Impuls Physik 2
Impuls Physik 2, Schulbuch + E-Book Schulbuchnummer: 215240 Impuls Physik 2, Schulbuch E-Book Solo Schulbuchnummer: 215241 Mit Bescheid des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Forschung vom 2. Februar 2024, GZ 2022-0.729.458, gemäß § 14 Abs. 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBl. Nr. 472/86, und gemäß den derzeit geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch für die 2. Klasse an Mittelschulen im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2023) und für die 2. Klasse an allgemein bildenden höheren Schulen – Unterstufe im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2023) geeignet erklärt. Dieses Werk wurde auf 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: Alle Abschnitte: H. Schecker, Th. Wilhelm, M. Hopf & R. Duit (Hrsg., 2018). Schülervorstellungen und Physikunterricht. Heidelberg: Springer Spektrum. Th. Wilhelm, H. Schecker & M. Hopf (Hrsg., 2021). Unterrichtskonzeptionen für den Physikunterricht. Heidelberg: Springer Spektrum. Abschnitte 5-10 (Frankfurt/Grazer-Optikkonzeption): C. Haagen-Schützenhöfer, I. Fehringer, J. Rottensteiner, J. Pürmayer. Optik für die Sekundarstufe I. https://physik.uni-graz.at/de/fachbereich-physikdidaktik-und-fdz-physik/forschen/forschungs-und-entwicklungsprojekte/das-optikprojekt/ (Abgerufen am 28.09.2021) Der Bild- und Illustrationsnachweis ist auf der hinteren Umschlaginnenseite zu finden. 1. Auflage (Druck 0001) © Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2024 www.oebv.at Alle Rechte vorbehalten. Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, gesetzlich verboten. Umschlagbilder : Philip Thurston / Getty Images - iStockphoto; Mypurgatoryyears / Getty Images - iStockphoto Redaktion: Philipp Krammer, Wien Herstellung: Silvia Bliem, Wien Umschlaggestaltung und Layout: Jens-Peter Becker, normaldesign GbR, Schwäbisch Gmünd Satz: PER Medien+Marketing GmbH, Braunschweig Druck: Ferdinand Berger & Söhne Ges.m.b.H., Horn ISBN 978-3-209-12339-8 (Impuls Physik SB 2 + E-Book) ISBN 978-3-209-12875-1 (Impuls Physik SB 2 E-Book Solo) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
www.oebv.at Bibiane Blauensteiner Verena Margl Andrea Micko Impuls Physik 2 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 imph2 ein und los geht’s! www.esquirrel.at Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
2 Inhalt Was ist Physik?* 6 Anfang, heute und Zukunft 6 Die Bausteine der Welt 10 Forschen – Finden – Ausprobieren 14 Wie funktioniert Forschung?* 16 Forschen und Experimentieren 16 Die Vermessung unserer Welt 20 Forschen – Finden – Ausprobieren 24 Entstehung und Ausbreitung des Schalls 26 Schwingungen und Schall 26 Schall und seine Geschwindigkeit 30 Forschen – Finden – Ausprobieren 34 Physik des Hörens 36 Hoch – tief, laut – leise 36 Vorsicht, Lärm! 40 Forschen – Finden – Ausprobieren 44 Physik des Sehens 46 Licht und Sehen 46 Arten von Lichtsendern 50 Forschen – Finden, Ausprobieren 54 Licht und Schatten 56 Eigenschaften des Lichts 56 Kein Licht ohne Schatten 60 Forschen – Finden – Ausprobieren 64 Erforsche selbst 65 1 2 3 4 5 6 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
