecht entsorgt werden müssen.

Schütze dich vor den Gefahren des elektrischen Stroms!

Spiele nie mit Steckdosen!

Ziehe einen Stecker immer vorsichtig aus der Steckdose!

Achte auf die Isolierung von Kabeln! Beschädigte Kabel müssen ausgetauscht werden.

Schütze Elektrogeräte vor Wasser und Feuchtigkeit! Öffne nie Elektrogeräte!

Reparaturen müssen von Fachkräften durchgeführt werden.

Halte dich von freiliegenden Leitungen fern!

Achte beim Spielen mit Flugdrachen oder Modellflugzeugen auf Stromleitungen!

• •

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• •

Durch sorgsamen Umgang mit Elektrizität kannst du dazu beitragen, den Energiebedarf zu reduzieren:

mp eV

ƒ Schalte Geräte wie den Fernseher oder den Computer ab, wenn du sie nicht benötigst! Schalte diese Geräte ganz ab und benutze nicht die Stand-byFunktion! ƒ Schalte die Beleuchtung ab, wenn du einen Raum verlässt! Verwende Energiesparlampen und LEDs! ƒ Zum Erwärmen von Wasser ist viel Energie erforderlich. Gehe daher sparsam mit warmem Wasser um! Dusche, anstatt ein Vollbad zu nehmen! ƒ Du kannst deine Freizeit auch sinnvoll gestalten und zwar ohne Geräte zu benutzen, die elektrischen Strom benötigen.

Nicht jedes Gerät muss weggeworfen werden, nur weil es nicht mehr funktioniert. Oft zahlt es sich aus, es reparieren zu lassen, anstatt ein neues zu kaufen.

Funktionierende Geräte, die du nicht mehr benötigst, solltest du nicht wegwerfen! Verkaufe oder verschenke sie an jemanden, der sie benötigt!

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Häufig benötigen alte Elektrogeräte mehr elektrische Energie als neue. Durch das Ersetzen alter Geräte kann man zwar Strom sparen, allerdings wächst durch die Altgeräte der Müllberg an. Sie müssen daher fachgerecht entsorgt werden.

Alte Elektrogeräte gehören nicht in den Hausmüll!

Bringe sie zu einer Müllsammelstelle!

Zur Herstellung von Elektrogeräten sind große Mengen wertvoller Rohstoffe erforderlich.

Durch fachgerechte Entsorgung können viele davon wieder gewonnen werden.

Batterien, Akkus und Energiesparlampen dürfen auch nicht einfach weggeworfen werden. Diese kannst du ebenfalls an Müllsammelstellen abgeben. Du kannst sie aber auch dorthin zurückbringen, wo du sie gekauft hast. Jedes Geschäft, das Batterien oder Energiesparlampen verkauft, muss diese wieder zurücknehmen.

• • •

Erkundige dich, wo man in deiner Umgebung Elektrogeräte reparieren lassen kann!

Was tun bei einem Stromunfall?

Berühre niemals jemanden, der in einen Stromkreis geraten ist, mit bloßen Händen!

Ziehe ihn mit einem Gegenstand aus nichtleitendem Material (Holz, Decke, …) von der Stromquelle fort!

Schalte den Strom ab!

Ziehe den Stecker aus der Steckdose oder schalte den Strom im Sicherungskasten ab!

Leiste Erste Hilfe und rufe die Rettung!

• •

•

•

Notrufnummern: 144 oder

112

126 Elektromagnetismus In Österreich gekaufte Elektrogeräte sind sicher!

Logo des Austrian Standards Institute

Elektrogeräte, die in Österreich, aber auch in den meisten anderen Ländern der EU, gekauft worden sind, können bedenkenlos verwendet werden. Es gibt zahlreiche Normen, die genau festlegen, wie ein Gerät gebaut werden muss. Diese stellen sicher, dass von diesem Gerät keine Gefahr für den Benutzer ausgeht. Normen werden von internationalen Organisationen festgelegt. In Österreich werden diese Normen vom Austrian Standards Institute an die österreichischen Gesetze angepasst und als ÖNORM veröffentlicht.

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Norm: Regel

EMV: elektromagnetische Verträglichkeit

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Gefahren elektromagnetischer Strahlung

Wechselstrom erzeugt ein Magnetfeld, das sich mit der Frequenz des Wechselstroms verändert. Jedes Gerät, das mit Wechselstrom betrieben wird, gibt daher elektromagnetische Strahlung ab. Diese kann in den elektrischen Leitungen eines anderen Elektrogerätes einen Strom induzieren und es so stören oder gar beschädigen.

Um das zu verhindern, müssen Elektrogeräte geschützt werden. So wird einerseits verhindert, dass Strahlung aus einem Gerät austritt, andererseits wird so das Eindringen von Strahlung von außen unterbunden.

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WLAN: „wireless local area network”; ermöglicht in einem bestimmten Gebiet den Zugang zum Internet mit Hilfe von Funkwellen

Damit ein Elektrogerät in den Handel gebracht werden darf, muss es diese Normen erfüllen. Als Bestätigung, dass der Hersteller des Gerätes darauf geachtet hat, wird es mit dem CE-Kennzeichen versehen.

Magnetstreifen einer Bankomatkarte

EMV-Test an einem Motorrad: Auch die Zündspule eines Motorrades gibt Strahlung ab.

Funkgeräte oder Handys geben ebenfalls elektromagnetische Strahlung ab.

Allerdings kann die Strahlung bei solchen Geräten nicht verhindert werden, da sie sonst nicht funktionieren würden. Es ist jedoch genau festgelegt, wie viel Strahlung solche Geräte maximal abgeben sollen und welche Frequenzen verwendet werden dürfen.

Um die Störung anderer Geräte zu verhindern, darf man solche Geräte nicht überall in Betrieb nehmen. So sind Handys in der Nähe von empfindlichen elektronischen Geräten verboten. In manchen Bereichen von Krankenhäusern oder in Flugzeugen dürfen keine Handys verwendet werden.

Oly

Wie wirkt sich die Strahlung auf Datenträger aus?

Information ist häufig wie auf dem Magnetstreifen einer Bankomatkarte in magnetischer Form gespeichert. Bei starker elektromagnetischer Strahlung kann diese Information unlesbar werden. Dann funktioniert die Bankomatkarte nicht mehr.

Eine eigene Norm legt fest, wie Geräte gebaut sein müssen und wie viel Strahlung sie abgeben dürfen. Durch EMV-Tests wird überprüft, ob diese Norm eingehalten wird. Erst dann darf dieses Gerät verkauft werden.

Durch einfache Maßnahmen kann viel elektrische Energie eingespart werden. Achte auf sorgsamen Umgang mit Elektrizität! Elektrogeräte können Strahlung abgeben, die andere Geräte stören kann.

Notebooks und Tablet-PCs, die eine WLAN-Verbindung aufbauen können, geben ebenfalls Strahlung ab.

9

Elektromagnetismus 127

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag

1) Das Internet – Fülle die Lücken in diesem Text, indem du die Begriffe aus dem Kästchen richtig einsetzt!

Anschließend verbinde mit einem Lineal die Begriffe mit ihren Erklärungen! %%%

Client © Filme © Router © Provider © Homepage © Computern © URL © Server © Internet Das __________________ besteht aus vielen einzelnen

erl

______________________, die weltweit miteinander verbunden sind. Je nachdem, welche Aufgabe sie haben,

unterscheidet man verschiedene Arten von Computern.

Auf einem __________________ sind Homepages und

mp eV

Daten wie Texte, Music-Clips oder ________________ gespeichert. Server sind rund um die Uhr in Betrieb und

stellen so sicher, dass die Daten jederzeit abgerufen werden

können.

Server

sind

mit

einem

Provider

verbunden. Dabei handelt es sich um eine Firma, die den Zugang zum Internet zur Verfügung stellt. Beim __________________ steht ein Router. Das ist ein Computer, auf dem keine Daten gespeichert sind, sondern der diese nur weiterleitet. Dein eigener Computer wird als _____________ bezeichnet. Dieser ist nicht ständig in Betrieb und stellt keine Daten zur Verfügung, sondern ruft nur Daten aus dem Internet ab. Er ist ebenfalls mit einem Provider verbunden. Wenn du eine bestimmte ____________________ ansehen willst, dann meldet sich dein Computer beim Provider und fragt nach der gewünschten URL. Die Anfrage wird dann von Router zu Router weitergeleitet, bis der Server mit der gewünschten ________ gefunden ist.

fi

Oly

Anschließend werden die Daten von diesem Server von ________________ zu Router an dich weitergeleitet.

Router

weltweites Netzwerk aus miteinander verbundenen Computern

Internet

Computer, der nur Daten abruft

Provider

Computer, der Daten zur Verfügung stellt

Server

Firma, die Zugang zum Internet bietet

Client

Computer, der Daten weiterleitet

128 Elektromagnetismus

9

mp eV

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2) Digitale Kommunikation – Löse dieses Kreuzworträtsel! %%%

ag

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

waagrecht: 1. weltweites Netzwerk von Computern 4. Schadprogramm, das sich im Internet verbreitet 6. jemand, der in fremde Computer eindringt 9. etwas, das aus dem Internet heruntergeladen wird 11. Hauptseite eines Internetauftritts 12. Programm, das deinen Computer schützt 14. Versuch, an deine Passwörter oder persönliche Daten heranzukommen 15. Kennwort, das den Zugang zu Daten schützt

senkrecht: 2. Programm, das nützlich aussieht, aber Schaden anrichtet 3. Firma, die Zugang zum Internet anbietet 5. unerwünschte Nachricht 6. Hypertext Transfer Protocol 7. kleines Programm, das auf dem Computer gespeichert wird 8. Programm, das einen Computer mit dem Internet verbindet 9. Teilbereich des Internets 10. Uniform Resource Locator 13. World Wide Web

Richtig Falsch

Feuchtigkeit und Wasser machen Elektrogeräten nichts aus.

A

E

Alte Elektrogeräte gehören nicht in den Hausmüll.

N

S

Frei liegende Leitungen sind ungefährlich.

L

E R

Elektrogeräte, die man nicht braucht, sollten ganz abgeschaltet werden.

Schadhafte Elektrogeräte dürfen nur von Fachpersonal repariert werden.

G

U

In der Freizeit sollte man möglichst viel Elektrizität verwenden.

H

I

Kabel, deren Isolierung beschädigt ist, müssen ausgetauscht werden.

E

K

LÖSUNGSWORT:

.

.

.

.

.

.

.

T

fi

Oly

3) Richtig oder falsch? – Kreuze richtig an, dann erhältst du ein Lösungswort! %%%

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PHYSIK-ZEITUNG: Elektromagnetismus

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Wie geht das? In einem Induktionsherd erzeugt eine Spule ein starkes magnetisches Wechselfeld. Dieses bewirkt, dass im Boden des Kochgeschirrs Strom fließt. Der hohe elektrische Widerstand im Kochgeschirr führt dazu, dass es sich aufheizt und die Speisen erwärmt.

Vorteil: Die Herdplatte wird nicht heiß und man kann sich nicht verbrennen.

Nachteil: Man benötigt dafür spezielles Kochgeschirr.

Induktionsherd mit Induktionsspule

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Die moderne Küche – kochen mit Induktion

Stromkrieg: Westinghouse siegt über Edison

mp eV

1890: Ein Streit zwischen den beiden amerikanischen Erfindern Thomas Alva Edison und George Westinghouse entbrennt. Während Edison Gleichstrom verwenden wollte, um die USA mit Strom zu versorgen, setzte Westinghouse auf Wechselstrom. Dieser „Stromkrieg“ wurde Mitte der 1890erJahre zugunsten von Westinghouse und des Wechselstroms entschieden. Jahre später setzte auch Edison schließlich auf Wechselstrom.

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George W estingho

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Witz der Woche!

was Elektrizität ist: Der Physiklehrer erklärt, streichelt, lädt sich ihr „Wenn man eine Katze Elektrizität.“ Fell auf und es entsteht f Da zeigt ein Schüler au und fragt: „Wo bekommen die im Elektrizitätswerk denn all die Katzen her?“

Das Genie Nikola Tesla

Der Kroate Nikola Tesla (1856 – 1943) war einer der bedeutendsten Wissenschaftler seiner Zeit. So gilt er als Erfinder des Wechselstroms. Er führte zahlreiche Experimente zur drahtlosen Energieübertragung durch und wurde damit zum Begründer der Funktechnik. Nach ihm ist die Einheit für die Stärke eines Magnetfeldes benannt.

Hast du das gewusst?

Oly

ƒ Je höher die Spannung in einer Stromleitung ist, desto geringer sind die Leitungsverluste. Doch müssen dann auch die Strommaste höher sein, um elektrische Überschläge zwischen der Leitung und dem Boden zu vermeiden. ƒ Gleichstrom kann mit geringeren Verlusten transportiert werden als Wechselstrom. Will man jedoch Gleichstrom mit hoher Spannung erzeugen, muss zunächst Wechselstrom mit einem Transformator auf die gewünschte Spannung gebracht werden. Anschließend wird er durch einen Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt. Am anderen Ende der

Hochspannungsleitung jedoch wird der Strom dann durch Wechselrichter wieder zu Wechselstrom. ƒ Früher traten beim Gleich- und Wechselrichten hohe Verluste auf. Seit kurzem gibt es jedoch elektronische Bauteile aus Halbleitermaterialien, die das Gleich- und Wechselrichten mit geringen Verlusten erlauben. ƒ In den letzten Jahren werden vermehrt Hochspannungsleitungen mit Gleichstrom verwendet, um Inseln vom Festland aus über Leitungen im Wasser mit Strom zu versorgen.

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PHYSIK-ZEITUNG: Elektromagnetismus Bremsen ohne Verschleiß – die Wirbelstrombremse

Wirbelstrombremse an einer Hochschaubahn

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Bewegt sich eine Metallplatte in einem Magnetfeld, so wird in der Platte eine Spannung induziert. Diese führt zu sogenannten Wirbelströmen. Das sind elektrische Ströme, die innerhalb der Platte „im Kreis“ laufen. Der elektrische Widerstand im Metall bewirkt, dass sich die Metallplatte erwärmt. Dabei wird die Bewegungsenergie der Platte in Wärmeenergie umgewandelt, die Metallplatte wird abgebremst. Diesen Effekt nutzt man in der Wirbelstrombremse. Da sich die Metallplatte und der Magnet nicht berühren, kommt es zu keiner Reibung und damit auch zu keiner Abnützung. Solche Wirbelstrombremsen setzt man bei Schienenfahrzeugen und schweren LKWs, aber auch bei

Bahnfahren mit Magnetkraft

mp eV

Starke Magnetfelder sorgen dafür, dass die Waggons der Magnetschwebebahn über den Schienen schweben. Der Antrieb und das Bremsen solcher Züge erfolgt ebenfalls mit Hilfe von Magnetfeldern.

In China und in Japan werden Magnetschwebebahnen bereits zum Personentransport eingesetzt. Sie sind energiesparender, leiser und erlauben höhere Geschwindigkeiten als herkömmliche Züge.

Magnetschwebebahn

Strom für die Eisenbahn

Anders als Eisenbahnzüge werden Straßenbahnen und U-Bahnen mit Gleichstrom betrieben. Die Spannung der Stromversorgung von Straßenbahnen beträgt in Österreich 600 V. Nur die Straßenbahn in Innsbruck fährt mit 900 V. Die Wiener U-Bahn wird mit 750 V betrieben. U-Bahnen, die meist keine Oberleitung haben, werden über eine eigene Stromschiene mit elektrischer Energie versorgt.

Die meisten Züge werden heute elektrisch betrieben. Der elektrische Strom wird über eine Oberleitung zugeführt, der Stromkreis wird über die Schienen geschlossen. In Österreich werden von ca. 11 000 km Gleisen 7 900 elektrisch betrieben. Die Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) erzeugen den Großteil der benötigten elektrischen Energie in eigenen Kraftwerken.

Zum Betrieb der Züge wird Wechselstrom mit einer Spannung von 15 000 V und einer Frequenz von 16,7 Hz verwendet.

Oly

Straßenbahn und U-Bahn

Straßenbahn (Wien)

Gleise der Wiener U-Bahn mit Stromschiene (gelb)

Oberleitung und Schienen

Buchtipps Henning Boetius: Geschichte der Elektrizität (Beltz & Gelberg, 2006).

Joel Levy: Future World: Entdecke die Technik der Zukunft (Ravensburger Buchverlag, 2014).

Kräfte und Bewegung 131

26. DER FLIEGENDE BALL

erl

Wieso hat der Wasserstrahl diese gebogene Form?

ag

Gemeinsam mit ihren Freundinnen spaziert Mara durch den Park. An einem Springbrunnen machen sie eine kurze Rast. Fasziniert betrachten die Mädchen den Wasserstrahl, der aus dem Maul eines Fisches schräg nach oben schießt und schließlich in einem Bogen wieder herunterfällt.

mp eV

Der Wasserstrahl verlässt das Maul des Fisches mit hoher Geschwindigkeit. Aufgrund seiner Trägheit bewegt sich das Wasser nach oben.

