Physik Mašin | Grois | Glaeser verstehen 4 PHYSIK verstehen
Physik verstehen 4, Schulbuch + E-Book Schulbuchnummer: 225329 Physik verstehen 4, Schulbuch E-Book Solo Schulbuchnummer: 225331 Mit Bescheid des Bundesministeriums für Bildung vom 17. Februar 2026, GZ 2024- 0.741.940, gemäß § 14 Abs. 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBl. Nr. 472/86, und gemäß den derzeit geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch für die 4. Klasse an Mittelschulen im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2023) und für die 4. Klasse an allgemein bildenden höheren Schulen – Unterstufe im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2023) geeignet erklärt. Dieses Werk wurde auf der Grundlage eines zielorientierten Lehrplans verfasst. Konkretisierung, Gewichtung und Umsetzung der Inhalte erfolgen durch die Lehrerinnen und Lehrer. Liebe Schülerin, lieber Schüler, du bekommst dieses Schulbuch von der Republik Österreich für deine Ausbildung. Bücher helfen nicht nur beim Lernen, sondern sind auch Freunde fürs Leben. Kopierverbot Wir weisen darauf hin, dass das Kopieren zum Schulgebrauch aus diesem Buch verboten ist – § 42 Abs. 6 Urheberrechtsgesetz: „Die Befugnis zur Vervielfältigung zum eigenen Schulgebrauch gilt nicht für Werke, die ihrer Beschaffenheit und Bezeichnung nach zum Schul- oder Unterrichtsgebrauch bestimmt sind.“ Das Schulbuch verwendet Ideen für Unterrichtskonzeptionen (Text und Abbildungen) aus diesen Quellen: Th. Wilhelm, H. Schecker & M. Hopf (Hrsg., 2021). Unterrichtskonzeptionen für den Physikunterricht. Heidelberg: Springer Spektrum; Thomas Plotz. Strahlung. Plus Lucis 2/2019; Sarah Zloklikovits, 3/2022. Elektromagnetische Strahlung in der Sekundarstufe I unterrichten, Handreichung für Lehrpersonen. Universtät Wien; Gerhard Rath, Thomas Schubatzky (Hrsg., 2021). Klimawandel – Fakten und Mythen. Plus Lucis 3/2021; Ilse Bartosch, Anja Lembens (Hrsg., 2020). Umweltbildung für nachhaltige Entwicklung. Plus Lucis 3/2020; Martin Hopf, Radioaktivität. Plus Lucis 4/2022 Umschlagbild: Dmitry Naumov / Getty Images - iStockphoto Illustrationen: Claudia Blazejak für PER Medien und Marketing, Braunschweig: S. 15.1; Matthias Pflügner, Berlin: S. 6.4 Technische Zeichnungen: Arnold & Domnick, Leipzig: S. 7.1b; S. 7.3; S. 8.1; S. 10.3; S. 11.2; S. 11.5a; S. 11.6; S. 12.text; S. 13.2; S. 14.text; S. 18.3; S. 18.4; S. 20.3; S. 20.text; S. 21.5; S. 22.3; S. 23.2; S. 23.3; S. 24.2; S. 24.3; S. 24.4; S. 25.3; S. 26.A1; S. 28.2; S. 30.3; S. 30.6; S. 31.3; S. 31.5; S. 31.6; S. 32.3b; S. 33.2; S. 35.V2; S. 36.A2b; S. 36.A3; S. 36.A4; S. 37.V2; S. 38.2; S. 39.4; S. 41.6; S. 42.1; S. 42.5; S. 44.A3; S. 45.A4a; S. 45.A4b; S. 45.A5; S. 46.2; S. 46.3; S. 47.1; S. 47.2; S. 48.3; S. 49.4; S. 52.A1; S. 52.A3; S. 53.V1a; S. 53.V1b; S. 54.A2; S. 56.5; S. 56.A1; S. 57.6; S. 58.2; S. 58.5; S. 59.2; S. 59.3; S. 59.4; S. 60.2; S. 61.5; S. 61.7; S. 63.A5; S. 63.V2a; S. 64.3; S. 65.2; S. 65.3; S. 66.2; S. 66.3; S. 66.4; S. 66.5; S. 67.3; S. 68.2; S. 68.5; S. 68.6; S. 69.1; S. 69.2; S. 69.3; S. 70.2; S. 71.1; S. 71.2; S. 72.5; S. 73.1; S. 76.3; S. 76.4; S. 77.2; S. 77.3; S. 78.V1; S. 80.1; S. 80.5; S. 80.6; S. 81.2; S. 81.3; S. 81.4; S. 82.5; S. 83.1; S. 84.1; S. 84.4; S. 85.1; S. 85.2; S. 85.4; S. 85.5; S. 86.1; S. 86.2; S. 86.3; S. 88.2; S. 88.3; S. 89.1; S. 89.3; S. 90.2; S. 90.A1; Arnold & Domnick unter Verwendung von Freepik S. 91.2; S. 92.3; S. 92.6; S. 93.4; S. 96.1; S. 96.4; S.98.1 1. Auflage (Druck 0001) © Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2026 www.oebv.at Alle Rechte vorbehalten. Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, gesetzlich verboten. Redaktion: Marion Heszle, Wien; Amanda Kostroun, Wien Herstellung: Harald Waiss, Wien Umschlaggestaltung: Power-Design Thing GmbH, Berlin Layout: Power-Design Thing GmbH, Berlin Satz: Arnold & Domnick, Leipzig Druck: Ferdinand Berger & Söhne Ges.m.b.H., Horn ISBN 978-3-209-12321-3 (Physik verstehen 4, Schulbuch + E-Book) ISBN 978-3-209-12872-0 (Physik verstehen 4, Schulbuch E-Book Solo) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Physik verstehen 4 Christian Mašin Gerald Grois Pia Glaeser www.oebv.at Hol dir die Quiz-App zum Schulbuch im App-Store (iOS) oder Google Play-Store (Android)! Wähle in der App dein Buch aus, gib den Gratis-Code phv4 ein und los geht’s! www.esquirrel.at Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
2 Die Welt, in der wir uns bewegen 1! Wie arbeite ich mit diesem Buch? Liebe Schülerin, lieber Schüler! Die großen Themen dieses Jahres sind elektromagnetische Strahlung, Wärme, Wetter und Klima und Radioaktivität. Hast du gewusst, dass Wasser in der Natur in drei Formen vorkommen kann? Vielleicht hast du auch schon einmal gehört, dass Wind durch die ungleiche Erwärmung der Erdoberfläche ensteht? Oder dass Menschen einen CO2-Fußabdruck haben? Wahrscheinlich ist dir gar nicht bewusst, dass wir unsichtbare Strahlungsarten verwenden, um Informationen zu übertragen. Und wusstest du, dass uns Radioaktivität überall im Alltag und in der Natur begegnet? Auf dieser Doppelseite zeigen wir dir, wie das Schulbuch aufgebaut ist. Dein Schulbuch hat fünf große Kapitel (zB „Wärme in unserer Welt“). Jede Doppelseite behandelt ein Thema (zB „Energieübertragung durch Wärmeströmung“). 38 39 Wärme in unserer Welt 3 Energieübertragung durch Wärmeströmung Wie entsteht Wärmeströmung? Im Urlaub schlafen Helena und ihr Bruder Max in einem Stockbett. Sie machen das Fenster auf, um zu lüften. „Ich mach wieder zu! Ich hab schon kalte Füße!