3 Optik im Sonnensystem 66 Tag, Nacht, Jahreszeiten 66 Im Schatten des Mondes 70 Forschen – Finden – Ausprobieren 74 Reflexion und Brechung 76 Wie Spiegel funktionieren 76 Mit Lichtgeschwindigkeit um die Kurve 80 Forschen – Finden – Ausprobieren 84 Regenbogen-Physik 86 Die Farben des Lichts 86 Das Licht macht die Farbe 90 Forschen – Finden – Ausprobieren 94 Optische Geräte 96 Die Entstehung von Bildern 96 Bilder, durch Linsen betrachtet 100 Forschen – Finden – Ausprobieren 104 Sicher unterwegs im Straßenverkehr 106 Sichtbarkeit bringt Sicherheit 106 Forschen – Finden – Ausprobieren 110 Register 112 * Diese Inhalte behandeln die Wissenschaft Physik und du erfährst, wozu man Experimente braucht und wie du sie selbst durchführen kannst. Sie sind nicht Teil der Kompetenz- und Anwendungsbereiche des Lehrplans. Der Quellen-, Bild- und Illustrationsnachweis ist auf der hinteren Umschlaginnenseite zu finden. 7 8 9 10 11 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
4 Liebe Schülerin, lieber Schüler, auf dieser Doppelseite zeigen wir dir, wie „Impuls Physik“ aufgebaut ist. Das Schulbuch hat elf Abschnitte. Jeder Abschnitt besteht aus 2 Kapiteln mit je einer ErarbeitungsDoppelseite und einer Übungs-Doppelseite. Am Ende jedes Abschnitts kannst du auf einer Doppelseite selbst erforschen, Spiele spielen, Versuche durchführen und noch viel mehr. Wie arbeite ich mit diesem Buch? Entstehung und Ausbreitung des Schalls 3 Forschen – Finden – Ausprobieren 3 35 34 Was denkst du? Wer hat mit seiner oder ihrer Aussage Recht? Stelle die falschen Aussagen richtig. Stelle noch eine weitere Aussage zum Thema auf. Diskutiert und überprüft eure Aussagen. Achtet auf Richtigkeit, Verständlichkeit und verwendete Fachbegriffe. Musik im Schwimmbad Tanja, Sam, Levi und Darja verbringen einen Tag im Schwimmbad. Sie machen gerade am Beckenrand eine Pause. Da bemerken sie, wie das Schwimmteam im Sportbecken mit ihrem Training beginnt. Noch bevor das Team ins Becken springt, starten sie motivierende Musik. Es entwickelt sich unter den Freunden folgende Diskussion: Darja: Das Schwimmteam hört die Musik unter Wasser nur dann gut, wenn es Lautsprecher unter Wasser gibt. Tanja: Wieso dreht das Schwimmteam die Musikanlage auf? Sie können die Musik doch unter Wasser nicht hören! Levi: Das Schwimmteam hört die Musik unter Wasser nur dann in guter Qualität, wenn es richtig laut in der Halle abgespielt wird. Sam: Schallwellen übertragen sich sehr gut von Luft ins Wasser und breiten sich dort aus. So kann das Schwimmteam die Musik ausgezeichnet hören. Diskussionsleitung Du achtest darauf, dass deine Gruppenmitglieder sich gegenseitig aussprechen lassen, einander zuhören, sich an Gesprächsregeln halten und höflich bleiben. Sollte das Gespräch nicht in Gang kommen, kannst du den einzelnen Mitgliedern auch Fragen stellen. Monika Achtsam Bäuerin und Naturliebhaberin (50 Jahre) Du lebst und arbeitest seit Jahren in Niederwein. Dir gehört die große Freifläche, auf der das „Sommerclubbing im Dorf“ veranstaltet wird. In einem nahegelegenen Stall kümmerst du dich um 40 Kühe. Bei deinen morgendlichen Spaziergängen beobachtest du gerne Wildtiere und Pflanzen. Kiara Fest Schülerin (16 Jahre) Ihr lebt im Nachbardorf von Niederwein und freut euch jedes Jahr sehr auf das „Sommerclubbing im Dorf“. Endlich ist in eurer stillen Gegend etwas los. Ihr könnt euch mit Freunden treffen und zu toller Musik Party machen. Lukas Tschirner Vater (26 Jahre) eines Neugeborenen in Karenz Du lebst im Dorf Niederwein und bist momentan in Karenz mit deinem kleinen Sohn. Euer Haus liegt am Ortsrand direkt neben der großen Freifläche, auf der das „Sommerclubbing im Dorf“ jedes Jahr stattfindet. Konrad Klug Mitarbeiter (30 Jahre) der Eventfirma Partymood Du arbeitest seit fünf Jahren für Frau Feierfreund und ihre Eventfirma. In diesem Jahr wirst du Teile der Veranstaltung „Sommerclubbing im Dorf“ alleine planen und freust dich schon sehr auf die Umsetzung deiner Ideen. Sandra Feierfreund Veranstalterin (45 