Gleichzeitig wirkt jedoch die Gewichtskraft auf das Wasser. Diese bewirkt, dass das Wasser wieder herunter fällt. Beim Wasser des Springbrunnens werden also zwei unterschiedliche Bewegungen gleichzeitig ausgeführt: die gleichförmige Bewegung des Wassers schräg nach oben

die Bewegung des Wassers nach unten

Das Wasser führt diese beiden Bewegungen gleichzeitig aus. Gemeinsam ergeben sie die gebogene Form des Wasserstrahls.

Die gleichförmige Bewegung Erinnere dich:

Ein Körper bleibt im Zustand der Ruhe oder einer gleichförmigen Bewegung, solange keine Kraft auf ihn wirkt.

Der Trägheitssatz besagt, dass sich ein Körper auf geradliniger Bahn weiterbewegt, sobald er einmal in Bewegung versetzt worden ist. Er legt in jeder Sekunde dieselbe Strecke zurück.

Wir wissen, dass ein Körper nicht ewig weiterfliegt. Wenn du beim Ballspielen den Ball wirfst, kommt er immer wieder auf die Erde zurück. Die Kraft, die dafür verantwortlich ist, ist die Erdanziehungskraft oder Gravitation.

m 15 10 5

1

2

3

Eine gleichförmige Bewegung kann in einem Weg-ZeitDiagramm als gerade Linie dargestellt werden.

för m

ige

Welche Einheit hat die Geschwindigkeit?

Die Geschwindigkeit wird in Meter pro Sekunde (m/s) oder in Kilometer pro Stunde (km/h) angegeben.

1 m/s = 3,6 km/h

ch

Würde der Wasserstrahl lediglich diese Form der Bewegung ausführen, dann würde das Wasser gerade immer weiter fliegen.

Be we gu ng

(Geschwindigkeit ist Weg pro Zeit)

gle i

S t

Oly

V=

Die Bahn eines hüpfenden Balls sieht ähnlich aus wie der Wasserstrahl eines Springbrunnens.

Erinnere dich an den Physikunterricht in der 2. Klasse! Welcher Wissenschaftler hat die Gravitationskraft entdeckt?

Gravitation

s

132 Kräfte und Bewegung Der fallende Ball

45 m 3s

Fallzeit (Sekunden) 1s 2s 3s

Mara wundert sich. Obwohl die Fallhöhen sehr unterschiedlich sind, ist der Abstand der Fallzeiten jeweils nur eine Sekunde.

20 m 2s

5m 1s

Fallhöhe 5m 20 m 45 m

ag

Im Rahmen eines Physikprojektes plant Maras Lehrerin ein spektakuläres Experiment. Sie lässt den Platz vor einem Hochhaus absperren und stellt drei Schüler an Fenster in unterschiedlicher Höhe. Die Schüler sollen jeweils einen Ball aus ihrem Fenster fallen lassen. Alle Bälle sind gleich. Vor dem Hochhaus soll der Rest der Klasse mit einer Stoppuhr die Zeit messen, welche die Bälle brauchen, um den Weg bis zum Boden zurückzulegen.

Gemeinsam stellen sie eine Liste auf:

erl

Kraft und Beschleunigung Je größer die Kraft ist, die wirkt, desto größer ist die Beschleunigung. Denke dabei an Autos. Ein Sportwagen, dessen Motor sehr viel Kraft hat, kann wesentlich rascher beschleunigen als ein Auto mit einem schwächeren Motor.

mp eV

Warum sind die Fallhöhen so unterschiedlich?

Sportwägen wie dieser Ferrari beschleunigen in 3 Sekunden auf 100 km/h.

Auf einen Ball wirkt die Gewichtskraft. Sobald ein Ball losgelassen wird, bewirkt diese Gewichtskraft, dass der Ball beschleunigt wird. Zunächst befindet er sich in Ruhe.

Einige Zeit nach dem Loslassen hat er jedoch eine gewisse Geschwindigkeit. Die Beschleunigung bewirkt, dass sich die Geschwindigkeit des Balles gleichmäßig ändert.

Kraft R Beschleunigung R Veränderung der Geschwindigkeit

Versuch

Führt das Experiment „Der Farbenfall“ und „Das leichte Papier“ auf S. 165 durch!

Durch die Beschleunigung nimmt die Geschwindigkeit gleichmäßig zu. In dieser Tabelle siehst du, wie hoch die Geschwindigkeit des fallenden Balls nach 1, 2 und 3 Sekunden ist.

Was ist die Beschleunigung?

Die Beschleunigung gibt an, um wie viel m/s sich eine Geschwindigkeit pro Sekunde verändert. Ihre Einheit ist daher „Meter pro Sekunde pro Sekunde“.

In dieser Einheit kommt „pro Sekunde“ zweimal vor.

In der Mathematik wäre das m ein Doppelbruch: s s 1 Als physikalische Einheit m wird sie daher als s2 angeschrieben.

Ein fallender Ball wird also immer schneller. Das bedeutet jedoch, dass der Weg, den der Ball beim Fallen pro Sekunde zurücklegt, immer länger wird. Beim Experiment im Hochhaus bewirkt das, dass die Zeitabstände immer gleich , die Fallhöhen jedoch sehr unterschiedlich sind.

Zeit (Sekunden) 1s 2s 3s

Geschwindigkeit ca. 10 m/s ca. 20 m/s ca. 30 m/s

Oly

Für die Geschwindigkeitszunahme beim Beschleunigen gilt: v = a • t (Geschwindigkeit ist Beschleunigung mal Zeit)

In dieser Formel steht „a“ für das englische Wort „acceleration“ (Beschleunigung). Sie gilt für jede beschleunigte Bewegung. Bei einem frei fallenden Körper hat die Beschleunigung einen fixen Wert. Dieser beträgt 9,81 m/s2. Diese Beschleunigung nennt man Erdbeschleunigung. Sie wird mit „g“ abgekürzt, da ihre Ursache die Gravitation ist. Beim Freien Fall gilt: v=g• t

Nach einer Sekunde hat ein frei fallender Ball also eine Geschwindigkeit von genau 9,81 m/s.

Kräfte und Bewegung 133 Der Weg im Freien Fall

s=

Fallschnüre Eine Fallschnur ist ein Faden, an dem Gewichte befestigt sind. Befinden sich die Gewichte in gleichen Abständen zueinander (A), dann hört man beim Loslassen, dass die Zeitabstände zwischen den einzelnen Aufschlägen am Boden immer kürzer werden. Stehen die Abstände jedoch in einem Verhältnis von 1:4:9:16 zueinander (B), dann erfolgen die Aufschläge gleichmäßig.

ag

Wenn du die Fallhöhe eines Balles nach 1, nach 2 und nach 3 Sekunden betrachtest, so betragen diese 5 m, 20 m und 45 m. Ein frei fallender Körper legt also in gleichen Zeitabständen nicht den gleichen Weg zurück. Die Ursache dafür ist, dass der Körper beim Fallen schneller wird. Der Weg (s) den er nach einer bestimmten Zeit (t) zurückgelegt hat, ergibt sich aus folgender Formel: g • t2 2

erl

Fallen alle Körper gleich schnell?

Die Erdbeschleunigung bewirkt, dass auf jeden Körper eine Kraft wirkt. Diese Kraft ist umso größer, je größer die Masse des Körpers ist. Du kennst diesen Zusammenhang bereits. Diese Kraft ist die Gewichtskraft.

FG = g • m (Gewichtskraft ist Erdbeschleunigung mal Masse)

mp eV

Die Gewichtskraft bewirkt, dass die Geschwindigkeit beim Fallen gleichmäßig zunimmt, wenn keine andere Kraft auf den Körper wirkt.

Welche Kraft kann sonst noch auf einen fallenden Körper wirken?

Fällt ein Körper durch die Luft zu Boden, dann tritt durch die Reibung mit der Luft eine bremsende Kraft auf. Diese bremsende Kraft bezeichnet man als Luftwiderstand. Der Luftwiderstand hängt stark von der Form des Körpers ab. Deshalb fällt eine Feder langsamer zu Boden als eine Eisenkugel, da sie beim Fallen viel stärker abgebremst wird.

A

B

Im luftleeren Raum gibt es keine Reibung, die den Fall abbremst. Daher würden die Feder und die Eisenkugel hier gleich schnell fallen.

Mehrere Geschwindigkeiten gleichzeitig

Die Geschwindigkeit, die ein schräg nach oben geworfener Ball hat, setzt sich aus zwei Geschwindigkeitskomponenten zusammen:

Oly

ƒ die Horizontalgeschwindigkeit (vH) parallel zum Boden ƒ die Vertikalgeschwindigkeit (vV ) nach oben m

45

VH = 15 m/s VV = 15 m/s

30

45 m

20 m

15

5m

nach 2 s

nach 3 s

nach 1 s

0

0

15

30

45 m

V

VV

VH

Die Erdbeschleunigung wirkt der Vertikalbewegung des Balls entgegen.

Dadurch wird die Vertikalgeschwindigkeit zunächst geringer.

Sie kehrt sich dann aber um, sodass der Ball wieder nach unten fällt.

Somit beschreibt der Ball eine gekrümmte Flugbahn. So eine Bahn nennt man eine Parabel.

Ein Fallschirmspringer im freien Fall erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von ca. 180 km/h. Nach dem Öffnen des Schirms sinkt die Geschwindigkeit auf ca. 15 km/h.

Versuch Führt die Experimente „Fallbeschleunigung“, „Der Fallstab“ und „Ausgetrickst“ auf S. 166/167 durch!

134 Kräfte und Bewegung Beschleunigung auf der Schiefen Ebene Eine Kugel, die eine Schiefe Ebene hinabrollt, wird ebenfalls beschleunigt.

Die Beschleunigung ist jedoch geringer als die Erdbeschleunigung im freien Fall.

Je größer der Steigungswinkel der Ebene ist, desto größer ist die Beschleunigung.

Beschleunigung und Kraft

nach 1 s nach 2 s

ag

Wie groß ist die Beschleunigung auf einer Schiefen Ebene, deren Steigungswinkel 90° beträgt?

Wir groß ist sie bei 0°?

nach 3 s

Wie du schon gehört hast, ist eine Kraft erforderlich, um einen Körper zu beschleunigen. Beim freien Fall ist dies die Gewichtskraft des Körpers. Ist die Masse eines Körpers doppelt so groß, so wirkt auf ihn eine doppelt so große Gewichtskraft.

Die Erdbeschleunigung bleibt daher gleich.

erl

Versuch Führt das Experiment „Die Schiefe Ebene“ auf S. 167 durch!

Wie hängt die Beschleunigung von der Kraft ab?

m 45 30 15

1

2

mp eV

Betrachte diese Skizze! Die Gewichtskraft, die auf das Gewicht an der Schnur wirkt und die für die Beschleunigung des Wagens sorgt, ist immer gleich groß. Die Massen der beiden Wägen sind jedoch unterschiedlich. Der leichtere Wagen wird stärker beschleunigt als der schwerere.

3

s

Das Weg-Zeit-Diagramm einer beschleunigten Bewegung ist keine Gerade, sondern eine gekrümmte Linie.

0s

0s

1s

1s

2s

2s

leichter Wagen

Wo überall hast du schon mit beschleunigten Bewegungen zu tun gehabt? Sammelt in der Klasse Beispiele!

Auch wenn man die Kraft, die auf einen Wagen wirkt, erhöht, wird die Beschleunigung größer.

Oly

Die Beschleunigung hängt also von der wirkenden Kraft und von der Masse des beschleunigten Körpers ab.

Eine Beschleunigung bewirkt eine Veränderung der Geschwindigkeit. Sie wird durch eine Kraft hervorgerufen. Auf jede Masse wirkt die Erdanziehungskraft, die die Erdbeschleunigung oder Gravitation bewirkt. Im freien Fall wird daher ein Körper immer schneller.

schwerer Wagen

a=

F m (Beschleunigung ist Kraft pro Masse)

Auch beim Fußballspielen wendest du Kraft auf. Dein Fuß überträgt die Kraft auf den Ball, der dadurch beschleunigt wird. Wie stark der Ball beschleunigt wird, hängt von der Kraft deines Fußes und von der Masse des Balls ab.

Der Zeitraum, in dem die Kraft wirkt, ist sehr kurz. Innerhalb von weniger als einer zehntel Sekunde erreicht der Ball eine Geschwindigkeit von mehr als 100 km/h.

Da auch hier die Formel v = a • t gilt und t sehr klein ist, ist die Beschleunigung sehr groß. Sie erreicht dabei mehr als 1 000 m/s².

9

Kräfte und Bewegung 135

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Beim Start von einem Flugzeugträger beschleunigt das Flugzeug innerhalb von 2 s auf eine Geschwindigkeit von 252 km/h.

Beim Aufschlag beru ̈hrt der Schläger nur fu ̈r ca. eine hundertstel Sekunde den Tennisball. In dieser Zeit wird der Ball auf 180 km/h beschleunigt.

erl

a = __________ m/s2

ag

1) Beschleunigungen – Berechne in diesen Beispielen jeweils die Größe der Beschleunigung! Achte dabei auf die Umrechnung zwischen km/h und m/s! %%%

mp eV

a = __________ m/s2

Thomas nimmt an einem Radrennen teil. Beim Start benötigt er 5 s, bis er eine Geschwindigkeit von 36 km/h erreicht hat. a = __________ m/s2

Im Ziel hat eine 100m-Läuferin eine Geschwindigkeit von 12 m/s. Beim Start dauert es 3 s, bis sie diese Geschwindigkeit erreicht hat. a = __________ m/s2

2) Beschleunigung beim Sturz – Lies diesen Text sorgfältig und finde die 5 Fehler! Streiche die falschen Wörter durch und schreibe die richtigen darüber! %%%% Fällt ein Gegenstand zu Boden, dann wird seine Geschwindigkeit in Sekundenbruchteilen auf 0 m/s abgebremst.

Dieses Abbremsen entspricht einer sehr großen Beschleunigung. Aus je größerer Tiefe der Gegenstand

Oly

herunterfällt, desto größer ist seine Masse knapp über dem Boden und desto größer ist die Beschleunigung, die er beim Abbremsen erfährt. Die Lautstärke kann so groß sein, dass empfindliche Gegenstände wie Teller dabei zerbrechen. Je weicher der Boden ist, auf den der Gegenstand fällt, desto länger ist der Bremsweg und desto geringer ist die Bremsbeschleunigung. Daher zerbrechen Teller zwar, wenn sie aus geringer Tiefe auf einen Steinboden fallen, überleben den Sturz jedoch, wenn sie auf einen weichen Teppich fallen. Auch wenn der Teller in weiches Material eingepackt ist, das beim Auftreffen auf den Boden nachgibt, verlängert sich der Anhalteweg

fi

des Tellers. Deshalb sind empfindliche Geräte sorgfältig verpackt.

136 Kräfte und Bewegung

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

9

ag

3) Fallende Körper – Lies die Geschichten aufmerksam durch und beantworte die Fragen! Führe die erforderlichen Berechnungen in deinem Heft durch! %%%% Moritz springt aus 5 m Höhe ins Wasser.

erl

Wie lange fällt er? _______ s Wie hoch ist seine Geschwindigkeit beim Eintauchen? ______ m/s

mp eV

Selina beobachtet, wie eine Dame auf der Aussichtsplattform des Schiefen Turms von Pisa ihre Brille verliert. Nach 3 s erreicht die Brille den Boden.

In welcher Höhe liegt die Aussichtsplattform? ________ m

Benny u ̈berlegt, was geschehen wu ̈rde, wenn er einen Stein von der Spitze des Eiffelturms in 320 m Höhe fallen lasse wu ̈rde.

Wie lange wu ̈rde der Stein fallen? ________ s

Wie schnell wäre er beim Aufschlagen? __________ m/s

4) Physikalische Symbole und Fachbegriffe – Ordne die Symbole mit Pfeilen den richtigen Fachbegriffen zu! %%

a

Zeit

g

Kraft

F

Masse

s

Geschwindigkeit

t

Weg

m

Erdbeschleunigung

fi

Beschleunigung

Oly

v

Kräfte und Bewegung 137

27. KRÄFTE BEI DREHBEWEGUNGEN Das Hammerwerfen Diese Sportart ist im Mittelalter in Schottland entstanden. Damals wurde tatsächlich ein schwerer Hammer geworfen. Erst später ersetzte man den Stiel des Hammers durch eine Schnur. In Sportbewerben ist die Kugel des „Hammers“ bei Männern über 7 kg und bei Frauen etwa 4 kg schwer. Der Hammer wird von Spitzensportlern bis zu 85 m weit geworfen.