“, meint Max. Helena findet das seltsam. Draußen weht kein Wind. Sie liegt auf dem oberen Bett und merkt nichts. Die Luft beim Lüften (Abb. 38.1) Stelle mit einer Kerzenflamme fest, ob und in welche Richtung ein Luftzug entsteht, wenn du ein Fenster oder eine Tür öffnest. Probiere, ob das bei allen Bereichen des Fensters oder der Tür gleich ist. Miss die Temperatur im Raum und vor der Tür oder dem Fenster. Erkennst du einen Zusammenhang? Beschreibe deine Beobachtung. Beim richtigen Lüften (Querlüften) soll für etwa 5 Minuten ein Durchzug durch das Zimmer möglich sein. Wie macht ihr das? Welche Vorteile hat regelmäßiges Lüften? Überlegt gemeinsam in Gruppen. Luft mit höherer Temperatur (zB Raumtemperatur bei 22 °C) ist ausgedehnter, da sich ihre Teilchen stärker bewegen (Abb. 38.2). Sie hat daher eine geringere Dichte als Luft mit niedrigerer Temperatur (zB Außentemperatur von 15 °C). Die tanzende Schlange (Abb. 38.3) Schneide aus Seidenpapier eine Papierschlange aus. Befestige am oberen Ende einen dünnen Faden. Halte die Papierschlange damit etwa 30 cm über eine Kerzenflamme (Achtung, Verbrennungsgefahr). Notiere deine Beobachtungen in einem Versuchsprotokoll. Erwärmte Luftmassen steigen aufgrund ihrer geringen Dichte in einer Umgebung mit niedriger Lufttemperatur auf. Dasselbe kannst du auch bei Wasser beobachten: „Leichtes“ und „schweres“ Wasser (Abb. 38.4) Plant einen Versuch in der Gruppe, der zeigt, dass warmes Wasser nach oben strömt. Das Bild 38.4 soll euch bei euren Überlegungen helfen. Führt euren Versuch durch und besprecht eure Ergebnisse in der Gruppe. Verfasst ein Versuchsprotokoll. Analysiert eure Ergebnisse. Stellt den Versuch euren Mitschülerinnen und Mitschülern vor. V1 38.1 Die Luft beim Lüften – der Luftzug beim Öffnen einer Wohnungstür A1 A2 38.2 Je höher die Temperatur der Luft ist, desto geringer wird ihre Dichte (Darstellung im Teilchenmodell). niedrige Temperatur hohe Temperatur hohe Dichte niedrige Dichte Infobox: Die Dichte gibt an, wie viel Masse zB 1 cm3 eines Stoffes hat. V2 38.3 Die tanzende Schlange V3 A3 So entsteht Wärmeströmung in Gasen und Flüssigkeiten: Gase und Flüssigkeiten dehnen sich beim Erwärmen aus und haben eine geringere Dichte. Sie strömen in einer Umgebung mit niedrigerer Temperatur von selbst nach oben. Dabei transportieren sie Wärme . M 38.4 „Leichtes“ und „schweres“ Wasser 38.5 Beim offenen Kühlschrank fällt kalte Luft zu Boden. 38.6 Heißluftballons nützen die geringe Dichte von heißen Gasen. Welche Bedeutung hat die Wärmeströmung? Wasser und Luft sind schlechte Wärmeleiter. Die schnelle Übertragung von Wärme an das Wasser (zB beim Kochen) und die Luft (zB beim Heizen) ist nur durch Wärmeströmung möglich. Es strömt im Rohr (Abb. 39.1) Fülle ein Rechtecksrohr (Schulsammlung) mit kaltem Wasser. Gib ein wenig Lebensmittelfarbe (Pulver) in die Öffnung. Erwärme das Rohr an der linken unteren Biegung leicht mit der Flamme eines Gasbrenners (Achtung, Verbrennungsgefahr). Beobachte die Strömung im Rohr. Erkläre, weshalb das Wasser im Bild 39.1 nur im Uhrzeigersinn (schwarze Pfeile) und nicht in die Gegenrichtung strömen kann. Auch beim Erwärmen von Wasser in einem Topf am Herd steigt die Temperatur des Wassers durch Wärmeströmung schnell an. Im Wärmebild Abb. 39.2 kannst du die Temperaturunterschiede im Wasser erkennen: In der Mitte hat es eine höhere Temperatur als am Rand des Topfes. Durch diese Unterschiede kommt es zu einer Strömung, die das Wasser durchmischt. Beim Heizen von Zimmern wird die Luft um und im Heizkörper erwärmt. Sie strömt nach oben (Abb. 39.3). Heizkörper befinden sich meist unter Fenstern, denn dort ist die Luft kühler. Die aufgewärmte Luft kann in der kühleren Umgebung besser aufsteigen und sich im Zimmer verteilen. Wie funktioniert ein Kamin? Bei einem Kamin steigen heiße Abgase einer Feuerstelle durch ein Rohr nach oben auf und gelangen ins Freie. Dadurch kann Frischluft von unten zur Feuerstelle nachströmen. (Abb. 39.4). Das Feuer brennt besser. Bei einem langen Kaminrohr (Schornstein) ist die Strömung der Abgase stärker (Abb. 39.5). Der Kamin „zieht besser“. Ein Kerzen-Kamin (Abb. 39.6) Schneide den Boden einer PET-Flasche (mindestens 0,5 Liter) ab. Die Flasche soll danach gerade stehen. Schneide am unteren Flaschenrand ein paar Öffnungen aus. Stellst du die Flasche über ein Teelicht, so kann durch diese Öffnungen Frischluft in die Flasche dringen. Stelle mit dem Rauch eines Räucherstäbchens oder Räucherkegels den Weg der Strömung durch die Flasche fest. Wohin musst du das Stäbchen oder den Kegel (mit Zange) halten? V4 39.1 Es strömt im Rohr Rechtecksrohr Öffnung Gasbrenner A4 39.2 Wasser wird in einem Topf erwärmt (Wärmebild von oben). Die Wärmeströmung ermöglicht das schnellere Erhitzen von Wasser oder die schnellere Erwärmung von Luft. M Infobox: Mehr über die Funktion einer Zentralheizung erfährst du auf Seite 42. 39.3 Heizkörper wärmen die kalte Luft auf und verteilen sie durch Wärmeströmung. warme Luft kühle Luft V5 A5 39.4 Bei einem Kamin steigen heiße Abgase nach oben auf. Kühle Frischluft strömt nach. Kamin heiße Abgase steigen nach oben kühle Frischluft strömt nach Feuerstelle 39.5 Ein Wärmekraftwerk hat besonders lange Schornsteine. Schornstein 39.6 Ein Kerzen-Kamin Arbeitsheftseiten 12–13 Zusatzmaterial vb5de5 Film vb67jh Film vb6e6a Christian Mašin, Gerald Grois, Pia Glaeser Erklärungen zu den Ergebnissen der Versuche und weitere Inhalte stehen im Text. Infoboxen liefern zusätzliche Informationen oder wiederholen wichtige Begriffe. Jedes Thema ist durch Fragen gegliedert. Physikerinnen und Physiker stellen Fragen an die Natur und versuchen, sie durch Versuche und logisches Denken zu beantworten. Versuche helfen beim Beantworten der Fragen an die Natur. Die Versuche sind oft einfach durchzuführen, ob im Unterricht oder zu Hause. Physik ohne Versuche funktioniert nicht! Versuche für Lehrerinnen und Lehrer sind mit LV gekennzeichnet. Arbeitsaufgaben fordern dich auf, über zB deine Versuche nachzudenken, sie festzuhalten, auszuwerten oder zu deuten. Manchmal ist es notwendig, Informationen zu suchen, die nicht in deinem Schulbuch stehen. Hier findest du Verweise auf das Arbeitsheft oder auf digitales Zusatzmaterial. Merktexte fassen die Informationen kurz zusammen. So weißt du, was wichtig ist. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