Jahre) des jährlichen Festes „Sommerclubbing im Dorf“ Du bist Besitzerin der Eventfirma Partymood, die Feste plant und durchführt. Jedes Jahr im Sommer veranstaltet deine Firma Partymood im Dorf Niederwein ein großes Open Air Fest. Dieses Fest findet jedes Wochenende im August statt. Die Haupteinnahmen deiner Firma machst du mit diesem Fest. Mit keinem anderen Fest verdienst du so viel wie in diesem einen Sommermonat. Meine Argumente: Rollenspiel: Sommerclubbing im Dorf Niederwein: Ja oder Nein? Bei einem Rollenspiel versetzt du dich in die Lage eines anderen Menschen und versuchst, aus dessen Sicht ein Problem zu besprechen und Argumente zu finden. 1. Bildet eine Gruppe aus sechs Personen und verteilt die Rollen unter euch. 2. Lies deine Rolle aufmerksam und allein durch. 3. Sammle Argumente, die zu deiner Rolle passen und deinen Standpunkt unterstreichen. Verwende dabei physikalische Fakten, die du in diesem Buch gelernt hast. 4. Komm zurück in die Gruppe und startet die Gruppendiskussion. Die Personen: Erarbeitungs-Doppelseite 3 Entstehung und Ausbreitung des Schalls 3 27 26 Das Stadium tobt. Die Mannschaft hat ein Tor geschossen! Fans jubeln und klatschen. Plötzlich geht eine Welle durchs Publikum – so ein Spaß! Hast du so eine „La-Ola-Welle“ schon einmal miterlebt? Was hat sie mit Physik zu tun? In diesem Kapitel findest du es heraus. Du lernst auch, was diese Welle mit dem Hören zu tun hat. Schwingungen und Schall Entstehung und Ausbreitung des Schalls B1 Eine Schaukel schwingt regelmäßig hin und her. B2 Beim Sprechen öffnen und schließen sich die Stimmbänder. B3 Ein Tropfen löst eine Welle im Wasser aus. Was sind Schwingungen? Schwingungen sind Bewegungen, die sich wiederholen. Du kennst das vom Schaukeln: Durch Anschubsen von außen oder wenn du dich geschickt bewegst, kannst du die Schaukel aus ihrer Lage bringen. Sie schwingt dann immer wieder hin und her (B1). Wenn etwas regelmäßig hin und her (oder auf und ab) schwingt und du die Anzahl dieser Schwingungen pro Sekunde zählst, nennt man das die Frequenz. Im Alltag nennt man auch andere regelmäßige Vorgänge „Frequenz“: Zum Beispiel, wenn eine Fluglinie vier Mal pro Woche zwischen zwei Städten hin und her fliegt. Auch in unserem Körper bringen wir etwas zum Schwingen – unsere Stimmbänder. Sie liegen im Kehlkopf, am oberen Ende der Luftröhre (B2). Zwischen ihnen gibt es eine Öffnung, durch die beim Sprechen Luft gepresst wird. Dabei fangen die Stimmbänder an zu schwingen. Drücke mit deinen Fingern leicht auf den Kehlkopf, wenn du sprichst. Kannst du das Schwingen der Stimmbänder spüren? Was sind Wellen? Bei einer La-Ola-Welle bleiben die Personen auf ihrem Platz. Sie schwingen nur ihre Arme auf und ab. Fällt ein Regentropfen in einen Teich, bewegt sich das Wasser auf und ab. Die Wasserteilchen schwingen auf der Stelle, sie bewegen sich nicht durch den Teich (B3). Eine Schwingung entsteht, wenn ein Körper sich regelmäßig hin und her bewegt. ï Eine Welle setzt sich aus Schwingungen zusammen und breitet sich im Raum aus. Bedecke mit Hilfe der Kerze eine Seite der Glasscheibe mit einer Rußschicht. Achte darauf, dich nicht zu verbrennen! Stoße die Stimmgabel an und graviere mit der Kratzfeder in die Rußschicht. Ziehe dabei die Glasscheibe einmal schneller, einmal langsamer von der Kratzfeder weg. Beschreibe die Muster, die entstehen. Wie hängen sie mit dem Tempo, mit dem du die Kratzfeder bewegst, zusammen? V1 Schwingungen sichtbar machen Materialien Stimmgabel mit Kratzfeder Glas Kerze Feuerzeug Zange Entstehung von Schall Beim Spielen des Tamburins wird das dünne Fell