Erinnere dich an den Trägheitssatz:

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ag

Janina besucht mit ihren Eltern einen Sportwettbewerb. Ganz besonders fasziniert sie, wie elegant die Hammerwerfer ihre Kugel an einer Schnur kreisen lassen, um sie schließlich loszulassen und zu werfen. Zu Hause will sie das selbst ausprobieren. Sie bindet einen Ball an eine Schnur und versucht, ihn in Drehung zu versetzen. Verblüfft stellt sie fest, dass sie sehr viel Kraft in den Händen benötigt, damit der Ball beim Drehen nicht wegfliegt.

Wieso braucht Janina so viel Kraft, um den Ball festzuhalten?

mp eV

Ein Körper bleibt im Zustand der Ruhe oder gleichförmigen Bewegung, solange keine Kraft auf ihn wirkt.

Beim Drehen an einer Schnur bewegt sich der Ball im Kreis. Er führt also keine gleichförmige Bewegung aus. Um ihn zu einer kreisförmigen Bewegung zu veranlassen, muss daher eine Kraft auf ihn wirken. Diese Kraft bringt ihn von der geradlinigen Bewegung ab. Man nennt diese Kraft Zentripetalkraft. Sie bewirkt, dass der Ball gleichzeitig eine Bewegung in Richtung des Mittelpunkts des Kreises ausführt.

gleichförmige Bewegung: Tangentialbewegung

Bewegung in Richtung Mittelpunkt: Radialbewegung

Hört die Zentripetalkraft zu wirken auf, dann bewegt sich der Ball entlang der Tangente des Kreises weiter. Ab diesem Zeitpunkt führt er wieder eine gleichförmige Bewegung durch. Beim Hammerwerfer passiert dies, sobald der Hammerwerfer den Griff an der Schnur loslässt.

Die Zentripetalkraft zieht einen Körper auf einer Kreisbahn in Richtung Kreismittelpunkt.

Oly

Wovon hängt die Stärke der Zentripetalkraft ab? ƒ Janina wiederholt ihr Experiment mit einem schwereren Ball. Sie stellt fest, dass sie mehr Kraft aufwenden muss, um diesen Ball in Drehung zu versetzten.

R Die Zentripetalkraft ist umso größer, je größer die Masse des Körpers auf der Kreisbahn ist. ƒ Jetzt versucht es Janina mit einer längeren Schnur. Wieder benötigt sie mehr Kraft R Die Zentripetalkraft ist umso größer, je größer der Radius des Kreises ist. ƒ Janina probiert aus, sich mit dem Ball an der Schnur schneller zu drehen. Dabei bemerkt sie ebenfalls, dass sie mehr Kraft aufbringen muss.

R Die Zentripetalkraft ist umso größer, je schneller die Drehbewegung ist.

Die Zentripetalkraft hängt von der Masse des Körpers, dem Kreisradius und der Drehgeschwindigkeit ab.

Versuch Führt das Experiment „Die Zentripetalkraft“ auf S. 168 durch!

Welche Geschwindigkeit hat ein Körper auf einer Kreisbahn?

Die Bewegung auf einer Kreisbahn setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: Radialbewegung: Das ist die Bewegung in Richtung auf den Kreismittelpunkt zu.

Tangentialbewegung: Diese Bewegung führt er entlang der Tangente aus.

Man unterscheidet daher auch zwischen Radial- und Tangentialgeschwindigkeit.

Mit welcher Geschwindigkeit bewegt sich der „Hammer“, sobald ihn der Hammerwerfer loslässt?

138 Kräfte und Bewegung Die Zentrifugalkraft oder Fliehkraft

ag

Wann bist du das letzte Mal in einem Auto oder in einem Bus gesessen, der schnell durch eine Kurve gefahren ist? Du spürst dabei eine Kraft, die dich nach außen drückt.

Was passiert, wenn ein Auto durch eine Kurve fährt?

Die Reibung zwischen Reifen und Straße sorgt für die Zentripetalkraft.

erl

Zentrifuge: Gerät, bei dem durch rasche Drehung Stoffe voneinander getrennt werden

Die Kraft, die man beim Hammerwerfen durch die Schnur verspürt, wirkt beim Kurvenfahren auf die Reifen eines Fahrzeugs. Die Reibungskraft zwischen Reifen und Straße stellt dabei die Zentripetalkraft dar.

Auch beim Kurvenfahren wirkt also die Zentripetalkraft. Erinnere dich an das „Reaktionsprinzip“:

mp eV

Jede Kraft bewirkt eine Gegenkraft, die gleich groß aber entgegengesetzt gerichtet ist.

Waschmaschine als Zentrifuge: Durch das schnelle Drehen der Trommel wird das Wasser von der Wäsche getrennt.

Der Zentripetalkraft, die in einer Kurve nach innen gerichtet ist, wirkt eine andere Kraft entgegen, die nach außen gerichtet ist. Diese nennt man Zentrifugal- oder Fliehkraft.

Diese nach außen gerichtete Zentrifugalkraft spürst du, wenn du in einem Auto sitzt, das um eine Kurve fährt. Je rascher das Auto fährt und je enger die Kurve ist, desto größer ist diese Kraft.

Das Fahrrad in der Kurve

Versuch

Warum fällt ein Fahrrad in der Kurve nicht um?

Zentrifugalkraft Gewichtskraft

Führt das Experiment „Die eigenwillige Kerzenflamme“ auf S. 168 durch!

Sicher hast du schon einmal beobachtet, wie sich Fahrrad- oder Motorradfahrer „in die Kurve legen“. Trotz ihrer Schräglage fallen sie nicht um.

Oly

Ein Fahrrad, welches so schräg steht, fällt normalerweise um. Die Gewichtskraft würde es zum Kippen bringen. Doch sobald es in eine Kurve fährt, wirkt auf den Fahrer die Zentrifugalkraft, die ihn nach außen zieht. Er würde also in der Kurve nach außen kippen. Durch die Schräglage heben sich die Kräfte jedoch auf. Die Zentrifugalkraft ist genauso groß wie die Kraft, die ihn zum Kippen bringt. Daher kann der Radfahrer – ohne zu stürzen – durch die Kurve fahren.

Zentrifugalkraft beim Looping einer Achterbahn Wenn du schon einmal mit einer Achterbahn gefahren bist, berichte, welches Gefühl die Fliehkraft verursacht!

Die Reibungskraft zwischen Reifen und Straße muss jedoch größer als die Zentripetalkraft sein. Ist das bei einer glatten Straße oder bei Rollsplitt nicht der Fall, „fliegt“ der Radfahrer aus der Kurve.

Auch beim Schifahren kann man durch eine Schräglage enge Kurven fahren. Die Kanten der Schi erzeugen die erforderliche Zentripetalkraft.

Kräfte und Bewegung 139 Bewegung auf einer sich drehenden Scheibe

erl

Was ist mit der Kugel auf dem Karussell geschehen?

Korioliskraft und Wetter Wenn Luftmassen vom Pol zum Äquator – oder in die Gegenrichtung – strömen, dann dreht sich die Erde unter dieser Luft. Aufgrund der Korioliskraft werden die Luftströmungen seitlich abgelenkt. Dadurch entstehen sehr große Wolkenwirbel.

ag

Magret spielt mit ihren Freundinnen am Spielplatz. Sie setzt sich in die Mitte des Karussells. Ihre Freundin Patricia steht am Rand und versetzt das Karussell in Drehung. Magret nimmt eine Murmel aus der Tasche und rollt sie ihrer Freundin zu. Überrascht stellt sie fest, dass die Murmel nicht auf Patricia zurollt, sondern eine gekrümmte Bahn verfolgt.

Wenn man von oben auf das ruhende Karussell blickt, dann beschreibt die Murmel eine gerade Linie nach außen und erreicht Patricia.

mp eV

Drehrichtung

Auch wenn Patricia neben dem sich drehenden Karussell steht, rollt die Murmel auf einer geraden Linie auf sie zu.

Drehrichtung

Patricia befindet sich nun ebenfalls auf dem Karussell.

Die Murmel bewegt sich zwar – von oben gesehen – ebenfalls geradlinig, allerdings dreht sich Patricia mit dem Karussell mit, während die Murmel nach außen rollt. Sie erreicht daher den Rand des Karussels nicht an der Stelle, an der sich Patricia zu diesem Zeitpunkt befindet.

Drehrichtung

Für Magret und Patricia, die sich beide auf dem sich drehenden Karussell befinden, sieht es so aus, als würde die Murmel eine gekrümmte Bahn beschreiben.

Oly

Damit ein Körper aber eine gekrümmte Bahn beschreiben kann, muss eine Kraft auf ihn wirken. Die Kraft, die die beiden Mädchen messen könnten, nennt man Korioliskraft.

Von außen betrachtet bewegt sich die Murmel aufgrund ihrer Trägheit auf einer geradlinigen Bahn. Nur auf dem sich drehenden Karussell selbst tritt die Korioliskraft – eben wegen der Trägheit – scheinbar auf. Daher bezeichnet man die Korioliskraft auch als „Trägheitskraft“ oder als „Scheinkraft“. Sie tritt nur in einem Bereich auf, der sich gegenüber seiner Umgebung ungleichförmig bewegt.

Zentripetal-, Zentrifugal- und Korioliskraft entstehen aufgrund der Masseträgheit eines Körpers.

Man bezeichnet sie als Trägheitskräfte oder Scheinkräfte.

Was ist ein Bezugssystem?

Scheinkräften wie du sie als Zentrifugalkraft beim Fahrrad oder als Korioliskraft beim Karussell kennengelernt hast, sind nur für denjenigen spürbar, der sich mit dem jeweiligen „System“ – also dem Fahrrad oder dem Karussell – mitbewegt. Jemand, der daneben steht, befindet sich im „System der Umgebung“. Für ihn sind sie nicht erkennbar.

Scheinkräfte hängen also davon ab, auf welches System man sich bezieht.

Dieses nennt man Bezugssystem.

140 Kräfte und Bewegung Der Drehimpuls

Warum ist mehr Kraft erforderlich, wenn Magret sich außen auf dem Karussell befindet?

Jeder Körper, der sich um die eigene Achse dreht, besitzt einen Drehimpuls. Dieser ist umso größer, je größer die Masse des Körpers ist, je weiter die Masse von der Drehachse entfernt ist und je rascher sich der Körper dreht.

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Pirouette: französisch: „Drehung um die eigene Achse“

Magret setzt sich ganz in die Mitte des Karussells, während Patricia dieses in Drehung versetzt. Beim nächsten Mal setzt Magret sich ganz außen an den Rand. „Puh!“, stöhnt Patricia, „dieses Mal brauche ich aber viel mehr Kraft.“

ag

Wenn du das nächste Mal auf einem Spielplatz ein Karussell siehst, probiere selbst einmal aus, wie sich die Drehgeschwindigkeit ändert, wenn du deine Position auf dem Karussell wechselst!

kleiner Drehimpuls

Der Drehimpuls gibt aber auch an, ob sich der Körper nach links oder nach rechts dreht und in welche Richtung die Drehachse zeigt.

mp eV

Der Drehimpuls eines Körpers, auf den keine äußeren Kräfte wirken, bleibt immer erhalten.

Durch die Erhaltung des Drehimpulses speichert ein Schwungrad Energie.

Die Pirouette

Hast du schon einmal Eiskunstläufer und Eiskunstläuferinnen bei einer Pirouette beobachtet? Sie drehen sich mit seitlich ausgestreckten Armen. Je näher sie die Arme an den Körper ziehen, desto rascher drehen sie sich.

Die Ursache dafür, dass die Drehung schneller wird, ist die Erhaltung des Drehimpulses. Sich drehende Eiskunstläufer und Eiskunstläuferinnen besitzen einen bestimmten Drehimpuls. Beim Anziehen der Arme verlagern sie die Masse weiter zur Drehachse. Damit der Drehimpuls gleich bleibt, muss sich daher die Drehgeschwindigkeit erhöhen.

FG

Die Präzession: Bevor ein Kreisel umkippt, beschreibt seine Drehachse eine Kreisbewegung.

großer Drehimpuls

Der Kreisel

Auch ein sich drehender Kreisel besitzt einen Drehimpuls.

Aber warum kippt der Kreisel nicht um?

Oly

Die Zentripetalkraft bewirkt, dass ein Körper eine gekrümmte Bahn beschreibt. Die Zentrifugalkraft wirkt nach außen.

Die Korioliskraft bewirkt, dass ein Körper auf einer sich drehenden Scheibe scheinbar seitlich abgelenkt wird. Jeder Körper, der sich um seine eigene Achse dreht, besitzt einen Drehimpuls.

Auch das kann durch die Erhaltung des Drehimpulses erklärt werden: Der Drehimpuls hängt davon ab, in welche Richtung die Drehachse zeigt. Würde der Kreisel umkippen, würde sich dabei die Richtung der Drehachse und damit der Drehimpuls ändern.

Der Kreisel „wehrt“ sich aber gegen das Umkippen, indem er seitlich ausweicht. Die Drehachse beschreibt dadurch einen Kreis. Diese Kreisbewegung der Achse nennt man Präzession. Erst wenn durch die Reibung die Drehgeschwindigkeit des Kreisels zu gering geworden ist, kippt er um.

Drehachse

Kräfte und Bewegung 141

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag

1) Die Korioliskraft auf der Erdoberfläche – Diese Erklärung für die Auswirkung der Korioliskraft auf Luftströmungen ist durcheinandergeraten. Bringe die Sätze in die richtige Reihenfolge, indem du sie nummerierst! Tipp: Die Buchstaben hinter den Sätzen ergeben ein Lösungswort! %%% Luft, die direkt von Norden kommt, bewegt sich auf das Tiefdruckgebiet zu. (R)

erl

Währenddessen dreht sich die Erde unter der Luftströmung von West nach Ost. (F) Entsteht über Österreich ein Tiefdruckgebiet, so wird von allen Seiten Luft in dieses Gebiet gesaugt. (K) Die Luft bewegt sich von Nord nach Süd. (A)

mp eV

Daher sieht es auf der Erdoberfläche so aus, als ob die Luft nach Westen abgelenkt werden würde. (T) LÖSUNGSWORT:

.

.

.

.

.

2) Warum kippt ein Fahrrad nicht um? – Setze die Wörter aus dem Kästchen richtig ein! %%

Kippen © Präzession © Kurve © Zentrifugalkraft © Kreisel © Radfahrer © Geschwindigkeit

Sobald das Fahrrad zu kippen beginnt, dreht der ______________________ die Lenkstange ganz automatisch in die Richtung, in welche das Fahrrad kippt. Dadurch fährt dieses eine leichte ___________________. Die _______________________________ wirkt in die Gegenrichtung und richtet das Fahrrad wieder auf. Danach kippt das Fahrrad in die Gegenrichtung, worauf der Fahrer erneut die Lenkstange einschlägt. Beim langsamen Fahren pendelt daher das Fahrrad ständig zwischen ________________ und Aufrichten hin und her. Sobald eine ____________________________ von etwa 20 km/h

Oly

erreicht ist, sorgt ein zusätzlicher Effekt für ein stabiles

Fahren.

Die

Räder

wirken

dann

wie

______________________. Beginnt das Fahrrad zu kippen, ändert sich dabei die Richtung der Drehachse der Räder.

Die

___________________________

wirkt

dieser

Richtungsänderung entgegen und das Fahrrad richtet sich

fi

wieder auf.

142 Kräfte und Bewegung

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

Sie hängt von der Masse des sich bewegenden Körpers ab.

ag

3) Trägheitskräfte – Kreise ein, welche dieser Aussagen für welche Kräfte zutreffen! Male anschließend die Kästchen mit den Zahlen an, die du angekreuzt hast! So siehst du, ob du recht gehabt hast! %%% ACHTUNG: Manche Aussagen können auch für mehrere Kräfte gelten.

4

5

6

Sie bewirkt, dass Wolkenwirbel entstehen.

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Sie wirkt vom Kreismittelpunkt weg.

Zentrifugalkraft

Korioliskraft

1

2

3

erl

Sie wirkt in Richtung auf den Kreismittelpunkt zu.

Zentripetalkraft

mp eV

Ihretwegen muss sich ein Radfahrer „in die Kurve legen“.

fi

Oly

4) Der Drehimpuls – Nummeriere die Abbildungen in jeder Zeile nach der Größe des dargestellten Drehimpulses! Beginne bei 1! %%

Kräfte und Bewegung 143

28. BEWEGUNGEN IM WELTALL Fallen Satelliten auf die Erde?

Auch in einigen 100 km Höhe gibt es noch Reste der Atmosphäre. Durch Reibung mit dieser werden Satelliten abgebremst.

Die Zentrifugalkraft nimmt ab und die Erdanziehungskraft überwiegt. Tritt dies ein, dann stürzen sie auf die Erde.

erl

Wieso fällt ein Satellit nicht auf die Erde?

ag

Sicherlich weißt du, dass zahlreiche Fernsehprogramme „über Satellit“ empfangen werden können. Ein Satellit ist ein Gerät, das sich in sehr großer Höhe über der Erdoberfläche befindet und von dort aus Signale zur Erde sendet.

mp eV

Erde

Satelliten bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit. Wie auf jeden Körper wirkt auch auf einen Satelliten die Erdanziehungskraft (FG). Diese beschleunigt ihn in Richtung Erdmittelpunkt. Gleichzeitig wirkt auf ihn, wenn die Bewegung aus einem mit der Erde mitrotierenden Bezugssystem betrachtet wird, die Zentrifugalkraft (FZ). Daher bewegt er sich in einer Kreisbahn rund um die Erde FG FZ und der Satellit stürzt nicht auf die Erde.