3 44 45 Wärme in unserer Welt Das kann ich! 3 A1 Angenehm kühl oder wohltuend warm! - Kühlung und Wärmeschutz in Zeiten der Klimaveränderung! Material: 2 gleiche leere und gereinigte kleine Kunststoff-Flaschen mit Verschluss, schwarze und weiße Akryl-Farbe, 2 Pinsel, Styroporstücke, Wasser (Raumtemperatur), Thermometer. Verwende als Wärmesender eine Wärmelampe oder einen sonnigen Platz. Vorbereitung: Male eine Flasche außen weiß, die andere schwarz an. Wie kannst du mit diesem Material zeigen, dass es in Zeiten der Klimaveränderung sehr wichtig ist, wie wir Gebäude gestalten und dämmen, um Wohnraumtemperaturen zu bekommen, bei denen wir uns wohlfühlen? Plant in einer Kleingruppe eine Versuchsreihe, führt sie durch und präsentiert eure Ergebnisse. A2 Wie kannst du eine Eisbox vom Eisgeschäft nach Hause bringen, ohne dass es an einem heißen Tag zu schmelzen beginnt? Vergleiche die Aussagen. Welche Aussagen nutzen naturwissenschaftliche Erkenntnisse? Was würdest du tun? Besprich mit deiner Sitznachbarin oder deinem Sitznachbarn. Ole: Ich wickle die Box erst in viel Zeitungspapier und gebe dann noch Alufolie herum. Richi: Ich habe eine Kühlbox mit Eiswürfeln drinnen. Die halten das Eis kalt. Neha: Ich fahre mit dem Rad schnell heim. Der Fahrtwind kühlt das Eis. Mona: Ich umwickle die Box mit schwarzem Papier. Das strahlt die Wärme ab. Leitung – Strömung – Strahlung Material: Kerze, Zündhölzer (Achtung, Verbrennungsgefahr) Entwickle drei Versuche und verfasse dazu eine Kurzanleitung: a) Zeige, dass Holz ein schlechter Wärmeleiter ist. b) Zeige, dass heiße Gase nach oben strömen. c) Zeige, dass eine Flamme Strahlungsenergie auch zur Seite abgibt. A3 Auf der Internetseite eines Installateurbetriebs findest du folgende Aussage: „Fenster sind die kältesten Stellen im Haus. Die Glasscheiben strahlen kalte Außenluft in den Raum ab. Da Wärme immer nach oben steigt, werden Heizkörper unter die Fenster gesetzt. Die aufsteigende Wärme bremst die kalte Luftstrahlung ab und erwärmt sie.“ a) Weshalb ist diese Beschreibung nicht naturwissenschaftlich? Stelle diesen Absatz für die Internetseite des Betriebs richtig. Achte auf die Wortwahl. b) Zeichne in das nebenstehende Bild die Luftströmungen ein. Zeichne warme Luft mit roten Pfeilen ein und kühle Luft mit blauen Pfeilen. V1 A4 Die Zimmer werden gelüftet. Zeichne die Luftströmungen (warm … rote Pfeile, kühl … blaue Pfeile) ein. A5 Die Zentralheizung eines Hauses a) Zeichne die Strömungen mit hoher Temperatur mit roten Pfeilen, die Strömungen mit niedriger Temperatur mit blauen Pfeilen ein. b) Fülle die Lücken mit den passenden Begriffen: Heizkörper, kühlere, Feuerstelle, Raumluft, Rohre, Wärme, Wärmetauscher. Die wandelt die chemische Energie eines Brennstoffs in thermische Energie um. Die wird auf Wasser in einem Rohr übertragen. Dieses heiße Wasser erwärmt Wasser in einem . Durch gelangt das warme Wasser in die . Diese geben die Wärme an die ab. Das Wasser strömt zum Wärmetauscher zurück. Die Eisflächen schmelzen! Materialien: 1 großes Einmachglas, 2 kleine Gläser mit je einem Eiswürfel, schwarzes Naturpapier, weißes Zeichenpapier, Schere, Klebeband, Küchentablett. Verwende als Wärmesender eine Wärmelampe oder einen sonnigen Platz. Zeige mit einem Versuch, ob sich das Schmelzverhalten eines Eiswürfels durch unterschiedliche Oberflächen auf den kleinen Gläsern oder durch Überstülpen des großen Glases verändert. Beachte dabei, dass du bei einer Veränderung der Versuchsbedingungen nur eine Variable änderst. Erkläre mit deinem Versuch den fortschreitenden Rückgang der Gletscher in den Alpen und der großen Eisflächen Grönlands sowie der Polkappen unserer Erde. A6 Infrarotstrahlung – richtig oder falsch? Kreuze an. Infrarotstrahlung breitet sich nur in Luft aus. richtig falsch Die Sonne kann Wärme auf die Erde nur durch Strahlung übertragen. richtig falsch Helle Kleidung kann Infrarotstrahlung besser aufnehmen als dunkle. richtig falsch Thermosflaschen bestehen aus einem reflektierenden Material, damit die Abgabe oder Aufnahme von Wärme durch Strahlung verringert wird. richtig falsch Raumluft 21 °C Luft von draußen 15 °C Raumluft 21 °C Luft von draußen 35 °C Schornstein Heizkörper Pumpe Wärmetauscher Feuerstelle V2 Alle Aufgaben in diesem Buch sind mit einem dreieckigen Zeichen markiert. Damit weißt du auf einen Blick, um welche Aufgabenart es sich handelt. Wenn du die Aufgaben löst, kannst du selbst überprüfen, was du gut beherrschst und wobei du dir noch schwertust. Aufgaben mit diesem Zeichen helfen dir, dein Fachwissen anzuwenden, zu erweitern und zu kommunizieren. Bei diesen Aufgaben sollst du Vermutungen aufstellen und Versuche planen, durchführen, festhalten und auswerten. Diese Aufgaben fordern dich auf, dir eine eigene fachlich begründete Meinung zu bilden, neue Informationen kritisch zu bewerten und verantwortungsbewusste Entscheidungen zu treffen. Am Ende eines Abschnittes findest du eine Doppelseite „Das kann ich!“ Diese Seiten helfen dir, den Lernstoff zu wiederholen und zu üben. Du kannst auch Neues zu den einzelnen Inhalten erforschen und entdecken. 34 35 Wärme in unserer Welt 3 Wärmedämmung Es gibt verschiedene Maßnahmen, die dafür sorgen, dass weniger Wärme übertragen wird. Das bezeichnen wir als Wärmedämmung. Mit Luft gefüllte Hohlräume (Luftpolster) und andere schlechte Wärmeleiter verringern die Weitergabe der Wärme durch Teilchenstöße. Wie hält der Mensch seine Körpertemperatur? Der Mensch hat kein schützendes Fell und keine Federn. Deshalb halten wir uns an kalten Tagen gerne in beheizten Innenräumen auf oder tragen warme Kleidung. Um die Luftpolster zu vergrößern, tragen wir im Winter dicke Pullover, gut gepolsterte Jacken oder mehrere Kleidungsstücke übereinander (Abb. 34.3). So wird die Körperwärme schlecht nach außen weitergeleitet. Winterschuhe haben dicke Sohlen aus wärmedämmenden Kunststoffen (Abb. 34.4). Durch wasserabweisende Sprays schützen wir unsere Schuhe vor dem Nasswerden. Diese Tricks zur Vermeidung von Auskühlung haben wir uns von der Natur abgeschaut. 34.3 Luftpolster in der Kleidung schützen vor Wärmeabgabe. 34.4 Winterschuhe haben Luftpolster und dicke Sohlen. Wie werden Hausmauern wärmegedämmt? Bei Gebäuden soll die Wärme an kalten Tagen nicht nach außen abgegeben werden. An heißen Tagen soll die Raumtemperatur nicht zu stark steigen. Wände enthalten daher viele wärmedämmende Luftpolster und sind oft aus mehreren Schichten aufgebaut (Abb. 35.3): • Mauersteine aus Hohlblockziegeln (Abb. 35.1) oder Porenbetonsteinen (LV1) enthalten luftgefüllte Hohlräume. Holz als Wandmaterial ist ebenfalls ein schlechter Wärmeleiter. • Als Außendämmung werden oft aufgeklebte Dämmplatten aus Schaumstoff verwendet (Abb. 35.2). Sie bestehen aus über 90 % eingeschlossener Luft. Der Außenputz schützt sie vor Beschädigung. • Unbrennbare Faserplatten (zB aus Glasfäden) werden aus Brandschutzgründen zur Wärmedämmung von Dächern verwendet. Faserplatten aus Naturstoffen (zB Kokosfasern, Flachs) werden in Wänden verbaut. • Spalten werden mit Kunststoffschaum abgedichtet (Abb. 35.5). 35.1 Hohlblockziegel mit luftgefüllten Hohlräumen 35.2 Die Hauswände werden mit Dämmplatten aus Schaumstoff wärmegedämmt. Wie funktioniert die Wärmedämmung bei Fenstern? Fenster sollen Räume mit Tageslicht und Sonnenwärme versorgen. Dadurch müssen wir weniger Energie für künstliche Beleuchtung und Beheizung aufwenden. Fenster sind die dünnsten Stellen der Außenwand eines Hauses. Deshalb werden sie nicht nur mit Luftpolstern wärmegedämmt (Abb. 35.4): • Fenster bestehen meist aus zwei, drei oder vier Glasscheiben. Ihre Zwischenräume sind mit den Edelgasen Argon oder Xenon gefüllt. Diese leiten die Wärme schlechter als Luft. • Bei Vakuumgläsern befindet sich luftleerer Raum (Vakuum) zwischen den Glasscheiben. • Die Fensterrahmen enthalten Luftkammern. Sie werden aus Kunststoff, aber auch aus Holz gefertigt. Dichtungen schützen vor eindringender Luft. Spalten zwischen Fenstern und Wänden werden mit Kunststoffschaum abgedichtet (Abb. 35.5). 35.4 Aufbau eines Fensters mit mehreren Glasscheiben Edelgasfüllung (Argon, Xenon) Luftpolster Stahlverstärkung Kunststoffrahmen 35.5 Spalten werden mit Kunststoffschaum abgedichtet. Die Zweifachverglasung Fülle zwei Bechergläser mit gleich viel heißem Wasser. Lege auf ein Becherglas eine Glasplatte mit einem Stück Schokolade. Auf das zweite Becherglas legst du zwei Glasplatten mit Abstandhaltern aus zB Schaumstoff. Wie schnell schmilzt jeweils die Schokolade? Erkläre das unterschiedliche Schmelzverhalten. Teste zum Vergleich ein Modell einer Dreifachverglasung aus. V2 A4 Schutz durch Kleidung Fülle heißes Leitungswasser in drei 250 ml-Bechergläser. Stülpe verschiedene Handschuhe, Hauben … über zwei Bechergläser. Das dritte Glas dient als Vergleich. Miss und vergleiche die Wassertemperatur nach 5, 10 und 15 Minuten. Erstelle eine Tabelle. Welches Kleidungsstück schützt besser vor Auskühlung? Wie spürst du die wärmedämmende Wirkung der Kleidungsstücke beim Berühren? V1 A2 Physik im Alltag Arbeitsheftseiten 10–11 Wie halten Tiere ihre Körpertemperatur? Viele Tiere regeln ihre Körpertemperatur durch Haare und Federn. Diese schließen Luftpolster ein. Die Luft ist ein schlechter Wärmeleiter. Sie gibt die Wärme nur langsam ab und schützt so vor Auskühlung. Vögel stellen ihre Federn auf, wenn ihnen kalt ist – sie „plustern sich auf“. Dadurch werden die Luftpolster vergrößert. Säugetiere vergrößern die Luftpolster durch ein dichtes Winterfell. Besonders gute Wärmedämmung bietet das dichte Fell des Eisbären (Abb. 34.1). Es erzeugt viele Luftpolster, die der Eisbär sogar im Wasser behält. Einige Haare sind hohl und enthalten dadurch zusätzliche Luftpolster. Den größten Schutz erreicht der Eisbär aber durch eine bis zu 10 cm dicke Fettschicht. Denn Fett ist ein sehr schlechter Wärmeleiter ( Tabelle, Seite 94). Außerdem ist es wasserabweisend. Das nutzen auch Wasservögel (Abb. 34.2): Sie schützen sich mit einer Fettschicht auf den Federn vor dem eindringenden Wasser. 34.1 Der Eisbär hat ein dichtes Fell mit vielen Luftpolstern und eine dicke Fettschicht. 34.2 Enten schützen ihre Luftpolster durch eingefettete Federn. Keine kalten Beine? Weshalb können Vögel im Winter auf kalten Oberflächen stehen oder gehen, ohne dass ihre Beine erfrieren? Weshalb frieren sie beim Gehen über Eis und Schnee nicht fest? Recherchiert im Internet die Besonderheit der Vogelbeine. Gestaltet ein erklärendes Plakat. A1 Gut gedämmt! Ein Porenbetonstein wird in etwa 30 cm Höhe fixiert. Darunter wird der Stein mit einem Gasbrenner erhitzt. Weshalb ist die Erwärmung an der Oberseite nicht zu spüren? Recherchiere die Zusammensetzung von Porenbeton. LV1 A3 35.3 Wärmedämmung bei einer Außenmauer Faserdämmstoff Hohlblockziegel Die Sonderseiten „Physik im Alltag“ bringen dir Gegenstände und Vorgänge des täglichen Lebens näher. Android iOS QuickMedia App 1. Scanne den QR-Code und lade die App auf dein Smartphone oder Tablet. 2. Scanne deinen Buchumschlag oder wähle dein Schulbuch in der App- Medienliste aus. 3. Scanne eine mit gekennzeichnete Buchseite oder wähle zB ein Video aus der App-Medienliste aus. 4. Spiele das Video ab. www.oebv.at 1. Webseite aufrufen Im Schulbuch eingedruckter Code kostenloses Zusatzmaterial Ó Zusatzmaterial a4u8vh • zahlreiche Arbeitsblätter • Versuchsfilme • Animationen Online-Code/Fach/ISBN 2. Gib den Code in das Suchfeld ein. Digitales Zusatzmaterial Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
4 1I Physik in unserem Leben Das wissenschaftliche Forschen über die Welt 6 Vom Experimentieren, Beobachten und Dokumentieren 8 Elektromagnetische Strahlung Elektromagnetische Strahlung und Materie 10 Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) 12 Ultraviolettstrahlung (UV-Strahlung) 14 Das kann ich! 16 Das elektromagnetische Spektrum 18 Wir übertragen Informationen durch Strahlung 20 Physik im Alltag: Wir nutzen Mikro-Strahlung 22 Physik im Alltag: Röntgen-Strahlung 24 Das kann ich! 26 Wärme in unserer Welt Temperatur, Wärme und thermische Energie 28 Die Erwärmung im Teilchenmodell betrachtet 30 Energieübertragung durch Wärmeleitung 32 Physik im Alltag: Wärmedämmung 34 Das kann ich! 36 Energieübertragung durch Wärmeströmung 38 Energieübertragung durch Strahlung 40 Physik im Alltag: Erwünschte und nicht erwünschte Wärmeübertragung 42 Das kann ich! 44 Phasenübergänge: Schmelzen und Erstarren 46 Phasenübergänge: Verdampfen und Kondensieren 48 Phasenübergänge: Verfestigen und Sublimieren 50 Das kann ich! 52 1 2 3 4.3 Die Thermofolie zeigt einen Schatten der Infrarotstrahlung. 4.2 Sichtbares Licht und Infrarotstrahlung verhalten sich teilweise unterschiedlich. 4.1 Diese Antenne empfängt Rundfunk- Signale aus dem Weltall. Inhaltsverzeichnis Pia Glaeser Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
5 Über Wetter und Klima Physik im Alltag: Wetter – Beobachtung und Messungen 54 Der Luftdruck 56 Wie der Wind entsteht 58 Physik im Alltag: Nebel, Wolken und Niederschläge 60 Das kann ich! 62 Das Klima auf der Erde 64 Die Sonne strahlt auf die Erde 66 Der Treibhauseffekt hält die Erde warm 68 Der Mensch beeinflusst das Klima auf der Erde 70 Klimawandel – wir verändern das Klima der Erde 72 Physik im Alltag: Wir tragen alle zum Klimaschutz bei! 74 Physik im Alltag: Die Energiewende 76 Das kann ich! 78 Radioaktivität Der Kern des Atoms 80 Radioaktivität, Kernumwandlung und Halbwertszeit 82 Strahlungsarten radioaktiver Stoffe 84 Physik im Alltag: Die Anwendung radioaktiver Stoffe 86 Die Nutzung der Kernenergie durch Kernspaltung 88 Physik im Alltag: Kernfusion – Energie aus den Sternen 90 Gefährdung durch Strahlung 92 Das kann ich! 94 Forschen für die Zukunft 96 Anhang Tabellen 98 4 5 5.3 Wetterextreme sind Auswirkungen des Klimawandels. 5.2 Wasser steigt als Dampf auf, kühlt ab und bildet Tröpfchen – Wolken entstehen. 5.1 Das Wetter beschreibt Zustände in der Lufthülle der Erde. Gerald Grois und Christian Mašin Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