Satellitenbahnen

Satelliten kreisen in unterschiedlicher Höhe um die Erde. Damit sie in einer bestimmten Höhe bleiben, müssen sie mit Raketen dorthin gebracht werden. Sie müssen eine ganz bestimmte Geschwindigkeit haben, damit sie auf dieser Umlaufbahn bleiben. Nur auf der jeweiligen Umlaufbahn eines Satelliten hat er die richtige Geschwindigkeit, bei der die Zentrifugalkraft genau so groß ist wie die Erdanziehungskraft.

ISS: International Space Station; kreist in 400 km Höhe

Viele Satelliten kreisen in einer Höhe von einigen hundert km um die Erde. Manche Satelliten, die das Wetter auf der Erde beobachten, befinden sich in dieser Höhe. Sie haben eine Geschwindigkeit von ca. 7,9 km/s.

Oly

Von besonderer Bedeutung sind die geostationären Satelliten. Diese befinden sich in einer Höhe von ca. 36 000 km. Sie kreisen über dem Äquator um die Erde. Dabei bewegen sie sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 3 km/s. Die Zeit, die sie für eine Umrundung der Erde benötigen, beträgt genau einen Tag. Daher sieht es von der Erde aus so aus, als ob sie immer über demselben Punkt am Äquator stillstehen würden.

Fernsehsatelliten nutzen solche Umlaufbahnen. Somit kann man eine „Satellitenschüssel“ auf einen festen Punkt ausrichten und muss sie nicht ständig bewegen.

Eine Satellitenschüssel wird nach dem Satelliten ausgerichtet.

Was ist eine Satellitenschüssel?

Der größte Teil der Anlage, mit der du Fernsehprogramme von einem Satelliten empfangen kannst, ist der Reflektor.

Dieser bündelt die Signale, sodass sie von der eigentlichen Antenne empfangen werden können.

Antenne

Reflektor Wenn du zu Hause Fernsehen über Satellit empfängst, erkundige dich, auf welchen Satelliten eure Antenne ausgerichtet ist!

144 Kräfte und Bewegung Welche Form haben Satellitenbahnen?

Erddrehung

Bahn eines Satelliten mit Polbahn

Auch der Mond ist ein Satellit

Der Mond ist ein natürlicher Satellit. Er umkreist die Erde auf einer elliptischen Bahn. Seine Entfernung zur Erde schwankt zwischen 363 000 und 406 000 km. Für einen Umlauf um die Erde benötigt er 27,3 Tage.

mp eV

Menschen auf dem Mond Abgesehen von der Erde ist der Mond der einzige Himmelskörper, der jemals von Menschen betreten wurde. Am 21. Juli 1969 setzte der Amerikaner Neil Armstrong als erster Mensch seinen Fuß auf den Mond.

Brennpunkte

Die Bahnen von Satelliten können jedoch auch die Form einer Ellipse haben. Diese hat nicht einen Mittelpunkt, sondern zwei Brennpunkte. Die elliptische Bahn eines Satelliten ist so geformt, dass der Erdmittelpunkt in einem der beiden Brennpunkte liegt.

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Erde

ag

Die meisten Satelliten bewegen sich auf kreisförmigen Bahnen. Diese können – wie bei geostationären Satelliten – über dem Äquator liegen. Sie können jedoch auch über die Pole führen. Da sich die Erde unter der gleich bleibenden Bahn des Satelliten dreht, überfliegen Satelliten mit solchen Bahnen beim Umkreisen der Erde immer andere Stellen. Somit können sie die gesamte Erdoberfläche beobachten.

Die Erde umkreist die Sonne

So wie der Mond die Erde umkreist, umkreist die Erde die Sonne. Auch die Erdbahn hat die Form einer Ellipse. Der mittlere Abstand zwischen Erde und Sonne beträgt ca. 150 Mio. km.

Oly

Warum heißt die Milchstraße Milchstraße?

In klaren Nächten sehen die Sterne der Milchstraße wie ein helles Band aus, das quer über den Himmel läuft.

Man könnte glauben, jemand hätte Milch verschüttet.

Der Mond dreht sich auch um die eigene Achse. Für eine Umdrehung benötigt er genau so viel Zeit wie für eine Umkreisung der Erde. Daher wendet er der Erde immer dieselbe Seite zu.

Galaxie: Ansammlung zahlreicher Sterne

Blickt man von oben so auf die Erdbahn, dass man den Nordpol sieht, dann bewegt sich die Erde gegen den Uhrzeigersinn um die Sonne. Die Ebene, auf der sich die Erde bewegt, nennt man Ekliptik. Die Erdachse steht nicht senkrecht auf die Ekliptik, sondern ist gegenüber der Senkrechten um einen Winkel von 23,5° geneigt. Diese Neigung ist dafür verantwortlich, dass es auf der Erde Jahreszeiten gibt.

Gemeinsam mit 100 bis 300 Milliarden weiteren Sternen bildet unsere Sonne eine Galaxie, nämlich die Milchstraße. Alle Sterne der Milchstraße kreisen um einen gemeinsamen Mittelpunkt.

Kräfte und Bewegung 145 Unser Sonnensystem

Merkur Venus Erde Mars Jupiter Saturn Uranus Neptun

Masse (Erde = 1)

0,055 0,82 1 0,11 318 95 15 17

Umlaufzeit (Jahre)

Durchmesser (km)

0,24 0,62 1 1,88 11,9 29,5 84 165

4 880 12 100 12 760 6 790 143 000 121 000 51 100 49 500

Anzahl der Monde

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Planet

Warum nennt man die Erde auch „blauer Planet“?

ag

Die Erde ist nicht der einzige Planet, der um die Sonne kreist. Insgesamt gehören acht Planeten zum Sonnensystem:

mp eV

Neben der Sonne und diesen acht Planeten gibt es noch zahlreiche andere Himmelskörper, die zum Sonnensystem gehören.

ASTEROIDENGÜRTEL: Zwischen den Bahnen von Mars und Jupiter kreisen zahlreiche kleine Himmelskörper um die Sonne. Diese nennt man Asterioden. Die größten von ihnen haben einen Durchmesser von bis zu 1 000 km.

Man kennt heute ca. 600 000 Asteroiden, von denen die meisten jedoch sehr klein sind.

Eros: ein Asteroid

KOMETEN: Sie bestehen aus Eis mit geringen Mengen von Staub. Ihr Durchmesser beträgt einige km. Kometen fliegen auf langgestreckten Bahnen durch das Sonnensystem. Kommen sie in die Nähe der Sonne, verdampft ein Teil des Eises. Dieser Dampf ist als Kometenschweif deutlich sichtbar.

0 0 1 2 67 62 27 14

Was sind Meteore?

Meteore sind Gesteinsbrocken, die meist aus dem Asteroidengürtel stammen.

Die meisten sind so klein, dass sie beim Eintreten in die Erdatmosphäre verglühen und nur als „Sternschnuppen“ zu sehen sind. Die größeren erreichen die Erdoberfläche. Diese nennt man Meteorite.

Wie würde sich dein Gewicht auf anderen Himmelskörpern verändern?

Komet Hale-Bopp (1997); Durchmesser ca. 60 km

Oly

KUIPERGÜRTEL: Außerhalb der Neptunbahn findet sich ein Bereich, in dem zahlreiche weitere kleine Himmelskörper um die Sonne kreisen. Manche von ihnen sind beinahe so groß wie Planeten. Einer von ihnen – Pluto – hat sogar einen eigenen Mond. Pluto wurde bis 2006 sogar als 9. Planet betrachtet.

Der Kleinplanet Eris im Kuipergürtel (Zeichnung)

Derzeit kennt man etwa 1 000 Himmelskörper im Kuipergürtel. Man vermutet, dass auch die Kometen aus dem Kuipergürtel stammen. Die Himmelskörper im Kuipergürtel sind so weit von der Erde entfernt, dass sie selbst mit den stärksten Fernrohren nur als winzige Lichtflecke zu erkennen sind.

Kometen – viele kommen immer wieder Viele Kometen fliegen auf langgestreckten Ellipsenbahnen um die Sonne. Diese kommen in regelmäßigen Abständen in Sonnennähe und sind dort sichtbar. Andere kommen jedoch nur einmal in die Nähe der Sonne, bevor sie für immer im Weltall verschwinden.

146 Kräfte und Bewegung Wie bewegen sich Planeten?

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Einer der ersten Wissenschaftler, der sich mit der Bewegung der Planeten beschäftigte, war der deutsche Astronom Johannes Kepler. Er entdeckte drei Gesetzmäßigkeiten, die man nach ihm die „Keplerschen Gesetze“ nennt: 1. Keplersches Gesetz: Die Planeten bewegen sich auf elliptischen Bahnen.

In einem der Brennpunkte der Ellipsen steht die Sonne.

Johannes Kepler

Welches Halbjahr ist länger?

Kannst du einen Ball wirklich so stark werfen, dass er um die Erde kreist?

Aus dem 2. Keplerschen Gesetz ergibt sich, dass ein Planet sich schneller bewegt, wenn er näher bei der Sonne ist. Deshalb sind auf der Erde das Winter- und das Sommerhalbjahr auch unterschiedlich lang.

Geschwindigkeiten im Weltall

Stell dir vor, du stehst auf einem hohen Turm und wirfst einen Ball. Du weißt, dass dieser Ball in einer Kurve auf die Erde fällt (A). Je stärker du den Ball wirfst, desto weiter fliegt er (B). Wie weit er fliegt, hängt von seiner Geschwindigkeit ab.

Würde die Geschwindigkeit des Balls immer größer werden, würde er irgendwann nicht mehr auf die Erde fallen, sondern in einer Kreisbahn immer rund um die Erde fliegen (C). Diese Geschwindigkeit beträgt etwa 28 500 km/h und wird als „erste kosmische Geschwindigkeit“ bezeichnet.

Satelliten kreisen um die Erde. Die Sonne, der Mond sowie acht Planeten gehören zum Sonnensystem. Zusätzlich gibt es in diesem noch zahlreiche andere Himmelskörper. Die Bewegung der Planeten wird durch die Keplerschen Gesetze beschrieben.

A B

E

C

D

Würdest du deinen Ball noch stärker werfen, würde aus der Kreis- eine Ellipsenbahn (D). Irgendwann kreist der Ball nicht mehr um die Erde, sondern entflieht der Schwerkraft der Erde (E). Diese Geschwindigkeit liegt bei 40 300 km/h. Man bezeichnet sie als „zweite kosmische Geschwindigkeit“ oder Fluchtgeschwindigkeit.

Oly

Wie schnell war Voyager?

Beim Start hatte die Raumsonde noch nicht die erforderliche Geschwindigkeit zum Verlassen des Sonnensystems. Diese erlangte sie erst auf ihrem Weg durch die Anziehungskraft der Planeten.

gleiche Zeit

3. Keplersches Gesetz: Es gibt einen Zusammenhang zwischen der Umlaufzeit eines Planeten und seinem Abstand zur Sonne. Je weiter er von der Sonne entfernt ist, desto länger braucht er für einen Umlauf.

mp eV

Wie würde sich die Lufthülle der Erde auf die Bewegung des Balles auswirken?

A2

A1

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2. Keplersches Gesetz: Zieht man eine Linie von der Sonne zu einem Planeten, so überstreicht diese in gleichen Zeiten gleich große Flächen.

A1 = A2

Mit dieser Geschwindigkeit würde der Ball zwar die Erde verlassen, er bliebe aber immer noch im Bereich der Sonne gefangen. Um auch unser Sonnensystem zu verlassen, müsste er ca. 151 000 km/h schnell sein. Das ist die „dritte kosmische Geschwindigkeit“.

Nach einer Flugzeit von mehr als 35 Jahren verließ die Raumsonde „Voyager 1“ 2012 das Sonnensystem. Auf ihr befindet sich eine goldene Scheibe.

Diese soll Außerirdischen Informationen über uns Menschen übermitteln.

Kräfte und Bewegung 147

9

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

ag

1) Entfernungen im Weltall – Lies zuerst den Infotext! Dann ordne die Entfernungen nach ihrer Größe, indem du sie von 1 bis 6 nummerierst! Beginne bei der kleinsten! %%

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Information Entfernungen im Weltall sind zu groß, um sie im km anzugeben. Daher gibt man Entfernungen durch die Zeit an, die das Licht benötigt, um diese Entfernung zurückzulegen. Das Licht legt pro Sekunde 300 000 km zurück. Daher entspricht eine Lichtsekunde einer Strecke von 300 000 km.

Ein Lichtjahr ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt.

Entfernung zum nächsten Stern (Proxima Centauri): 4,2 Lichtjahre

mp eV

Durchmesser der Milchstraße: 100 000 Lichtjahre

Abstand Erde – Mond: 1,2 Lichtsekunden

Durchmesser der Erdbahn: 16,5 Lichtminuten

Entfernung zur nächsten Galaxie (Andromeda): 2,5 Mio. Lichtjahre

Durchmesser des Kuipergürtels: 13 Lichtstunden

2) Satelliten – Lies diese Kurzmeldungen zu den verschiedenen Typen von Satelliten! Entscheide, um welche Art von Orbit es sich jeweils handelt! %%% Wettersatelliten: Diese fliegen in Arten von Satellitenorbits:

Orbit: Umlaufbahn eines Satelliten

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Oly

LEO (Low Earth Orbit): 200 bis 2 000 km Höhe MEO (Medium Earth Orbit): 2 000 bis 36 000 km Höhe GEO (Geostationärer Orbit): 36 000 km Höhe

einer Höhe von ca. 800 km auf einer polaren Umlaufbahn. Sie bewegen sich mit ca. 7 km/s. Ein Umlauf dauert etwa 100 min. In 12 Stunden tasten seine Kameras die gesamte Erdoberfläche ab.

Orbit:

.

.

.

Kommunikationssatelliten: Mit

GPS-Satelliten: „Global Positioning

diesen werden Fernsehprogramme übertragen. Deshalb müssen sie von der Erde aus betrachtet immer am selben Punkt des Himmels zu finden sein. Nur dann kann man seine Satellitenantenne genau auf einen der Satelliten ausrichten.

Systeme“ kreisen in einer Höhe von 20 200 km um die Erde. Um mit diesem System seinen Standort auf der Erde bestimmen zu können, müssen immer vier Satelliten gleichzeitig „sichtbar“ sein. Daher umfasst das GPS-System mehr als 24 Satelliten.

Iridium: Dieses ist ein Netzwerk von Satelliten, über das man von jedem Punkt der Erde aus telefonieren kann.

Insgesamt 66 Satelliten kreisen auf sechs polaren Umlaufbahnen in einer Höhe von etwa 780 km um die Erde.

Orbit: .

Orbit: .

Orbit:

.

.

.

.

.

.

.

148 Kräfte und Bewegung

Nun geht‘s los – Aufgaben für schlaue Köpfe!

9

Ich bin der größte Planet des Sonnensystems. Da ich ein Gasplanet bin, habe ich keine feste Oberfläche.

Auffällig an mir ist der große rote Fleck, bei dem es sich um einen gigantischen Wolkenwirbel handelt. ________________________

Die Temperaturunterschiede auf meiner Oberfläche sind extrem. Tagsüber hat es etwa 430 °C, in der Nacht kühlt es auf bis zu –170 °C ab. Ich bin der kleinste Planet im Sonnensystem und bin der Sonne am nächsten.

erl

Ich bin

ag

3) Planetenraten – Die Planeten des Sonnensystems stellen sich vor. Schreibe auf die freie Zeile, um welchen Planeten es sich handelt! %%%%

Ich bin _____________________

mp eV

Da ich so weit von der Erde entfernt bin, kannst du mich mit freiem Auge gar nicht mehr sehen. Daher wurde ich auch erst im Jahr 1846 entdeckt. Da die Sonnenstrahlung mich kaum noch erreicht, hat es auf mir ca. –200 °C. Ich bin _________________

Jeder, der mich einmal gesehen hat, erkennt mich sofort wieder. Meine Ringe machen mich einzigartig im Sonnensystem. Aber ich habe noch mehr zu bieten. Neben meinen Ringen umkreisen mich mehr als 60 Monde.

Ich bin

_____________________

Ich bin so weit von der Erde entfernt, dass man mich mit freiem Auge kaum noch sehen kann. Lange Zeit wusste man nicht, dass es mich gibt. Immerhin brauche ich 84 Jahre, um einmal die Sonne zu umrunden.