6 1 Das wissenschaftliche Forschen über die Welt Physik in unserem Leben Wie funktioniert wissenschaftliches Forschen? „Wissenschaft ist, was Wissen schafft!“ – doch wie genau entsteht eigentlich neues Wissen? Häufig beginnt eine Untersuchung mit einer Beobachtung (Abb. 6.1). Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nehmen etwas in ihrer Umwelt wahr, das ihnen auffällt, und stellen dazu eine Frage. Diese Fragen lassen sich auf unterschiedliche Weise untersuchen: Manchmal durch gezielte Experimente (Versuche) im Labor, manchmal durch längere Beobachtungen, durch genaue Messungen, durch das Aufstellen von Modellen, durch Berechnungen oder auch durch den Vergleich mit bereits vorhandenen Daten. Aus einer Beobachtung oder Frage entsteht noch keine Hypothese. Zunächst wird recherchiert: Gibt es schon Wissen dazu? Haben andere Forscherinnen und Forscher etwas herausgefunden, das weiterhilft? (Abb. 6.2) Erst aus diesen Informationen und den eigenen Überlegungen wird eine Hypothese gebildet – eine Annahme, die erklärt, was man erwartet. Eine Hypothese muss überprüfbar sein, aber das gelingt nicht immer im Labor. Manchmal reicht auch Beobachten oder Rechnen. Um Hypothesen zu überprüfen, werden unterschiedliche Methoden genutzt. Experimente (Versuche) wie Kugeln auf einer schiefen Ebene helfen, Zusammenhänge sichtbar zu machen. Beobachtungen, etwa der Mondphasen, liefern ebenfalls wertvolle Erkenntnisse. Mit Modellen und Berechnungen lassen sich außerdem Vorgänge beschreiben, die man nicht direkt messen kann, wie den elektrischen Strom. Anschließend werden die Ergebnisse analysiert: Die Analyse zeigt, ob die Hypothese gestützt oder widerlegt wird (Abb. 6.3). Wissenschaftliche Ergebnisse werden veröffentlicht und von anderen überprüft und kritisch hinterfragt. Nur wenn viele Forschende zu ähnlichen Ergebnissen kommen, gilt eine Hypothese als gut gestützt und kann Teil einer Theorie werden. Zum Forschen gehört, dass man nur eine Variable verändert, während alle anderen Bedingungen gleichbleiben. Nur so kann man sicher sein, welche Größe das Ergebnis tatsächlich beeinflusst. Man muss sich außerdem bewusst sein, dass Messungen nie völlig exakt sind und immer Unsicherheiten eine Rolle spielen. Und schließlich gilt: Erkenntnisse sind nie endgültig, sondern können sich durch neue Beobachtungen oder bessere Experimente ändern. Hakim schaut sich einen Film an: Durch eine Maschine werden die Kinder einer Erfinderin versehentlich auf eine Größe von 10 cm verkleinert (Abb. 6.4). • Formuliere eine Hypothese: „Menschen können auf 10 cm verkleinert werden.“ • Überlege: Kann man das mit einem Experiment prüfen? Welche anderen Arten von Untersuchungen wären hier sinnvoll? • Begründe, warum diese Hypothese nicht wissenschaftlich überprüfbar ist. 6.1 Am Anfang steht oft eine Beobachtung. Daraus ergibt sich eine Frage, wie zB „Weshalb fällt der Tintentropfen erst nach einiger Zeit durch das Öl?“ Auf die Frage werden Antworten gesucht. 6.2 Die Recherche zeigt, welche Antworten zur Frage bereits gefunden wurden. 6.3 Die Forschungsergebnisse werden festgehalten, analysiert und gedeutet. 6.4 Ist das Verkleinern von Menschen wissenschaftlich? A1 Film v83en2 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
7 Können sich Forschungsergebnisse verändern? Forschungsergebnisse gelten nur so lange als richtig, bis neue Erkenntnisse die ursprünglichen Ansichten erweitern oder widerlegen. Diese Vorläufigkeit von Wissen entsteht zum Beispiel durch neue Technologien, die genauere Experimente, Beobachtungen oder Messungen möglich machen. Ein anschauliches Beispiel ist die Vorstellung vom Aufbau unserer Welt. Lange Zeit glaubten Menschen an die Idee des griechischen Philosophen Aristoteles, dass alles aus vier Urstoffen – Feuer, Wasser, Erde und Luft – besteht. Damit ließen sich die Beobachtungen der Naturwissenschaften ab dem 17. Jahrhundert jedoch nicht mehr erklären. Durch die neue Vorstellung, dass alle Materie aus Teilchen besteht, konnten Phänomene besser dargestellt werden (Abb. 7.1). Erst Anfang des 20. Jahrhunderts konnte das Vorhandensein von Atomen durch Experimente, Messungen, Berechnungen und moderne Technologien nachgewiesen werden. Diese Entdeckung gilt als eine der bedeutendsten in den Naturwissenschaften. Viele Beobachtungen lassen sich durch die Existenz von Atomen gut erklären, zum Beispiel das Auflösen und Bilden von Salzkristallen. Sichtbare Salzkristalle (Abb. 7.2) Lass 100 ml Wasser kochen. Gib einige Teelöffel Kochsalz hinzu, bis sich das Salz nicht mehr auflöst und am Boden liegen bleibt (= „Bodensatz“). Gib mit einer Pipette einen Tropfen des heißen Salzwassers mit etwas Bodensatz auf eine Glasplatte (zB Objektträger). Beobachte den Tropfen beim Verdunsten unter einem Mikroskop oder mit einer Lupe. Es bilden sich kleine eckige Salzkristalle. Versuche die Bildung der Salzkristalle mithilfe der Vorstellung zu erklären, dass alles aus Atomen besteht. Überlege, welche Beobachtungen, Berechnungen oder Modelle dabei helfen können. Damit neue Erkenntnisse verlässlich sind, müssen Experimente und Beobachtungen mehrfach durchgeführt und überprüft werden. Nur so lässt sich erkennen, welche Ursache ein Ergebnis wirklich beeinflusst – deshalb verändert man bei Versuchen nur eine Größe, während andere gleichbleiben (Variablenkontrolle). Atome sind unsichtbar, deshalb nutzt die Physik Modelle (Abb. 7.3), die Zusammenhänge vereinfachen, zum Beispiel Kugelmodelle. Die Idee der vier Urstoffe ist wissenschaftlich widerlegt, bleibt aber im Alltag anschaulich, während Atome nur über Modelle, Experimente und Berechnungen verstanden werden können. Ulla glaubt nicht, dass alles aus Atomen besteht. „Ich hab ja noch nie eines gesehen!“, meint sie. Welche Argumente für das Vorhandensein von Atomen könnt ihr finden? Achtet dabei darauf, ob es sich um Beobachtungen, Berechnungen, Experimente oder Modelle handelt. Gestaltet für Ulla ein kurzes Erklärvideo. Suche im Internet zB auf der Seite von LEIFIPhysik unter den Begriffen „Rastertunnelmikroskop“ (Abb. 7.4), „Atommodell“ und sieh dir ein Video dazu an. festes Wachs gasförmig, zB Wasserdampf, Abgase, … flüssiges Wachs 7.1 Darstellung einer brennenden Kerze im Teilchenmodell. Manche dieser Teilchen bewegen sich schneller als andere. V1 7.2 Sichtbare Salzkristalle – Wenn Wasser aus der Salzlösung verdunstet, beginnen eckige Salzkristalle an den runden Kristallen des Bodensatzes zu wachsen. 7.3 Verschiedene Modelle vom Atom: Kugelmodell (a), Planetenmodell (b), Schalenmodell (c), Orbitalmodell (d) a) b) d) c) A2 Forschungsergebnisse sind vorläufig und können sich ändern, wenn neue Beobachtungen, Experimente oder Modelle neue Erkenntnisse liefern. Nur wiederholbare Untersuchungen mit kontrollierten Bedingungen liefern verlässliches Wissen. M 7.4 Silicium-Atome in der Ansicht eines Rastertunnelmikroskops. A3 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
8 1 Vom Beobachten und Dokumentieren Was müssen wir bei Versuchen im Physikunterricht beachten? In der Schule führen wir Versuche durch, um durch eigene Beobachtungen naturwissenschaftliche Phänomene besser zu verstehen. Damit du bei den Versuchen verlässliche Ergebnisse erhältst solltest du Folgendes beachten: • Sorgfältige Planung: Überlege dir vor dem Versuch, was du herausfinden möchtest. Formuliere eine klare Fragestellung. • Strukturierte Durchführung: Mit Versuchen kannst du Informationen und Daten (zB Messwerte) erhalten. Oft ist es dabei wichtig, Messungen oder Zählungen durchzuführen. • Ergebnisse dokumentieren: Notiere Material, Aufbau, Ablauf und Beobachtungen in einem Protokoll. Halte Messwerte in Tabellen fest und stelle sie in Diagrammen dar, um sie besser vergleichen zu können. (Abb. 8.1). • Achte auf die Sicherheit: Trage bei Bedarf Schutzbrille und Schutzhandschuhe (Abb. 8.2). Binde lange Haare zusammen und sei vorsichtig im Umgang mit offenen Flammen oder Chemikalien. Verwende feuerfeste Unterlagen und lösche die Flamme, wenn sie nicht gebraucht wird. • Zusammenarbeit und Reflexion: Tauscht euch in der Gruppe aus und unterstützt euch gegenseitig. Gebt euch konstruktive Rückmeldungen darüber, wie ein Versuch verbessert werden könnte. Überlegt gemeinsam, welche Schlussfolgerungen ihr aus den Ergebnissen ziehen könnt. • Hinterlasse den Arbeitstisch sauber und achte auf die richtige Entsorgung des Abfalls (Abb. 8.3). Die Dichte von Eisen (Abb. 8.4, Abb. 8.5 und Abb. 8.6) Material: Schraube mit Mutter (zB Größe M10, Länge 50 mm), Waage, Messglas (zB 100 ml), Wasser, Schnur 1 cm3 reines Eisen hat eine Masse von 7,874 g. Die Dichte ρ von Eisen beträgt daher 7,874 g/cm3. Wie könnt ihr beweisen, dass Schrauben hauptsächlich aus Eisen bestehen? Bestimmt zunächst die Masse der Schraube mit der Waage. Das Volumen der Schraube erhaltet ihr durch Eintauchen in ein mit Wasser gefülltes Messglas. Wie könnt ihr aus euren Messergebnissen die Dichte ermitteln? Dokumentiert die Ergebnisse in einem geeigneten Diagramm (Abb. 8.1). Vergleicht eure Werte mit dem bekannten Dichtewert von Eisen. Eure Ergebnisse werden vermutlich nicht genau übereinstimmen. Notiert mögliche Ursachen für Abweichungen (zB Messfehler, Luftblasen, ungenaues Ablesen). Wie zuverlässig schätzt ihr eure Dichtebestimmung ein? Yasmin meint: „Wenn wir von mehreren Schrauben gleichzeitig Masse und Volumen bestimmen, wird unser Ergebnis genauer.“ Testet Yasmins Idee aus und vergleicht euren neuen Wert mit dem alten. Säulendiagramm Balkendiagramm Kreisdiagramm Liniendiagramm 8.1 Mit Diagrammen kannst du Daten anschaulich darstellen. 8.2 Achte auf deine Sicherheit. 8.3 Achte auf die richtige Entsorgung des Abfalls. V1 8.4 Die Dichte von Eisen – 1 cm3 reines Eisen hat eine Masse von 7,874 g. A1a A1b 8.5 Die Dichte von Eisen – Bestimmt die Masse der Schraube. 8.6 Die Dichte von Eisen – Bestimmt das Volumen der Schraube. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
9 Physik in unserem Leben Sollen Wissenschaft und ihre Experimente kreativ sein? Nadine ist sehr neugierig. Sie hat bald Geburtstag und findet im Regal des Abstellraums ein verpacktes Geschenk. Was da wohl drinnen ist (Abb. 9.1)? Sie hebt es vorsichtig hoch und rüttelt daran. Aufmachen kann sie es natürlich nicht! Vielleicht enthält das Päckchen ein neues Smartphone? Was wären Hinweise darauf, dass sich im verpackten Geschenk (Abb. 9.1) ein Smartphone befindet? Was würde dagegensprechen? Überlegt gemeinsam in der Gruppe. Beim Experimentieren stehen Forscherinnen und Forscher oft vor ähnlichen Problemen. Sie können nicht alles direkt untersuchen! Wie Nadine müssen sie mit neuen und kreativen Ideen den unbekannten Inhalt eines „Päckchens“ untersuchen, ohne es dabei zu zerstören. Gegenstände, deren innerer Aufbau unbekannt ist, werden als Black Box bezeichnet. Sie können nur durch ihr äußeres Verhalten untersucht werden. Dazu werden mit Einfallsreichtum und Kreativität neue Untersuchungsmethoden entwickelt. Das geheimnisvolle Döschen, Teil 1 (Abb. 9.2, Abb. 9.3) Material: flache leere Cremedöschen (20 ml, Kunststoff oder Aluminium), kleine Gegenstände (Spielwürfel, Büroklammern, Schraubenmuttern …) Wie könnt ihr in der Gruppe herausfinden, welche Gegenstände und wie viele davon die einzelnen Döschen enthalten? Ihr dürft die Döschen nicht öffnen, könnt aber Messgeräte und anderes Material für eure Untersuchung verwenden (Abb. 9.4, Abb. 9.5). Das geheimnisvolle Döschen, Teil 2 (Abb. 9.6) Material: flache leere Cremedöschen (20 ml, Kunststoff oder Aluminium), flache Holzleisten (zB Eisstiele), 3 kleine Stahlkugeln pro Dose Mehrere verschlossene und nummerierte Döschen enthalten jeweils drei Stahlkugeln. Sie unterscheiden sich in ihrem inneren Aufbau. In ihnen sind Holzleisten als Hindernisse eingeklebt. Überlegt in der Gruppe, wie ihr den Aufbau der eingeklebten Hindernisse herausfinden könnt. Notiert eure Vorgehensweise und die Ergebnisse eurer Untersuchungen. Vergleicht die Ergebnisse mit den anderen Gruppen. Präsentiert eine Lösung zum Inhalt und innerem Aufbau der Döschen. 9.1 Wie könnte Nadine herausfinden, was das Päckchen enthält? Infobox: Der Begriff Black Box stammt vom Militär. Damit wurden erbeutete Gegenstände bezeichnet, die nicht geöffnet werden durften, weil man darin Sprengstoff vermutete. A2 V2 9.2 Das geheimnisvolle Döschen, Teil 1 – Diese Dinge könnte das Döschen enthalten. 9.3 Das geheimnisvolle Döschen, Teil 1 – eine mögliche Lösung V3 A3 Forschung baut auf vorhandenes Wissen auf, das als Grundlage für neue Hypothesen und Versuche dient. Versuche sollten sorgfältig geplant, strukturiert durchgeführt und gut dokumentiert werden, um aus den erhaltenen Daten brauchbare Erkenntnisse zu gewinnen. Dazu musst du auch oft kreativ arbeiten. M 9.4 Untersuchung der Döschen mit deinen Sinnen. 9.5 Untersuchung der Döschen mit Waage und Magnet. 9.6 Das geheimnisvolle Döschen, Teil 2 – So könnte das Innere der Döschen aussehen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