Ich bin __________________

Oly

Ich bin fast genauso groß wie die Erde. Eine dichte Atmosphäre aus Kohlenstoffdioxid umgibt mich. Auf meiner Oberfläche hat sie einen Druck von über 90 bar. Übrigens: Ich bin nach der römischen Göttin der Liebe benannt.

Ich bin _____________________

_____________________

Die Menschen haben mir den Namen „roter Planet“ gegeben. Dabei kann ich ja nichts dafür, dass es auf meiner Oberfläche große Mengen von Eisenoxid gibt, das rötlich aussieht. Meine beiden Monde heißen Phobos und Deimos.

Ich bin

_____________________

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Ich bin

Man nennt mich auch den „blauen Planeten“.

Kein Wunder, ich bin der einzige Planet, auf dem es flüssiges Wasser gibt, das auch aus großer Entfernung zu sehen ist. Außerdem bin ich der einzige Planet, auf dem es Leben gibt.

PHYSIK-LABOR: Kräfte und Bewegung 149

Experiment 1: Erhaltung des Drehimpulses

ag

Ziel des Experiments: Spüre den Drehimpuls!

Du brauchst: Drehsessel * 2 Gewichte (z. B. Hanteln, Getränkeflaschen, Konservendosen)

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Ablauf: ƒ Setze dich auf den Drehsessel und nimm die beiden Gewichte jeweils in eine Hand! ƒ Dann bitte einen Freund/eine Freundin, dich mit dem Drehsessel in Drehung zu versetzen! ƒ Sobald du dich drehst, ziehe die Gewichte langsam zur Brust!

Ergebnis: Während du die Gewichte zur Brust ziehst, wird deine Drehung rascher.

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Erklärung: Nachdem du in Drehung versetzt worden bist, hast du einen gewissen Drehimpuls. Mit seitlich ausgestreckten Armen ist die Masse der Gewichte weit von der Drehachse entfernt. Ziehst du sie zur Brust, wird die Entfernung zur Drehachse geringer. Damit der Drehimpuls gleich groß bleibt, muss sich daher deine Umdrehungsgeschwindigkeit erhöhen.

Experiment 2: Stabilität eines Kreisels

Ziel des Experiments: Versuche, eine sich drehende Münze umzublasen!

Du brauchst: Münze

Ablauf: ƒ Stelle die Münze auf eine ebene Fläche! ƒ Blase auf die Münze!

Was beobachtest du?

ƒ Versetze die Münze in Drehung! ƒ Blase auf die sich drehende Münze!

Oly

Was beobachtest du jetzt?

Erklärung: Die stehende Münze kann durch Anwenden einer sehr geringen Kraft – z. B. durch Anblasen – zum Umkippen gebracht werden. Sobald die Münze rotiert, verhält sie sich wie ein Kreisel. Würde sie umkippen, würde sich die Richtung der Drehachse und damit der Drehimpuls ändern. Sie widersetzt sich dem Umkippen. Beim Anblasen bewegt sie sich über die ebene Fläche. Sie fällt erst um, wenn die in der Drehung steckende Energie durch Reibung „verbraucht“ ist.

150 PHYSIK-LABOR: Kräfte und Bewegung

Experiment 3: Beschleunigungsmesser

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Ziel des Experiments: Bastle deinen eigenen Beschleunigungsmesser!

Du brauchst: wasserdichtes durchsichtiges Gurken- oder Marmeladeglas mit Deckel und Gewinde * Weinkorken * Schnur * Klebeband oder Kerzenwachs * einen dünnen Bohrer

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Ablauf: ƒ Bohre der Länge nach ein Loch durch den Weinkorken! ƒ Stecke die Schnur durch das Loch und sichere sie mit einem Knoten! ƒ Nun schneide die Schnur ab! Sie soll gemeinsam mit dem Weinkorken etwas kürzer sein, als das Glas lang ist. ƒ Dann befestige das Ende der Schnur mit Klebeband oder Kerzenwachs an der Innenseite des Deckels! ƒ Fülle nun das Glas mit Wasser und verschließe es mit dem Deckel! ƒ Zum Schluss drehe das Glas um!

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Ergebnis: Der Weinkorken schwimmt im Wasser, die Schnur zeigt senkrecht nach oben. Wird das Glas beschleunigt, neigt sich der Korken in die Bewegungsrichtung. Drehst du dich mit dem Glas in der Hand, dann neigt sich der Korken zu dir.

Erklärung: Sowohl der Korken als auch das umgebende Wasser besitzen Masse, daher wirken auf beide Trägheitskräfte.

Da die Dichte des Wassers größer ist als die des Korkens, sind die Trägheitskräfte auf das Wasser größer.

Daher drückt bei einer geradlinigen Beschleunigung das Wasser den Korken nach vorn. Bei einer Drehbewegung jedoch drückt das Wasser den Korken nach innen.

Experiment 4: Wasserwirbel

Ziel des Experiments: Finde einer Erklärung für einen Wasserwirbel im Glas!

Du brauchst: Glas mit Wasser Ablauf: ƒ Betrachte dieses Glas!

Oly

ƒ Überlege, auf welche Weise dieser Wasserwirbel entstanden sein könnte! ƒ Versuche, einen solchen Wasserwirbel selbst zu erzeugen!

Erkläre, welche physikalischen Effekte die Grundlagen für den Wasserwirbel sind! Welche Kräfte treten auf?

151

PHYSIK-ZEITUNG: Kräfte und Bewegung Gefährdet die Korioliskraft unsere Eisenbahn?

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Die Korioliskraft wirkt auch auf einen Eisenbahnzug, der in Nord-Süd-Richtung fährt. Sie lenkt den Zug nach rechts ab, wodurch die rechte Schiene stärker belastet wird als die linke.

Wissenschaftler/innen geben jedoch Entwarnung. Die Kraft ist nämlich so gering, dass es dadurch zu keiner Entgleisung eines Zuges kommen kann.

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Ein Lift zu den Sternen

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Die amerikanische Weltraumbehörde NASA verfolgt das Ziel, einen Weltraumlift zu errichten. Dazu soll von einem Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn ein Seil herabgelassen werden. Dieses will man auf der Erdoberfläche verankern, sodass es als Tragseil einer Liftkabine dient. Einziger Haken: es gibt derzeit noch kein Material, aus dem ein Seil mit einer Länge von mehr als 36 000 km hergestellt werden kann.

Energiediebstahl durch „Swing-by Manöver“ Fliegt eine Raumsonde knapp an einem Planeten vorbei, so wird sie dabei beschleunigt. Die Energie für die Beschleunigung bezieht sie aus der Bewegungsenergie des Planeten.

Die Raumsonde „Cassini-Huygens“ wurde zweimal an der Venus und jeweils einmal an Erde und Jupiter vorbeigesteuert, bevor sie ihr Ziel – den Planet Saturn – erreichte.

Raumsonde Cassini-Huygens

Flugbahn:

3 2

4

Hast du das gewusst?

Oly

Jupiterbahn

Erdbahn

ƒ Die maximale Beschleunigung durch die Fliehkraft auf einer Kinderschaukel ist etwa 1,5-mal so groß wie die Erdbeschleunigung. Sie beträgt 1,5 g oder 15 m/s2. ƒ Die Beschleunigung in den Kurven einer Achterbahn beträgt bis zu 4 g. ƒ Ein Mensch kann kurzfristig Beschleunigungen von bis zu 100 g ohne schwere Verletzungen überleben. ƒ Ein Kugelschreiber, der aus 1 m Höhe auf einen harten Boden fällt, wird beim Abbremsen mit bis zu 1 000 g beschleunigt.

1

Venusbahn

Saturnbahn

Buchtipps Luca Novelli: Newton und der Apfel der Erkenntnis (Arena Verlag, 2009).

Anne Braun: Galilei und der erste Krieg der Sterne (Arena Verlag, 2005).

Sonia Fernández-Vidal: Nikos Reise durch Raum und Zeit (Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2013).

Eirik Newth: Abenteuer Zukunft: Projekte und Visionen für das 3. Jahrtausend (Deutscher Taschenbuch Verlag, 2002).

152

PHYSIK-ZEITUNG: Kräfte und Bewegung Meteoritensammlung in Wien

ASTEROIDEN sind Gesteinsbrocken, die zwischen den Bahnen von Mars und Jupiter um die Sonne kreisen.

Einige von ihnen sind mehrere 100 km groß.

Besuchen Sie die Meteoritensammlung im Naturhistorischen Museum. Sie ist die drittgrößte Meteoritensammlung der Welt.

KOMETEN sind einige km große Eisbrocken. Kommen sie auf ihrer Bahn in die Nähe der Sonne, verdampft ein Teil des Eises. Der Dampf leuchtet im Licht der Sonne und ist als Kometenschweif zu sehen.

Mit 1 100 gezeigten Objekten enthält das Museum die weltweit größte Meteoriten-Schau.

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METEORE sind kleine Himmelskörper, die in die Erdatmosphäre eintreten. Die meisten verglühen dabei und sind als STERNSCHNUPPEN zu sehen.

ag

Das „Who-is-Who“ der Himmelskörper

Kurzmeldungen

mp eV

METEORITEN sind Meteore, die bis zur Erdoberfläche durchdringen und dort aufschlagen. Man unterscheidet Stein- und Eisenmeteoriten.

Eisenmeteorit in Wien

30. Juni 1908: Rätselhafte Explosion in Sibirien

7:15 Uhr: Augenzeugen berichteten von einer schweren Explosion, die sich in der Nähe des Flusses „Steinige Tunguska“ ereignet hatte. Dieser Explosion fielen ca. 60 Mio. Bäume zum Opfer. Die Ursache ist bis heute nicht geklärt. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen vermuten, dass die Ursache ein Steinasteroid oder ein Komet war. Dieser soll einen Durchmesser von 30 bis 80 m gehabt haben und einige km über dem Erdboden explodiert sein.

6. April 2002: Meteorit schlägt in Tirol ein Um 22:20 Uhr schlug an der österreichisch-bayrischen Grenze ein mehrere kg schwerer Meteorit ein. Er war zuvor in 22 km Höhe in mehrere Teile zerbrochen. Das mit 2,8 kg größte Bruchstück des sogenannten „Neuschwanstein-Meteoriten“ (siehe Bild) wurde im Juni 2003 bei Reutte in Tirol gefunden.

15. Februar 2013: Riesiger Meteorit in Russland beobachtet

Oly

Um 9:20 Uhr beobachteten zahlreiche Bewohner rund um die russische Stadt Tscheljabinsk eine glühende Spur am Himmel. Es stellte sich heraus, dass es sich dabei um einen etwa 12 000 Tonnen schweren Meteoriten mit einem Durchmesser von ca. 19 m gehandelt hatte. Die Druckwelle, die beim Eintritt des Meteoriten in die Erdatmosphäre entstand, verursachte große Schäden. 1 500 Menschen wurden verletzt.

Alle Jahre wieder: Die Perseiden Jedes Jahr im August fliegt unsere Erde durch die Staubspur, die von einem Kometen übrig geblieben ist. Rund um den 12. August können Sie daher am

Nachthimmel besonders viele Sternschnuppen beobachten. Da der Ursprung des Staubes im Sternbild Perseus liegt, werden diese Sternschnuppen Perseiden genannt.

Spannende Experimente: Optik 153

Lichtausbreitung

mp eV

Welche Form haben die Bleistiftstriche?

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Anleitung: ƒ Lege die Reuterlampe auf das Blatt Papier und schalte sie ein! ƒ Markiere einige Punkte am Rand des hellen Bereiches auf beiden Seiten mit dem Bleistift! ƒ Entferne die Lampe und verbinde die markierten Punkte mit dem Lineal! ƒ Stecke die Schlitzblende auf die Lampe! Lege die Reuterlampe so, dass die Schlitzblende senkrecht steht, und lege sie auf dieselbe Stelle wie zuvor! ƒ Markiere 2 Punkte am Lichtstrahl, entferne die Lampe und verbinde diese beiden Punkte ebenfalls mit dem Lineal!

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Du brauchst: Reuterlampe mit Schlitzblende * Blatt weißes Papier * Bleistift * Lineal

Was ist die Ursache dafür?

Lichtabsorption

Du brauchst: Overheadprojektor * Overheadfolie * farbige Hefteinbände * Schere * Overheadstift Anleitung: ƒ Halbiere die Overheadfolie! Halbiere die beiden Hälften anschließend erneut! Wiederhole den Vorgang, bis du 16 gleich große Folienstücke hast! ƒ Lege 4 Folienstücke auf den Overheadprojektor! Lege anschließend auf ein Folienstück ein weiteres, auf das nächste 3 zusätzliche Stücke und die restlichen Stücke auf das letzte Folienstück!

Du erhältst so Folienstapel mit 1, 2, 4 und 9 Folienstücken. ƒ Schreibe die Anzahl der Folienstücke auf die oberste Folie! ƒ Schalte den Overheadprojektor ein!

Oly

Was kannst du auf der Leinwand beobachten?

Finde eine Erklärung für deine Beobachtung!

Bild auf der Leinwand

154 Spannende Experimente: Optik Schlagschatten

Wie verändert sich die Größe des Schattenbildes?

Schattenbild

Lampe

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Anleitung: ƒ Stelle die Gegenstände zwischen die Lampe und die Leinwand und schalte die Lampe ein! ƒ Verrücke nun die Gegenstände und verändere so den Abstand zwischen ihnen und der Leinwand!

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Du brauchst: verschiedene kleine Gegenstände (z. B. Spielfiguren) * Reuterlampe * Leinwand (weiße Wand)

Schattenraum

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Schattenbilder

Du brauchst: 2 Reuterlampen * Leinwand (weiße Wand) * rechteckiger Holzklotz * Mattscheibe Anleitung: 1. Stelle den Holzklotz zwischen Reuterlampe und Leinwand und beobachte den Schatten, den der Holzklotz wirft!

2. Platziere die zweite Reuterlampe neben der ersten und beobachte erneut den Schatten des Holzklotzes!

3. Verwende nur eine der beiden Reuterlampen und stelle die Mattscheibe vor die Lampe! Beobachte den Schatten des Holzklotzes!

Beschreibe die Schattenbilder!

1.

2.

Oly

3.

1.

2.

3.

Spannende Experimente: Optik 155

Sonne, Mond und Erde

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Du brauchst: Reuterlampe * kleine und große Styroporkugel * Karton * Nagel * Stricknadel

mp eV

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Anleitung: ƒ Bohre den Nagel durch ein Stück Karton und stecke die große Styroporkugel darauf! ƒ Stecke die Stricknadel in die kleine Styroporkugel! ƒ Stelle die große Styroporkugel auf einen Tisch und lege die Reuterlampe ein Stück davor ebenfalls auf den Tisch! Schalte die Lampe ein! ƒ Halte die kleine Styroporkugel mit der Stricknadel seitlich neben die große Kugel! Dann bewege sie langsam rund um die große Kugel!

Die Reuterlampe stellt die Sonne dar, die große Kugel die Erde und die kleine Kugel den Mond. ƒ Bewege die kleine Kugel so, dass nacheinander die Mondphasen Neumond – zunehmender Mond – Vollmond – abnehmender Mond zu erkennen sind! ƒ Halte die kleine Kugel anschließend so, dass zuerst eine Mondfinsternis und dann eine Sonnenfinsternis entstehen!

Oly

Wo muss sich der Mond befinden, damit eine Sonnenfinsternis entsteht?

Wo muss sich der Mond befinden, damit eine Mondfinsternis entsteht?

156 Spannende Experimente: Optik Der ebene Spiegel

mp eV

erl

Anleitung: ƒ Zeichne mit dem Lineal eine gerade Linie auf das Blatt Papier! ƒ Stelle den Spiegel senkrecht auf die Linie! ƒ Lege die Reuterlampe mit der Schlitzblende seitlich neben den Spiegel, sodass die Lichtstrahlen schräg auf den Spiegel auftreffen, und schalte sie ein! ƒ Markiere mit dem Bleistift die Punkte, an denen die Strahlen auf den Spiegel treffen! Markiere ebenfalls 2 Punkte auf den reflektierten Strahlen sowie die beiden Punkte, an denen die Strahlen aus der Lampe kommen! ƒ Entferne den Spiegel und die Lampe! ƒ Verbinde die Punkte, die zu jedem Strahl gehören, und verlängere sie hinter der Spiegelfläche sowie hinter den Schlitzen der Blende!

ag

Du brauchst: Reuterlampe * Schlitzblende mit 2 Schlitzen * Spiegel * Blatt Papier * Bleistift * Lineal

Wie sind die beiden Schnittpunkte gegenüber der Linie angeordnet?

Trugbilder

Du brauchst: Glasplatte (oder CD-Hülle) * Glas mit Wasser * Teelicht * Streichhölzer Anleitung: ƒ Stelle die Glasplatte, das Glas und das Teelicht so in einer Reihe auf, dass sich die Glasplatte in der Mitte befindet! ƒ Zünde das Teelicht an! ƒ Stelle dich hinter das Teelicht und betrachte durch die Glasplatte das Wasserglas! Verschiebe die Glasplatte, bis das Spiegelbild des Teelicht im Glas zu sein scheint!