10 Arbeitsheftseiten 34–35 Elektromagnetische Strahlung 2 Elektromagnetische Strahlung und Materie Was unterscheidet elektromagnetische Strahlung von Materie? Timo weiß, dass das Leben auf der Erde nur deshalb möglich ist, weil die Sonne Energie auf die Erde strahlt (Abb. 10.1). „Ob man die Sonnenstrahlung genauso einfangen kann wie andere Dinge?“, fragt er sich. Die Welt, die uns umgibt, zB der Sessel, auf dem du sitzt und auch du selbst, besteht aus Materie. Materie besteht aus Teilchen (zB Atome). Sie hat daher Masse und braucht Platz. Du kannst Materie berühren (Abb. 10.2). Die Strahlung der Sonne kannst du nicht berühren. Sie enthält mehrere Arten von Licht, die wir elektromagnetische Strahlung nennen. Dazu gehören sichtbares Licht, Infrarotstrahlung ( Seite 12, Seite 40) und Ultraviolettstrahlung ( Seite 14). Sieh dich um. Notiere 10 Beispiele für Materie in diesem Zimmer. Kannst du auch Beispiele für Strahlung wahrnehmen? Notiere auch diese. Wie breitet sich elektromagnetische Strahlung aus? Eine besondere Art der elektromagnetischen Strahlung kennst du bereits – das sichtbare Licht. Ein Lichtsender (zB die Sonne oder eine Lampe) sendet das Licht in alle Richtungen geradlinig aus. Es hat dabei Lichtgeschwindigkeit – ein Tempo von etwa 300 000 km/s im luftleeren Raum des Weltalls. Damit du es wahrnehmen kannst, muss das Licht in deine Augen gelangen. Die Augen sind Empfänger für sichtbares Licht (Abb. 10.3). Andere Arten von elektromagnetischen Strahlungen verhalten sich auch wie das sichtbare Licht. Wir können sie aber nicht sehen. Die Augen sind keine geeigneten Empfänger dafür. Wie sich Licht verhält (Abb. 10.4) Material: Taschenlampe (Handy), verschiedene Gegenstände Entwickle Versuche, mit denen du Eigenschaften von Licht zeigen kannst. zB: Geht Licht immer geradeaus? Was passiert, wenn ein Hindernis im Weg ist? Halte deine Beobachtungen in einem Protokoll fest. Abb. 10.5 und Abb. 10.6 zeigen dir Sender und Empfänger für elektromagnetische Strahlung. Beschreibe, welcher Sender welche Strahlung zu welchem Empfänger sendet. Notiere weitere Beispiele. 10.1 Die Sonne sendet Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung zur Erde. 10.2 Materie kannst du berühren – auch die Luft und die Seifenblasen. A1 Materie besteht aus Teilchen, hat Masse und lässt sich berühren. Elektromagnetische Strahlung hat keine Masse und lässt sich nicht berühren. M Infobox: Neben elektromagnetischer Strahlung gibt es auch Teilchenstrahlung. Die Sonne sendet zB auch Protonen aus. Diese erreichen aber den Erdboden nicht ( Seite 88). 10.3 Die Augen sind geeignete Empfänger für sichtbares Licht. Empfänger ✓ Sender V1 A2 Elektromagnetische Strahlung breitet sich von einem Sender in alle Richtungen aus. Sie überträgt Strahlungsenergie mit Lichtgeschwindigkeit. Um sie wahrzunehmen, benötigen wir geeignete Empfänger. M 10.5 Eine Schlange wärmt sich unter der Wärmelampe. Sender Empfänger 10.4 Wie sich Licht verhält 10.6 Eine Kerze wird mit der Wärmebildkamera fotografiert. Sender Empfänger Zusatzmaterial v8d5wm Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
11 Wie wirkt elektromagnetische Strahlung auf Materie? Das sichtbare Licht ist eine Art der elektromagnetischen Strahlung. Wir wollen nun herauszufinden, was geschieht, wenn Strahlung auf Materie trifft. Licht und Papier (Abb. 11.1, Abb. 11.2) Beleuchtet ein Stück Notizpapier mit einer Taschenlampe. Betrachtet das Papierstück von allen Seiten. Beschreibt eure Beobachtungen. Was passiert, wenn ihr immer mehr Lagen Papier in den Lichtkegel haltet? Versucht, eure Beobachtung mithilfe von Abb. 11.2 zu erklären. Elektromagnetische Strahlung (zB Licht) kann mit der bestrahlten Materie auf verschiedene Arten wechselwirken (Abb 11.2.): • Reflexion: Die Strahlung wird von der Materie zurückgeworfen. • Absorption: Die Strahlung wird von der Materie aufgenommen, wodurch ihre innere Energie und die Temperatur steigt. Der Stoff sendet dann wieder Strahlung aus, die zur neuen Temperatur passt. Diese Strahlung ist energieärmer als die aufgenommene („Re-Emission“). • Transmission: Die Materie wirkt „durchsichtig“ für die Strahlung. Diese kann die Materie durchdringen. Nicht jede Strahlungsart wirkt gleichartig auf dasselbe Material. Glas ist zB gut durchlässig für sichtbares Licht, nicht aber für manche Bereiche der Infrarotstrahlung ( Seite 12). Wie kann elektromagnetische Strahlung Materie beeinflussen? Strahlungsenergie wird nur übertragen, wenn Materie die Art der Strahlung absorbieren kann. Dabei geschieht folgendes (Abb. 11.6): • Atome und Moleküle können durch Strahlung in schnellere Bewegung versetzt werden. Die Temperatur des Körpers erhöht sich (Abb. 11.3). • Die Materie sendet selbst energieärmere Strahlung aus. • Strahlung kann chemische Bindungen in Molekülen aufbrechen oder neu verbinden. Das Material wird chemisch verändert (Abb. 11.4) • Strahlung kann Elektronen in schnellere Bewegung versetzen. Verlassen sie dabei ihren Platz, so wird ihr Atom zu einem Ion (elektrisch geladenes Atom) – „Das Atom wurde ionisiert“. Dieser Effekt geschieht zB in Solarzellen (Abb. 11.5). V2 11.1 Licht und Papier 11.2 Papier kann Teile des Lichts reflektieren, durchlassen und absorbieren. Papier ✓ ✓ A3 Elektromagnetische Strahlung kann von Materie reflektiert, durchgelassen oder absorbiert werden. M Infobox: Moleküle sind Teilchen, die aus mehreren Atomen bestehen. 11.3 Die Infrarotstrahlung im Backrohr bewirkt eine Erwärmung und chemische Veränderung der Speisen. Wird elektromagnetische Strahlung von Materie absorbiert (Abb. 11.6), • so erhöht sich ihre Temperatur (Teilchen bewegen sich schneller), • so sendet sie Strahlung mit geringerer Strahlungsenergie aus, • so können sich Materialien chemisch verändern, • so können Elektronen bewegt werden. M 11.6 Materie wird durch Absorption von elektromagnetischer Strahlung beeinflusst. Teilchenmodell Temperaturerhöhung Strahlung chemische Wirkung Strahlung (*) ... von Materie abgegebene Strahlung Ion (1+) Elektron Atom 4+ 44+ 3ionisierend Strahlung 11.4 Zeitungspapier verändert sich durch die Einwirkung von Strahlung. + + + + + + + Sonnenlicht Pluspol - - - - - - - Minuspol 11.5 In Solarzellen werden durch Strahlung Elektronen aus Atomen geschlagen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
12 2Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) Was ist Infrarotstrahlung (IR-Strahlung)? Fionas kleine Schwester Conny hat Fieber. „Warum steckst du mir das Thermometer ins Ohr? Halt es mir doch an die Wange!“ „An der Wange kühlst du stärker aus. Im Ohr strahlst du gleichmäßiger.“, meint Fiona (Abb. 12.1). „Aber ich leuchte doch nicht! Ich hab Fieber!“, kichert Conny. „Alle Dinge – auch du – strahlen unsichtbare Infrarotstrahlung ab.“, antwortet Fiona. Das hat sie in der Schule gelernt. Wir strahlen (Abb. 12.2) Stellt mit einem Infrarot-Thermometer oder einer Wärmebildkamera fest, welche Bereiche des Körpers Infrarotstrahlung abgeben. Erkläre Conny mit einfachen Worten, weshalb unterschiedliche Stellen des Körpers eine unterschiedliche Temperatur haben. Wärmebildkameras werden in der Medizin eingesetzt, um Entzündungen oder Durchblutungsstörungen sichtbar zu machen. Warum geht das? Formuliere eine Vermutung und recherchiere. In der 2. Klasse hast du erfahren, dass Licht in seine Spektralfarben zerlegt werden kann. Bei Versuchen im 19. Jahrhundert wurde festgestellt, dass sich vor dem roten Teil des sichtbaren Lichts eine weitere – dem Licht ähnliche – Strahlungsart befindet. Sie ist für uns unsichtbar, kann aber Materie erwärmen. Wir nennen sie Infrarotstrahlung (= „unter Rot“): Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt ( Seite 31) gibt Infrarotstrahlung ab. Sie entsteht dadurch, dass die Atome in einem Körper in ständiger Bewegung sind und dabei Strahlungsenergie abgeben. Umgekehrt können Körper Infrarotstrahlung absorbieren und ihre Temperatur erhöhen. Ihre Atome werden dabei schneller bewegt. Materialien, die für sichtbares Licht durchsichtig sind, können manchmal Infrarotstrahlung durchlassen. Auch beim Reflektieren von Licht und Infrarotstrahlung verhalten sie sich unterschiedlich. Sichtbares Licht verhält sich anders als Infrarotstrahlung. Nenne Unterschiede, die du in den Abb. 12.4 und 12.5 erkennen kannst. 12.1 Mit einem Infrarot-Fieberthermometer wird die Temperatur im Ohr gemessen. V1 12.2 Wir strahlen – Die Wärmebildkamera stellt Temperaturen farbig dar. A1 A2 12.3 Medizinische Wärmelampen enthalten sehr heiß und hell glühende Drähte. Damit du nicht geblendet wirst, lässt das Glas nur rotes Licht und Infrarotstrahlung durch. Infobox: Gute Infrarotsender zum Experimentieren mit Wärmebildkameras sind zB Becher mit heißem Wasser, Wärmelampen (Abb. 12.3) oder Gesichter von Personen. Infrarotstrahlung sichtbares Licht A3 Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) ist eine für Menschen unsichtbare Strahlungsart, die im Lichtspektrum an Rot grenzt. Sie wird von allen Körpern ausgesendet. Ein Teil der Infrarotstrahlung ist wärmewirksam. Sie erhöht bei Absorption die Temperatur eines Körpers. M 12.5 Ist der Ballon undurchsichtig oder durchsichtig? Arbeitsheftseite 36 12.4 Ein Blick aus dem Fenster. Film vk9im8 Zusatzmaterial v8fq5d Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
13 Elektromagnetische Strahlung Was bezeichnen wir als „nahes Infrarot“? Infrarot-Fernbedienungen verwenden wir zum Ein- und Ausschalten von Elektrogeräten. Sie enthalten eine LED, die im IR-Bereich, also für uns nicht sichtbar, leuchtet. Drückst du eine Taste, so beginnt die LED in einem bestimmten Rhythmus zu blinken. Das Elektrogerät erkennt dieses Signal. In Abb. 13.1 wurde das Blinken einer Fernbedienung mit einer Kamera sichtbar gemacht. Eine Erwärmung durch diese LED kannst du aber nicht bemerken. Diese Art von Infrarotstrahlung liegt im Lichtspektrum „knapp neben Rot“. Wir nennen sie daher „nahes Infrarot“. Die wärmewirksame Infrarotstrahlung ist im Spektrum weiter vom sichtbaren Licht entfernt. Fernbedienung mit Reflexion (Abb. 13.2) Bediene einen Fernseher mit der Infrarot-Fernbedienung. Reflektiere die Strahlen an verschiedenen Oberflächen zum Gerät. Welche Oberflächen können das Fernbedienungssignal reflektieren? Probiere es aus. Wofür verwenden wir Infrarot-Kameras? In digitalen Kameras befindet sich ein lichtempfindlicher Sensor, auf dem das einfallende Licht festgehalten wird. Dieser Sensor ist auch empfindlich für nahes Infrarot. Normale Kameras haben jedoch einen Infrarot-Sperrfilter. In Nachtsicht-Kameras fehlt dieser Filter. Das Motiv wird dabei mit nahem Infrarot beleuchtet. Diese Kameras werden als Überwachungskameras für zB Kleinkinder oder Haustiere verwendet (Abb. 13.3). In Fahrzeugen helfen sie dabei, Personen in der Nacht zu erkennen. Im Wald dienen sie der Beobachtung von Wildtieren (Abb. 13.4) Aus einem Internet-Blog: „Ein Babyphone mit Kamera greift in die Privatsphäre der Kinder ein.“ Nimm zu dieser Aussage Stellung. Auf Bildern im nahen Infrarot-Bereich erscheinen grüne Pflanzen weiß (Abb. 13.5). Nahe IR-Strahlung wird vom Wasser der Zellen reflektiert. Diese Aufnahmen können helfen, kranke und daher trockene Bäume in einem Wald besser zu erkennen. Teleskope betrachten auch den Infrarot-Bereich des Weltalls. Manche Himmelskörper, zB das Zentrum unserer Milchstraße, können nur in diesem Bereich betrachtet werden (Abb. 13.6). Sichtbares Licht wird durch Gaswolken in unserer Milchstraße absorbiert, Infrarotstrahlung wird durchgelassen. 13.1 Mit der Kamera mancher Smartphones kannst du das Blinken der Infrarot-LED einer Fernbedienung sichtbar machen. V2 13.2 Fernbedienung mit Reflexion Als „nahes Infrarot“ bezeichnen wir die Infrarotstrahlung, die im Spektrum an das sichtbare Rot grenzt. Sie ist nicht stark wärmewirksam. M 13.3 Babyphone im Nachtsicht-Modus Infobox: Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) betrachtet Himmelsobjekte im Infrarot-Bereich. A4 Infrarot-Kameras verwenden wir zB als Nachtsicht-Kameras, zur Erkennung von schadhaften Bäumen und zur Betrachtung von Sternen. M 13.4 Wildtierkamera mit Nachtsicht-Funktion 13.5 Auf Infrarot-Fotos erscheinen gesunde Bäume weiß, trockene Bäume dunkel. 13.6 Das Zentrum der Milchstraße ist nur in Infrarot-Aufnahmen zu erkennen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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