Oly

In welchen Abständen befinden sich das Glas und das Teelicht zur Glasplatte?

Erkläre, warum das Teelicht scheinbar im Wasserglas steht!

Spannende Experimente: Optik 157

Das Reflexionsgesetz

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Du brauchst: Reuterlampe mit Schlitzblende * optische Scheibe mit ebenem Spiegel

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Anleitung: ƒ Lege die optische Scheibe auf den Tisch und platziere den ebenen Spiegel an der Mittellinie! ƒ Lege die Reuterlampe mit der senkrecht stehenden Schlitzblende so neben die optische Scheibe, dass der Lichtstrahl schräg auf den Spiegel fällt! ƒ Schalte die Lampe ein und drehe sie so, dass der Lichtstrahl genau im Mittelpunkt der optischen Scheibe einfällt! ƒ Bewege die Reuterlampe, sodass der Strahl in unterschiedlichen Winkeln einfällt!

mp eV

Miss die Winkel zwischen den einfallenden und den reflektierten Strahlen! Wie groß sind sie?

Erkläre deine Messungen mit Hilfe des Reflexionsgesetzes!

Der Konkavspiegel

Du brauchst: Spiegelfolie * verschiedene Gegenstände

Anleitung: ƒ Biege die Spiegelfolie so, dass ein Konkavspiegel entsteht! ƒ Stelle einen Gegenstand in die Wölbung der Folie!

ƒ Betrachte dein eigenes Spiegelbild in der Wölbung!

Oly

Wie sieht dein Spiegelbild aus? Beschreibe es!

Erkläre, warum dein Spiegelbild so aussieht!

158 Spannende Experimente: Optik

Du brauchst: Kaffeetasse * Münze * Wasser

ag

Die Position eines Fisches Anleitung: ƒ Lege die Münze auf den Boden der Kaffeetasse! ƒ Sieh schräg von oben so in die Tasse, dass du den Rand der Münze gerade noch sehen kannst! ƒ Behalte deine Position bei und gieße langsam Wasser in die Tasse!

mp eV

Liefere eine Erklärung für deine Beobachtung!

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Beschreibe, was du beim Eingießen des Wassers beobachtest!

Das „gebrochene X“

Du brauchst: Trinkglas * Wasser * Speiseöl * 2 Strohhalme mit unterschiedlichen Farben Anleitung: ƒ Fülle das Glas etwa zur Hälfte mit Wasser! ƒ Tauche die beiden Strohhalme gekreuzt ins Wasser! ƒ Gieße anschließend etwa 3 cm hoch Speiseöl ins Trinkglas!

Oly

Beschreibe, wie die beiden Strohhalme aussehen!

Erkläre deine Beobachtung!

Spannende Experimente: Optik 159

Die Flaschenlupe

Wodurch unterscheiden sich die beiden Bilder?

mp eV

Erkläre den Unterschied!

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Anleitung: ƒ Fülle eines der Gläser mit Wasser! ƒ Stelle die beiden Gläser nebeneinander und platziere hinter jedem Glas eines der Bilder! ƒ Betrachte die Bilder durch die Gläser hindurch!

ag

Du brauchst: 2 durchsichtige Gläser * Wasser * 2 gleiche Bilder

Das Wasserglas als Umkehrlinse Du brauchst: zylindrisches Wasserglas mit glatter Oberfläche * Wasser * weißen Karton * Filzstift

Oly

Anleitung: ƒ Zeichne mit dem Filzstift einen waagrechten Pfeil auf den Karton! Der Pfeil soll etwas kürzer sein als der Durchmesser des Wasserglases. ƒ Stelle den Karton so hinter das leere Wasserglas, dass du durch das Glas den Pfeil siehst! ƒ Gieße nun langsam Wasser ins Glas und behalte dabei den Pfeil im Auge!

Was geschieht, sobald der Wasserspiegel den Pfeil erreicht?

160 Spannende Experimente: Optik Spektralfarben aus dem Wasser

Was beobachtest du an der Wand?

mp eV

Erkläre, wie es zu dieser Erscheinung kommt!

erl

Anleitung: ƒ Lege den Spiegel schräg in die Schale! Wenn nötig, kannst du ihn mit Knetmasse am Boden der Schale befestigen. ƒ Stelle die Schale neben die weiße Wand! ƒ Schalte die Reuterlampe ein und halte sie so, dass der Lichtstrahl auf den Spiegel fällt!

ag

Du brauchst: Reuterlampe * Schale * Wasser * weiße Wand (weißer Karton) * Spiegel * Knetmasse

Farbzerlegung – Chromatografie

Du brauchst: Kaffeefilter oder Löschpapier * Trinkglas * Essig * Wasser * wasserfeste Permanentstifte oder Filzstifte * Schere

Oly

Anleitung: ƒ Schneide einen Streifen von ca. 4 x 10 cm aus dem Kaffeefilter! ƒ Male verschiedenfarbige Punkte an ein Ende des Streifens! ƒ Fülle das Trinkglas etwa zur Hälfte mit Wasser und gib etwas Essig dazu! ƒ Tauche den Streifen so weit in das Essigwasser, dass sich die farbigen Punkte nicht in der Flüssigkeit befinden! ƒ Beobachte, was mit den Farbpunkten geschieht!

Wie verändern sich die Farbpunkte nach einiger Zeit?

Was geschieht dabei mit den farbigen Punkten?

Spannende Experimente: Optik 161

Komplementärfarben

erl

Anleitung: ƒ Schneide aus den Klarsichtfolien Kreise aus! ƒ Stelle die beiden Overheadprojektoren nebeneinander auf!

Richte sie so aus, dass die Bilder, die sie projizieren, einander überlappen! ƒ Lege auf jeden Overheadprojektor eine der farbigen Folien!

Projiziere sie zunächst nebeneinander auf die Leinwand! ƒ Drehe dann die Projektoren so, dass die farbigen Kreise einander überlappen! ƒ Wiederhole diesen Vorgang mit verschiedenen farbigen Folien!

ag

Du brauchst: bunte Klarsichtfolien * 2 Overheadprojektoren * Leinwand oder weiße Wand

mp eV

Versuche zwei Farbfolien zu finden, bei denen der Überlappungsbereich weiß erscheint!

Erkläre, warum dieser weiß ist!

Subtraktive Farbmischung

Du brauchst: weißes Blatt Papier * Buntstifte in den Farben Türkis (Cyan), Purpur (Magenta) und Gelb Anleitung: ƒ Male auf das Blatt Papier 3 sich überlappende Kreise mit den 3 Buntstiften!

In welcher Farbe erscheint der Überlappungsbereich aller drei Kreise?

Oly

Finde eine Erklärung dafür!

162 Spannende Experimente: Elektromagnetismus Die tanzende Kompassnadel

ag

Du brauchst: Netzgerät (Gleichspannung) oder Batterie * Schalter * Lämpchen mit Fassung * Kompassnadel mit Halterung * Kabel

erl

Anleitung: ƒ Lege ein langes Kabel so auf den Tisch, dass es in NordSüdRichtung verläuft! (Tipp: Der Kompass hilft dir, die richtige Richtung zu finden.) ƒ Verbinde die Spannungsquelle, die Glühbirne und den Schalter entsprechend der Schaltskizze! Lasse den Schalter zunächst in geöffneter Stellung! ƒ Stelle die Magnetnadel neben das lange Kabel! ƒ Betätige kurz den Schalter und schließe so den Stromkreis! ƒ Pole die Spannungsquelle um und betätige erneut den Schalter!

mp eV

Beobachte die Kompassnadel! Wie verhält sie sich?

Wie lässt sich dieses Verhalten erklären?

Stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld

Du brauchst: Batterie * Leiterschleife oder langes Experimentierkabel * kurzes Kabel * Krokoklemmen * Schalter * Hufeisenmagnet

Oly

Anleitung: ƒ Lege die Batterie auf einen Tisch! Verbinde die Batterie, den Schalter und die Kabel so, wie es in der Skizze dargestellt ist! Lass das lange Kabel über die Tischkante hängen! ƒ Stelle den Hufeisenmagnet aufrecht so hin, dass sich das Kabel zwischen seinen Polen befindet! ƒ Schalte den Strom ein! ACHTUNG: Der Strom darf nur für kurze Zeit eingeschaltet werden!) ƒ Verbinde nun die Anschlusskabel mit dem jeweils anderen Pol der Batterie und schalte den Strom erneut ein!

Wie verhält sich das Kabel?

Erkläre dieses Verhalten!

Spannende Experimente: Elektromagnetismus 163

Schwingender Ring

ag

Du brauchst: 2 Stativstangen * Dreifuß * Muffe * Faden * Metallring (Durchmesser: 5 – 7 cm) * Magnet

Was kannst du beobachten?

mp eV

Erkläre deine Beobachtung!

erl

Anleitung: ƒ Fixiere eine Stativstange am Dreifuß und befestige an ihrem oberen Ende die zweite Stativstange mit Hilfe der Muffe, sodass die zweite Stange waagrecht steht! ƒ Ziehe den Faden durch den Metallring und befestige ihn an der waagrechten Stativstange! ƒ Bewege den Magnet im Metallring rasch hin und her! (Achtung: Du darfst dabei den Ring nicht mit dem Magneten berühren.)

Strom durch Induktion (Bewegungsstrom)

Du brauchst: Spulen mit verschiedenen Windungszahlen (z. B. 400, 800, 1200) * Experimentierkabel * Stabmagnet * Multimeter

Oly

Anleitung: ƒ Verbinde die Spule mit der kleinsten Windungszahl mit dem Multimeter! Wähle am Multimeter den Messbereich „Millivolt“! ƒ Schiebe den Stabmagnet in die Öffnung der Spule, lies am Multimeter die auftretende Spannung ab und notiere diese auf einem Zettel! ƒ Führe dasselbe Experiment mit den anderen Spulen durch und notiere ebenfalls die Messergebnisse!

Achte darauf, dass du den Stabmagnet immer gleich schnell bewegst!

Wie hängt die Stromstärke mit der Windungszahl zusammen?

Wie kannst du diesen Zusammenhang erklären?

164 Spannende Experimente: Elektromagnetismus Der Drehstromgenerator

Was zeigen die drei Voltmeter an

mp eV

Erklärung diese Anzeigen!

erl

Anleitung: ƒ Lege den Stabmagnet auf das drehbare Tischchen! ƒ Ordne die Spulen so um den Stabmagnet an, dass sie die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks bilden! ƒ Schließe an die Anschlussbuchsen jeder Spule ein Voltmeter an! ƒ Drehe nun den Stabmagnet gleichmäßig! ƒ Beobachte die Voltmeter!

ag

Du brauchst: 3 Spulen mit gleicher Windungszahl * 1 Stabmagnet * drehbares Tischchen * 6 Kabel * 3 Voltmeter

Induktion beeinflusst Magnete

Du brauchst: 2 Stativstangen mit Stativmaterial * 2 Hufeisenmagnete * 2 Spulen mit gleicher Windungszahl * 2 Kabel * Faden * Schere

Oly

Anleitung: ƒ Befestige beide Hufeisenmagnete mit Fäden so an der waagrechten Stativstange, dass sie frei schwingen können! ƒ Schiebe anschließend die beiden Spulen über die unteren Pole der Hufeisenmagnete! ƒ Verbinde die Anschlüsse der beiden Spulen mit Hilfe der Kabel so miteinander, dass ein geschlossener Stromkreis entsteht! ƒ Versetze einen der beiden Magnete in Schwingung!

Was kannst du beobachten?

Erkläre diese Beobachtung!

Spannende Experimente: Kräfte und Bewegung 165

Der Farbenfall

ag

Du brauchst: Glas * Strohhalm * Lebensmittelfarbe oder Wasserfarben * Zeitungspapier * weißes Packpapier * Maßband * Bleistift

mp eV

erl

Anleitung: ƒ Lege zur Vorbereitung am Boden Zeitungspapier aus! ƒ Lege auf das Zeitungspapier den Bogen mit weißem Packpapier! ƒ Löse im Glas Lebensmittelfarbe mit wenig Wasser! ƒ Tauche den Strohhalm in die farbige Flüssigkeit! Verschließe ihn am Ende mit deinem Daumen und ziehe ihn heraus! ƒ Lege mit Hilfe des Maßbandes die Fallhöhe fest! Dabei kann dir ein Mitschüler/eine Mitschülerin helfen. ƒ Halte den Strohhalm über das Packpapier! Ziehe vorsichtig deinen Daumen vom Ende des Strohhalms, sodass nur ein einziger Tropfen der farbigen Flüssigkeit zu Boden fällt! ƒ Schreibe neben dem Fleck, den der Tropfen auf dem Packpapier hinterlassen hat, mit dem Bleistift die Fallhöhe! ƒ Ändere nun die Fallhöhe und wiederhole das Experiment!

Wie unterscheiden sich die Farbflecke?

Finde eine Erklärung für deine Beobachtung!

Das leichte Papier

Du brauchst: 2 kleine Holzplatten * Streifen Schleifpapier * Schnur

Oly

Anleitung: ƒ Binde die Schnur an den Schleifpapierstreifen! ƒ Lege eine Holzplatte auf den Tisch! Lege darauf das Schleifpapier! Auf das Schleifpapier lege die zweite Holzplatte! ƒ Ziehe langsam das Schleifpapier an der Schnur heraus!

Was spürst du beim Herausziehen? ƒ ƒ ƒ ƒ

Lege die beiden Holzplatten und das Schleifpapier wieder übereinander!

Nimm das ganze Paket in eine Hand und halte es hoch! Nimm das Ende der Schnur in die andere Hand!

Lass das Paket fallen!

Ziehe das Schleifpapier während des Fallens an der Schnur zwischen den Holzplatten heraus!

Was spürst du jetzt?

Erkläre den Unterschied!

166 Spannende Experimente: Kräfte und Bewegung Fallbeschleunigung

ag

Du brauchst: 2 gleich große Stücke Alufolie

Anleitung: ƒ Knülle eine der beiden Stücke Alufolie zu einer Kugel! ƒ Lasse sodann die Alufolie und die Alukugel gleichzeitig aus derselben Höhe fallen!

erl

Was kannst du beobachten?

ƒ Knülle nun auch die andere Folie zu einer Kugel! ƒ Lasse beide Kugeln gleichzeitig aus derselben Höhe fallen!

mp eV

Welche Beobachtung machst du jetzt?

Erkläre deine Beobachtungen!

Der Fallstab

Du brauchst: Rundholzstab (ca. 1 m lang) * Maßband

Oly

Anleitung: ƒ Halte den Stab am oberen Ende in die Höhe! ƒ Ein/e Mitschüler/in umfasst den Stab am unteren Ende, ohne ihn jedoch zu berühren. ƒ Lass den Stab ohne vorherige Ankündigung los! ƒ Dein/e Mitschüler/in muss versuchen, den Stab aufzufangen. ƒ Miss den Abstand vom unteren Ende des Stabes bis zu dem Punkt, an dem sich die Hand befindet!

Mit diesem Experiment kann die Reaktionszeit gemessen werden. Je weiter vom unteren Ende entfernt dein/e Mitschüler/in den Stab aufgefangen hat, desto länger ist die Reaktionszeit.

Wie kann die Reaktionszeit aus der gemessenen Entfernung s berechnet werden?

Wie lautet die Formel zu ihrer Berechnung? t = ______________

Führt in der Klasse einen Wettbewerb durch! Wer hat die kürzeste Reaktionszeit?

S

Spannende Experimente: Kräfte und Bewegung 167

Ausgetrickst

ag

Du brauchst: Lineal * 2 Münzen * Tisch

erl

Anleitung: ƒ Lege das Lineal so wie in der Skizze schräg auf die Tischkante! ƒ Lege eine der Münzen auf das Ende des Lineals, das über die Tischkante ragt, und die andere neben dem anderen Ende des Lineals auf den Tisch! ƒ Schlage an der mit einem Pfeil gekennzeichneten Stelle seitlich auf das Lineal! Der Schlag muss so fest sein, dass das Lineal sich ruckartig zur Seite bewegt. ƒ Dabei soll das Lineal unter der vorderen Münze weggeschlagen werden, sodass diese senkrecht zu Boden fällt. Das Lineal soll sich beim Schlagen drehen, sodass es die hintere Münze vom Tisch stößt. Diese soll in einem Bogen zu Boden fallen.

mp eV

Wie unterscheiden sich die Fallzeiten der beiden Münzen?

Erkläre die Beobachtung!

Die schiefe Ebene

Du brauchst: Kunststoffrohr * Kugel * Stoppuhr

Oly

Anleitung: ƒ Bitte einen Mitschüler/eine Mitschülerin, dir zu helfen und die Zeit zu stoppen! ƒ Lege das Rohr auf den Boden und hebe es an einer Seite ein Stück an! ƒ Halte die Kugel an das obere Ende des Rohrs! ƒ Rufe „Los!“ und lass die Kugel los! Dein/e Helfer/in soll zu diesem Zeitpunkt auf den Startknopf der Stoppuhr drücken. ƒ Sobald die Kugel am unteren Ende des Rohrs wieder herauskommt, drückt dein/e Helfer/in erneut auf die Stoppuhr. ƒ Notiere die Zeit, die die Kugel benötigt hat, um durch das Rohr zu rollen! ƒ Hebe das Rohrende weiter an und erhöhe so den Steigungswinkel! ƒ Führe das Experiment mit mehreren Steigungswinkeln durch!

Beschreibe den Zusammenhang zwischen Steigungswinkel und gemessener Zeit!

Erkläre diesen Zusammenhang!

168 Spannende Experimente: Kräfte und Bewegung Die Zentripetalkraft

ag

Du brauchst: 2 kleine Bälle mit unterschiedlichen Massen an Schnüren

erl

Anleitung: ƒ Halte die Schnur am leichteren Ball mit einer Hand fest und lasse den Ball kreisen! ƒ Lasse die Schnur vorsichtig durch die Finger gleiten, mit denen du sie festhältst, und erhöhe so den Radius des Kreises, den der Ball beschreibt!

Wie verändert sich die Kraft, die du benötigst, um die Schnur festzuhalten?

mp eV

ƒ Lasse nun den Ball schneller kreisen!

Wie verändert sich die Kraft, die du benötigst, um die Schnur festzuhalten?

ƒ Nimm nun den schwereren Ball und lasse ihn kreisen!

Wie verändert sich die Kraft, die du benötigst, um die Schnur festzuhalten?

Erkläre, wovon die Zentripetalkraft abhängt!

Die eigenwillige Kerzenflamme Du brauchst: Windlicht (Teelicht in Glas)

Anleitung: ƒ Zünde die Kerze im Glas an! ƒ Halte das Glas mit ausgestreckten Händen fest! ƒ Drehe dich um die eigene Achse und beobachte dabei die Kerzenflamme!

Oly

Wie verhält sich die Kerzenflamme, während du dich drehst?

Erkläre das Verhalten der Flamme!

Spannende Experimente: Lösungen 169

ag

Lichtausbreitung (S. 153): Welche Form haben die Bleistiftstriche? Sie sind gerade Linien.

Was ist die Ursache dafür? Licht breitet sich stets geradlinig aus.

Lichtabsorption (S. 153) Was kannst du auf der Leinwand beobachten? Auf der Leinwand sind 4 Rechtecke mit unterschiedlicher Helligkeit zu sehen.

Finde eine Erklärung für deine Beobachtung! Jede einzelne Folie absorbiert einen gewissen Anteil des Lichts. Je mehr Folien übereinanderliegen, desto mehr Licht wird absorbiert.

erl

Schlagschatten (S. 154) Wie verändert sich die Größe des Schattenbildes? Es ist umso größer, je näher der Gegenstand bei der Lichtquelle ist.

mp eV

Schattenbilder (S. 154) Beschreibe die Schattenbilder!

1. Das Schattenbild hat einen scharfen Rand.

2. In der Mitte zeigt sich ein scharfes dunkles Schattenbild, auf beiden Seiten ein helleres.

3. Das Schattenbild hat keinen scharfen Rand.

Sonne, Mond und Erde (S. 155) Wo muss sich der Mond befinden, damit eine Sonnenfinsternis entsteht? Der Mond muss genau zwischen Sonne und Erde stehen. Das entspricht der Position des Neumondes.

Wo muss sich der Mond befinden, damit eine Mondfinsternis entsteht? Sonne, Erde und Mond müssen genau auf einer Linie sein, sodass der Kernschatten der Erde auf den Mond fällt.

Der ebene Spiegel (S. 156) Wie sind die beiden Schnittpunkte gegenüber der Linie angeordnet? Sie liegen auf einer Geraden, die normal auf die Linie steht. Sie sind beide gleich weit von der Linie entfernt.

Trugbilder (S. 156) In welchen Abständen befinden sich das Glas und das Teelicht zur Glasplatte? Beide sind gleich weit von der Glasplatte entfernt.

Erkläre, warum das Teelicht scheinbar im Wasserglas steht! Die Glasplatte wirkt wie ein halbdurchlässiger Spiegel. Die Lichtstrahlen vom Teelicht werden teilweise von der Platte reflektiert.

Gegenstand und Bild sind vom Spiegel gleich weit entfernt.

Oly

Das Reflexionsgesetz (S. 157) Miss die Winkel zwischen den einfallenden und den reflektierten Strahlen! Wie groß sind sie? Beide Winkel sind gleich groß.

Erkläre deine Messungen mit Hilfe des Reflexionsgesetzes! Der Einfallswinkel α ist gleich groß wie der Ausfallswinkel β (α = β), beide Strahlen liegen mit dem Lot in einer Ebene.

Der Konkavspiegel (S. 157) Wie sieht dein Spiegelbild aus? Beschreibe es! Das Gesicht ist verzerrt. Es sieht dünner aus.

Erkläre, warum dein Spiegelbild so aussieht! In Richtung der Wölbung wird das Bild verkleinert, in der Richtung, in der die Folie nicht gewölbt ist, jedoch nicht.

Die Position eines Fisches (S. 158) Beschreibe, was du beim Eingießen des Wassers beobachtest! Es sieht so aus, als ob die Münze gehoben werden würde.

Liefere eine Erklärung für deine Beobachtung! Die Lichtstrahlen werden beim Übergang durch die Grenzschicht Wasser-Luft vom Lot weg gebrochen.

170 Spannende Experimente: Lösungen

ag

Das „gebrochene X“ (S. 158) Beschreibe, wie die beiden Strohhalme aussehen! Sie sehen aus, als wären sie abgeschnitten und ein Stück seitlich versetzt.

Erkläre deine Beobachtung! Die von den Strohhalmen reflektierten Lichtstrahlen werden in den unterschiedlichen Medien (Wasser-Speiseöl-Luft) unterschiedlich gebrochen.

Die Flaschenlupe (S. 159) Wodurch unterscheiden sich die beiden Bilder? Das Bild im Glas mit Wasser erscheint breiter.

Erkläre den Unterschied! Das Glas mit Wasser wirkt in eine Richtung wie eine Linse. Befindet sich das Bild innerhalb der Brennweite der Linse, wird das Bild vergrößert.

erl

Das Wasserglas als Umkehrlinse (S. 159) Was geschieht, sobald der Wasserspiegel den Pfeil erreicht? Der Pfeil zeigt in die Gegenrichtung.

Erkläre deine Beobachtung! Denk dabei an das, was du bereits über Linsen gelernt hast! Das Wasserglas wirkt wie eine Umkehrlinse. Es entsteht ein reelles, verkehrtes Bild, das je nach Abstand zwischen Karton und Glas unterschiedlich groß ist.

mp eV

Spektralfarben aus dem Wasser (S. 160) Was beobachtest du an der Wand? Ein Spektrum (einen Regenbogen) Erkläre, wie es zu dieser Erscheinung kommt! Das Wasser zwischen Spiegel und Oberfläche wirkt wie ein Prisma. Lichtstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge werden unterschiedlich stark gebrochen.

Farbzerlegung – Chromatografie (S. 160) Wie verändern sich die Farbpunkte nach einiger Zeit? Sie wandern nach oben, dabei werden mehrere Farben getrennt sichtbar.

Was geschieht dabei mit den farbigen Punkten? Wasser wird nach oben gesogen. Unterschiedliche Anteile in den Farben lösen sich unterschiedlich gut.

Komplementärfarben (S. 161) Versuche zwei Farbfolien zu finden, bei denen der Überlappungsbereich weiß erscheint! Erkläre, warum dieser weiß ist! Bei den beiden Farben handelt es sich um Komplementärfarben.

Subtraktive Farbmischung (S. 161) In welcher Farbe erscheint der Überlappungsbereich aller drei Kreise? Er erscheint schwarz (dunkelgrau).

Finde eine Erklärung dafür! Nichtselbstleuchtende Körper erhalten ihre Farbe, indem nur ein Teil des Spektrums reflektiert wird, während die anderen Teile absorbiert werden. Im Überlappungsbereich werden alle Anteile des Spektrums von einer der 3 Farben absorbiert.

Oly

Die tanzende Kompassnadel (S. 162) Beobachte die Kompassnadel! Wie verhält sie sich? Je nach Polung wird die Kompassnadel nach links oder nach rechts abgelenkt.

Wie lässt sich dieses Verhalten erklären? In einem stromführenden Leiter bildet sich ein Magnetfeld.

Dieses wirkt auf das Magnetfeld der Kompassnadel ein und lenkt diese ab.

Stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld (S. 162) Wie verhält sich das Kabel? Je nach Polung bewegt sich das Kabel in die eine oder andere Richtung.

Erkläre dieses Verhalten! Sobald Strom durch das Kabel fließt, bildet sich ein Magnetfeld. Dieses überlagert sich mit dem des Magneten. Dadurch entsteht eine Kraft, die das Kabel bewegt.

Spannende Experimente: Lösungen 171

ag

Schwingender Ring (S. 163) Was kannst du beobachten? Der Ring beginnt zu schwingen.

Erkläre deine Beobachtung! Das Magnetfeld im Ring verändert sich. Dadurch fließt ein Induktionsstrom, der ein Magnetfeld aufbaut, das dem des Magneten entgegengesetzt ist. Zwischen den beiden Magnetfeldern entsteht eine Kraft, die den Magnet schwingen lässt.

erl

Strom durch Induktion (Bewegungsstrom) (S. 163) Wie hängt die Stromstärke mit der Windungszahl zusammen? Je größer die Windungszahl ist, desto größer ist die Stromstärke.

Wie kannst du diesen Zusammenhang erklären? Durch die Bewegung des Magneten wird in jeder Windung Strom induziert. Je mehr Windungen die Spule hat, desto größer ist der Gesamtstrom.

Der Drehstromgenerator (S. 164) Was zeigen die drei Amperemeter an? Die Zeiger schwingen, die Schwingungen sind zeitlich versetzt.

Erkläre diese Anzeigen! In jeder Spule erreicht der Induktionsstrom dann seinen maximalen Wert, wenn der Stabmagnet genau auf die Spule ausgerichtet ist. Da dieser sich dreht, wird dieser Wert bei jeder Spule zu einem anderen Zeitpunkt erreicht.

mp eV

Induktion beeinflusst Magnete (S. 164) Was kannst du beobachten? Nach einigen Schwingungen beginnt auch der andere Magnet zu schwingen.

Erkläre diese Beobachtung! Der schwingende Magnet erzeugt einen Induktionsstrom in der ersten Spule. Dieser Strom erzeugt in der anderen Spule ein sich veränderndes Magnetfeld, das den anderen Magnet in Schwingung versetzt.

Der Farbenfall (S. 165) Wie unterscheiden sich die Farbflecke? Je größer die Fallhöhe ist, desto größer ist der Fleck.

Finde eine Erklärung für deine Beobachtung! Der Tropfen wird umso schneller, je größer die Fallhöhe ist. Dadurch nimmt seine kinetische Energie zu, die beim Auftreffen frei wird. Diese verformt den Tropfen.

Das leichte Papier (S. 165) Was spürst du beim Herausziehen? Einen Widerstand Was spürst du jetzt? Keinen Widerstand Erkläre den Unterschied! Im freien Fall wirkt keine Gewichtskraft auf die obere Platte. Daher gibt es auch keine Reibung.

Oly

Fallbeschleunigung (S. 166) Was kannst du beobachten? Die Kugel fällt schneller zu Boden als die Folie.

Welche Beobachtung machst du jetzt? Beide Kugeln fallen gleich schnell.

Erkläre deine Beobachtungen! Der Luftwiderstand der Folie ist größer als der der Kugel. Auch wenn beide Massen gleich groß sind, fällt daher die Folie langsamer.

Der Fallstab (S. 166) Wie kann die Reaktionszeit aus der gemessenen Entfernung s berechnet werden?

Wie lautet die Formel zu ihrer Berechnung?

s=

g 2 •t 2

R

t=

√

2s g

172 Spannende Experimente: Lösungen

ag

Ausgetrickst (S. 167) Wie unterscheiden sich die Fallzeiten der beiden Münzen? Beide brauchen gleich lang, um den Boden zu erreichen.

Erkläre die Beobachtung! Auf beide Münzen wirkt die Erdbeschleunigung. Daher ist die Beschleunigung in Richtung Boden gleich groß.

erl

Die schiefe Ebene (S. 167) Beschreibe den Zusammenhang zwischen Steigungswinkel und gemessener Zeit! Je größer der Winkel ist, desto kürzer ist die Zeit.

Erkläre diesen Zusammenhang! Das Rohr ist eine Schiefe Ebene. Die Kugel wird beschleunigt. Je größer der Winkel ist, desto größer ist die Beschleunigung.

mp eV

Die Zentripetalkraft (S. 168) Größerer Radius: Wie verändert sich die Kraft, die du benötigst, um die Schnur festzuhalten?

Die Kraft wird größer.

Schneller kreisen: Wie verändert sich die Kraft, die du benötigst, um die Schnur festzuhalten?

Die Kraft wird größer.

Schwererer Ball: Wie verändert sich die Kraft, die du benötigst, um die Schnur festzuhalten?

Die Kraft wird größer.

Erkläre, wovon die Zentripetalkraft abhängt! Sie hängt von der Masse, der Umdrehungsgeschwindigkeit und dem Radius ab.

Oly

Die eigenwillige Kerzenflamme (S. 168) Wie verhält sich die Kerzenflamme, während du dich drehst? Die Flamme neigt sich nach innen.

Erkläre das Verhalten der Flamme! Bei der Drehbewegung tritt die Zentrifugalkraft auf. Diese ist umso größer, je größer die Masse ist. Die kalte Luft im Glas hat eine höhere Dichte als die heißen Verbrennungsgase. Daher wirkt auf sie die Fliehkraft stärker. Sie wird nach außen gedrückt und verdrängt die heißen Gase nach innen.

Oly

mp eV

erl

ag

Periodensystem der Elemente 173

174 Register

De Broglie, Louis-Victor: 52 Deuterium: 58, 79 Dia: 34 diffus: 6, 13, 15 Diode: 44, 55, 119 Dioptrie: 28, 30 Dipol: 47, 91, 120 Dipolantenne: 120 Dispersion: 38 Display: 33 Domain: 123 Donator: 118 Dosimeter: 67, 84 dotieren: 118 Download: 123, 124 Drehbewegung: 97, 105, 112, 137 Drehimpuls: 140 Drehstrom: 100 Drehstromgenerator: 106 Drehstrommotor: 100 Dynamo: 105

mp eV

absorbieren: 13, 40, 43, 46 Akkommodation: 27 Akzeptor: 118 Alpha-Strahlung: 61 Amplitudenmodulation: 48 Anker: 98, 106 Antenne: 48, 120, 143 Äquator: 139, 143 Äquivalentdosis: Asteroid: 83 Astronomie: 31 Atom: 44, 48, 57, 60, 84, 118 Atomausstieg: 77 Atombatterie: 75 Atombombe: 78, 80, 84, 90 Atomhülle: 48, 57 Atomkern, 46, 57, 59, 73, 79, 83, 89 Atomkraftwerk: 73, 77, 113 Atommasse: 58 Auflösung: 33, 51, 52 Auge: 27, 29, 30, 37, 44, 55 Augenlinse: 27, 29 Ausbreitungsgeschwindigkeit: 21, 45 Ausfallswinkel: 13, 22 Auslöser: 32, 94 Außenpolgenerator: 105 Austrian Standards Institute; 126 Autoscheinwerfer: 18

Farbe: 13, 28, 37, 45 Farbenblindheit: 35, 56 Farbfilter: 39 Farbmischung: 39 Fata Morgana: 22 Feldlinien: 91, 104 Feldstärke: 45 Feldstecher: 31 Fernlicht: 18 Fernrohr: 31, 145 Fernwärme: 113 Film: 33, 34, 43, 66, 67 Firewall: 124 Fliehkraft: 89, 138, 151 Fluchtgeschwindigkeit: 146 Flugbahn: 133, 151 Fokus: 17, 33 Fotoapparat: 32 Fotodiode: 44, 55, 119 Fotosynthese: 44 Fotovoltaik: 113 freier Fall: 133 Freistrahlturbine: 112 Frequenz: 45, 55, 105, 126, 130 Frequenzmodulation: 48 Fresnel-Linse: 24 Fukushima: 75 Funkgerät: 126

Galaxie: 144

Galilei, Galileo: 30 Gamma-Strahlung: 46, 48, 61, Edison, Thomas Alva: 111, 129 69 GAU: 76 Einfallswinkel: 13, 22 Gehirn: 27, 39, 44, 69 Einstein, Albert: 6, 73, 79 Geigerzähler: 67, 70, 83 Eisenkern: 93, 98, 107 Gelber Fleck: 28 Ekliptik: 144 Elektrisches Feld: 45, 52, 66, 120 Generator: 74, 100, 105, 111 geostationär: 143, 151 Elektromagnet: 93, 99, 105 Geschwindigkeit: 6, 21, 52, 69, Elektromagnetische Welle/Strahlung: 45, 48, 61, 65, 104, 131, 137, 143 Gewichtskraft: 131, 138 126 Glasfaser: 22, 55, 120 Elektromotor: 97, 106 Glaskörper (Auge): 27 Elektron: 44, 48, 52, 57, 61, 65, Gleichförmige Bewegung: 131, 79, 92, 103, 117 137 Elektronenleitung: 118 Gleichstrom: 99, 106, 111, 129 Elektronenmikroskop: 52 Gleichstromgenerator: 106 Elektronenstrahl: 52 Gleitsichtbrille: 30 Elektronik: 90, 117 Gravitation: 131 Element, 57, 59, 73, 79, 84, 89, Grenzfläche: 21, 27 118 Grenzwinkel: 22 Ellipse: 7, 144 Grundfarbe: 39 E-Mail: 124 Grundlast: 114 Emitter: 119 EMV: 126 Hahn, Otto: 73 Endlager: 76 Halbleiter: 44, 118, 129 Endoskopie: 55 Halbschatten: 8, 10 Episkop: 34 Halbwertszeit: 60, 68, 76, 89, 90 Erdachse: 9, 144 Handy: 33, 47, 55, 56, 107, 126 Erdanziehungskraft: 143 Handykamera: 33, 56 Hiroshima: 78, 84 Fallout: 78 Höhenstrahlung: 65, 68, 83 Farad: 117 Hohlspiegel: 17, 31, 34, 56 Farbdrucken: 40

Oly

Basis: 119 Beamer: 34 Becquerel (Einheit): 60, 83 Becquerel, Henri: 59 Beleuchtungsstärke: 5, 56 Belichtungszeit: 32 Beschleunigung: 132, 151 Beta-Strahlung: 61 Bewegung: 60, 93, 97, 103, 118, 131, 137, 143 Bezugssystem: 139, 143 Bikini: 80 Bikonvexlinse: 23 Bildebene: 28, 32 Bildfehler: 28 Bildsensor: 32, 43, 44 Biluxlampe: 18 Biomassekraftwerk: 113 Blende: 14, 27, 32, 39, 51 Blinder Fleck: 28 Bluetooth: 47, 55 Brennpunkt: 17, 23, 27, 32, 43, 51, 56, 144, 146 Brennpunktstrahl: 23 Brennweite: 17, 23, 27, 29, 32 Brille: 28, 30, 43 Browser: 123 Bürsten: 98, 105

Horizontalgeschwindigkeit: 133 Hornhaut: 27, 30 http: 123 Huygens, Christian: 30

ag

Abblendlicht: 18

CE-Kennzeichnung: 126 Chloroplasten: 44 Computerchip: 120 Computertomografie: 69 Cookies: 124 Coulomb: 117 Curie, Marie und Pierre: 89

Induktion: 103, 107, 129

Induktionsspannung: 103, 117 Induktionsstrom: 104 Infrarot: 37, 44, 46, 55, 65 Inkorporation: 84 Innenpolgenerator: 105 Internet: 22, 123, 126 Ionisierende Strahlung: 48, 65, 70, 76, 83 Ionosphäre: 48 IP-Adresse: 123 Iris: 27, 32 Isotop: 58, 59, 68, 73, 85, 89

erl

Candela: 5

REGISTER

Jahreszeit: 144

Kaliumiodidtablette: 85 Kalorisches Kraftwerk: 113 Kaplan, Viktor: 112 Kaplanturbine: 112 Karussell: 139 Katakaustik: 18 Kepler, Johannes: 31, 146 Keplersche Gesetze: 146 Kernfusion: 79 Kernladungszahl: 57 Kernreaktion: 61, 74, 77 Kernreaktor: 61, 74, 76, 90 Kernschatten: 8, 10 Kernteilchen: 57, 60 Kettenreaktion: 73, 78, 89, 90 Kollektor: 98, 119 Komet: 145, 152 Kommutator: 98, 106 Komplementärfarbe: 39 Kondensator: 113, 117, 120 Kondensor: 30, 34 Konkavlinse: 24 Konkavspiegel: 17 Kontaktlinse: 30 Konvexlinse: 23 Korioliskraft: 139, 151 Körperscanner: 47 Kosmische Geschwindigkeit: 146 Kraft-Wärme-Kopplung: 113 Kraftwerk: 73, 85, 100, 105, 108, 111, 130 Kreisel: 140 Kritischer Winkel: 22 Kuipergürtel: 145 Kurzsichtigkeit: 28 Kurzwellen: 48 Laser: 14, 40, 55, 120 Laufkraftwerk: 112 Lautsprecher: 67, 94 LED: 119, 125 Leiterschleife: 93, 97, 103

Register 175

Magnetfeld: 52, 62, 80, 90, 91,

Quantenoptik: 52 Radar: 46, 47

Radialbewegung: 137 Radioaktivität: 46, 59, 68, 83, 89 Radiokarbonmethode: 68 Radiowellen: 48 Radon: 62, 84 Raumsonde: 75, 146, 151 Rechte-Hand-Regel: 93 Reelles Bild: 17, 28, 30 Reflexion: 13, 22, 38, 48, 56 Reflexionsgesetz: 13, 22, 51 Regenbogen: 37 Reibungskraft: 138 Reihenschlussmoto: 99r Relais: 94 Retina: 28 Reuterlampe: 14, 22, 37, 39 Röntgen, Wilhelm Conrad: 66 Röntgenstrahlung: 46, 48, 52, 65, 66 Rotor: 98, 106

Oly Nagasaki: 78

NASA: 151 Natürliche Radioaktivität: 83 Nervenimpuls: 27 Netzhaut: 27, 29, 31, 38, 44, 55, 56 Neumond: 9 Neutron: 57, 59, 73, 78, 79, 89, 90 Neutronenstrahlung: 61

Objektiv: 30, 51

Trägheitskraft: 139 Trägheitssatz: 131, 137 Transformator: 107, 113, 129 Transformatorgleichung: 108 Transistor: 119 Transmutation: 89 Tritium: 58, 59, 80 Trojaner: 124 Trommelanker: 99, 106 Tschernobyl: 75, 77, 85 Turbine: 74, 112

ag

Parabel: 18, 133 Parabolspiegel: 18 Parallelstrahl: 23 Passwort: 124 Peltonturbine: 112 Pentaprisma: 33 Permanentmagnet: 94, 97, 105 PET-Scan: 69 Photoelektrischer Effekt: 44 Photon: 52 Phototrop: 43 Pirouette: 140 Planet: 145, 151 Plankonkavlinse: 24 Plankonvexlinse: 23 Präzession: 140 Primärfarbe: 39 Primärspule: 107 Prisma: 22, 31, 37 Projektor: 34 Protium: 58 Proton: 57, 59, 79 Provider: 123 Pupille: 27, 31

Satellitenschüssel: 143 Schärfentiefe: 32 Schatten: 7, 13 Scheinkraft: 139 Scheitel: 17 Schiefe Ebene: 134 Schleifkontakt: 98, 105 Schwingkreis: 120 Schwingung: 45, 94, 106, 120 Sehnerv: 28 Sehweite: 27, 29 Sehwinkel: 29, Seibersdorf: 77 Sekundärfarbe: 39 Sekundärspule: 107 Selbstinduktion: 117 Server: 123 Sievert (Einheit): 83 Sievert, Rolf Maximilian: 83 Sonne: 5, 8, 13, 37, 43, 46, 65, 79, 112, 144 Sonnenbrand: 43, 65 Sonnenfinsternis: 10 Sonnenkraftwerk: 113 Sonnenlicht: 5, 13, 43, 56 Sonnensystem: 75, 89, 145 Sonnenuhr: 8 Spaltblende: 14 Speicherkraftwerk: 112 Spektralfarbe: 39 Spektrum: 37, 45 Sperrschicht: 119 Sphärische Aberration: 51 Spiegel: 14, 16, 22, 31, 56, 113 Spiegelbild: 16, 22 Spiegelreflexkamera: 32 Spiegelteleskop: 31 Spitzenlast: 114 Spule: 52, 93, 97, 104, 107, 117, 129 Stäbchen: 28 Stator: 98 Staubteilchen: 15 Strahlenschutz: 85 Strahlung: 37, 45, 52, 59, 65, 74, 83, 126 Strahlungsenergie: 6, 83 Streuung: 13, 56 Stromnetz: 105, 107, 111, 114 Stromrichtung: 93, 97, 106 Stromverbrauch: 107, 114 Sucherkamera: 32 Super-GAU: 76 Swing-by-Manöver: 151

mp eV

97, 103, 107, 117, 126, 129, 130 Magnetische Linse: 52 Magnetisches Feld: 45, 91, 107 Magnetismus: 91 Magnetschwebebahn: 130 Magnetsicherung: 105 Makroobjektiv: 32 Massenspektrometer: 62 Massenzahl: 57 Medium: 21, 45 Meitner, Lise: 73 Memorykarte: 33 Meteor: 145, 152 Meteorit: 68, 145, 152 Mikroelektronik: 117 Mikrofon: 106 Mikroskop: 30, 51 Mikrospiegelarray: 34 Mikrowellen: 46, 47 Milchstraße: 144 Millimeterwellen: 47 Mittelpunktstrahl: 23 Mobilfunk: 47 Mond: 6, 9, 144 Mondbahn: 10 Mondfinsternis: 10 Mondphasen: 9 Mondsichel: 9 Mutation: 70

Oersted, Hans Christian: 92 Ökostrom: 114 Okular: 30, 51 ÖNORM: 126 Optik: 5 Optische Achse: 17, 23, 51 Optische Bank: 14 Optische Scheibe: 14 Optischer Schirm: 7, 14 Ordnungszahl: 57, 59, 67, 90

Ultraviolett: 37, 46

Umlauf: 9, 144 Umlaufbahn: 9, 143, 151 Umspannwerk: 108, 114 Unbunte Farbe: 40 Universalmotor: 99 URL: 123 User: 123 UV-Strahlung: 37, 43, 46, 65

erl

Leitfähigkeit: 44, 57, 118 Leuchtstoffröhre: 5 Lichtbrechung: 21, 27 Lichtfarbe: 39 Lichtgeschwindigkeit: 6, 21, 45, 52 Lichtjahr: 6 Lichtmenge: 6, 27 Lichtquelle: 5, 7, 14, 15, 24, 34, 55 Lichtschranke: 44 Lichtsensor: 44, 119 Lichtstärke: 5 Lichtstrahl: 5, 7, 13, 15, 21, 27, 30, 37, 43, 51, 55, 119 Linse: 14, 23, 27, 29, 43, 52 Löcherleitung: 118 Lot: 13, 21 Lupe: 29, 43, 51 Lux: 5

Sammellinse: 23, 27, 29 Sammelspiegel: 17 Satellit: 143, 151 Satellitenbahn: 143

Tag und Nacht: 9 Tangentialbewegung: 137 Teilchen: 13, 45, 51, 56, 57, 65, 74, 92, 119 Teleobjektiv: 32 Terahertzstrahlung: 46, 47 Tesla, Nikola: 129 Totalreflexion: 22, 31 Trägheit: 62, 131, 137

Vakuum: 21, 45 Vergrößerung: 29, 43, 51 Verschluss: 32 Vertikalgeschwindigkeit: 133 Viren: 124 Virtuelles Bild: 16, 29 Vollmond: 9

Wärmebildkamera: 44 Wassermolekül: 47 Wasserstoff: 47, 57, 59, 74, 79, 89 Wasserstoffbombe: 80 Wechselstrom: 45, 99, 103, 107, 111, 117, 126, 129, 130 Weg-Zeit-Diagramm: 131 Weitsichtigkeit: 28, 30 Wellenlänge: 37, 43, 45, 51, 65 Welle-Teilchen-Dualismus: 52 Weltall: 9, 143 Westinghouse, George: 129 Widerstand: 44, 67, 117, 118, 129, 130, 133 Wiederaufbereitungsanlage: 76 Windkraftwerk: 113 Wirbelstrombremse: 130 WLAN: 47, 126 World Wide Web: 123 Zapfen: 28, 56 Zeilinger, Anton: 52 Zentrifugalkraft: 138, 143 Zentripetalkraft: 137 Zerfall: 46, 59, 65, 68, 73, 83, 113 Zerfallsreihe: 62 Zerstreuungslinse: 24, 28 Zerstreuungspunkt: 24 Zerstreuungsspiegel: 18 Ziliarmuskel: 27, 29 Zivilschutz: 85 Zoom-Objektiv: 32 Zwentendorf: 77

176 Bildquellen BILDQUELLEN:

Austrian Standards Institute: 126/4 BMLFUW: 85/2 Christian Monyk: 7/3, 14/1, 14/2, 14/3, 14/4, 14/5, 17, 18/1, 23, 24/1, 24/2, 85/1, 98/2, 98/3, 98/4, 126/5, 149/1, 149/2, 149/3, 150/1, 156, 157/2, 158/1, 158/2, 158/3, 159/1, 159/2, 159/3, 160, 163 ferrari.com: 132/2 fotolia.de: Alexander Kaludov: 35, Artenauta: 9/2, dalaprod: 47/1, dvande: 93/4, florisvis: 85/3, IbotDesign: 80/1, juefraphoto: 65, Lassedesignen: 44/4, michello81: 47/3, Photobank kiev: 8/2, saidin jusoh: 43/2, Sergey Nivens: 16/2, Sophia Winters: 74/1, thingamajiggs: 112/1 GEOFF TOMPKINSON picturedesk.com: 62

/

Science

Photo

Library

/

Istockphoto.com: adventtr: 79/1, almir1968: 7/2, dlewis33: 86/1 Jacqueline Godany: 52/3 Jupiterimages: 33/2, 115/1, 141/2 KYODO NEWS / Action Press / picturedesk.com: 76/3, 76/4 NASA: 9/1, 10/3, 75/3, 89/3, 139/3, 143/2, 144/4, 147, 148/1, 148/2, 148/3, 148/4, 148/5, 148/6, 148/7, 148/8, 151/2, 151/3

NASA/JHUAPL: 145/2

VERBUND: 114/1, 114/4, 114/5

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mp eV

NASA / Robert D. Loss: 90

ag

apple.com: 33/5

Nordeng: 55/4, boggy22: 8/4, ChrisPole: 55/6, Claudia Närdemann: 136/1, cynoclub: 129/5, D3Damon: 12/1, delta_art: 102, DenKuvaiev: 136/2, Digital Vision: 87/5, 138/6, digitalgenetics: 64, Dorling Kindersley: 3/2, 63, 92, 93/1, 104, 131/2, 139/2, 140/1, 141/1, Drazen Vukelic: 133/2, Ellerslie77: 89/2, Emiekayama: 56/2, Ewa Rejmer: 133/1, fotomy: 138/3, Frans Rombou: 140/2, Fuse: 122/3, Givaga: 122/2, glück: 71/3, grafico2013: 124/6, Han v. Vonno: 150/2, Haruki_Nakatani: 151/1, Hemera Technologies: 12/4, iStock: 95/6, 101/3, janniwet: 143/4, JazzIRT: 101/7, jgcoutts: 135/4, Joris van den Heuvel: 94/2, 95/1, Jupiterimages: 135/1, kadmy: 55/3, Kirill Zdorov: 95/5, kokoroyuki: 56/3, koya79: 12/3, leonello: 72/1, lilkar: 3/1, lukaves: 144/2, Maksym Bondarchuk: 101/5, Mega_Pixel: 12/2, minemero: 87/3, mitakag: 122/1, Monkey Business Images: 87/6, moodboard: 135/3, nmlfd: 143/1, Oleksiy Mark: 130/4, Peter Martin: 42, Photick/Frederic Cirou: 138/1, Photodisc: 4/2, Picturethisllc32536: 112/3, pinkcoala: 93/3, pioneer111: 71/5, Purestock: 135/2, Quality-illustrations: 72/2, Razvan: 138/2, rgbdigital: 101/2, roberthyrons: 95/3, Ruslan otlyarevs'kyy: 144/3, Ryan McVay: 82/6, 101/8, 122/4, saiko3p: 22/8, Samohin: 122/6, scanrail: 3/3, 101/6, SeaTemple: 136/3, Selahattin BAYRAM: 146/1, Steve Gorton: 71/1, Stockbyte: 95/2, 95/4, suksao999: 53, supergenijalac: 138/4, suryazaidan: 145/1, talevr: 101/1, tatniz: 101/4, TobyPhotos: 87/4, Todd Warnock: 139/1, TongRo Images: 56/4, totallyPic.com: 127, tsz01: 133/3, tupungato: 130/3, VectorWerk: 132/1, viledevil: 37/3, VvoeVale: 122/7, Wavebreakmedia Ltd: 11/12, 87/2, 136/4, wildpixel: 12/5, XiXinXing: 134, Zoonar/J.Wachala: 131/1

erl

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Naturhistorisches Museum: 152/1

Oly

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