eingedrückt. Mit dem Teilchenmodell kann man sich das so vorstellen: Die Luftteilchen werden enger aneinandergedrückt. Man sagt: Die Luft dahinter wird verdichtet. Dann schwingt das Fell zurück und die Luftteilchen haben wieder mehr Platz: Die Luft wird verdünnt. Diese Verdichtungen und Verdünnungen der Luft breiten sich im Raum aus (B4). Man nennt sie Schallwellen. Das Tamburin ist dabei der Schallsender. Vom Schallsender zum Schallempfänger Stell dir vor, du wachst am Morgen vom Vogelgezwitscher vor deinem Fenster auf. Wie gelangen die Geräusche vor deinem Fenster an dein Ohr? Erklärt und besprecht eure Vorstellungen dazu. Braucht Schall die Luft, damit er vom Sender zum Empfänger gelangen kann? Das kann man mit einem läutenden Handy im Vakuum nachweisen. Vakuum nennt man einen Bereich, in dem keine Luft oder andere Teilchen vorkommen. Wenn man aus einer Glasglocke die Luft herauspumpt, ist der Ton des Handys nicht mehr zu hören (B5). Es ist keine Luft als Schallleiter vorhanden, somit kann es auch nicht zu einer Verdichtung und Verdünnung der Luft kommen. Es können keine Schallwellen entstehen. Vom Schallsender gelangen die Schallwellen über den Schallleiter bis zu unseren Ohren. Das Trommelfell im Ohr funktioniert wie ein Tamburin. Es gibt die Schwingung an die Gehörknöchelchen und den Gehörnerv weiter (B6). Ohren sind somit Schallempfänger. Ein Schallsender erzeugt Schallwellen. Schallwellen sind Verdichtungen und Verdünnungen der Luft, die sich im Raum ausbreiten. Die Luftteilchen selbst bewegen sich dabei nicht durch den Raum. ï Damit sich Schall ausbreiten kann, braucht es einen Schallleiter, in dem Schallwellen entstehen können. Schallleiter sind Luft (Gase), Wasser (Flüssigkeiten) und Feststoffe. Luftverdichtung Luftverdünnung B4 Schallwellen sind Verdichtungen und Verdünnungen der Luft, die sich im Raum ausbreiten. B5 Das Vakuum in der Glasglocke verhindert, dass Schall von der Klingel an unsere Ohren gelangt. B6 Modell des menschlichen Ohrs Gehörknöchelchen Trommelfell Materialien Wollfaden (50 cm) Teelöffel Holzstab oder Bleistift Binde den Teelöffel mittig an den Wollfaden. Halte nun je ein Ende des Fadens an deine Ohren. Bitte jemanden, mit einem Holzstab oder Bleistift gegen den Löffel zu schlagen. Was hörst du? Benenne den Schallsender, Schallleiter und Schallempfänger in diesem Versuch. V2 Nicht nur Luft „schallt“ Digitales Zusatzmaterial 693q4x Übungs-Doppelseite Forschen, Finden, Ausprobieren Du findest hier Comics, Rollenspiele, Forschungsaufgaben, Bauanleitungen und vieles mehr. Probiere es aus! Auf diesen Seiten kannst du dich noch weiter in das Thema vertiefen. „Impuls Physik“ hat elf Abschnitte, die jeweils aus 10 Seiten bestehen: (Ausnahme: Abschnitt 11 besteht aus 6 Seiten.) Das kann ich 3 Entstehung und Ausbreitung des Schalls 3 29 28 1 Löse das Rätsel. Bringe danach die Buchstaben der blauen Kästchen in die richtige Reihenfolge. Ein Buchstabe wird für die Lösung doppelt verwendet. 1. Verdichtungen und Verdünnungen der Luft, die sich im Raum ausbreiten 2. Wie nennt man den Schallsender im Kehlkopf des Menschen? 3. Was braucht Schall, damit er sich ausbreiten kann? 4. Wie heißt der Schallempfänger des menschlichen Körpers? 5. Wie nennt man luftleeren Raum? 6. Beim Schaukeln … die Schaukel hin und her. 7. Sind Musikinstrumente Schallsender, Schallleiter oder Schallempfänger? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Lösung: 2 Du spielst mit deinem Handy Musik ab. Erkläre, wie sich der Schall vom Handy bis zu deinem Ohr ausbreitet und wie du die Musik hören kannst. Schwingungen und Schall Ihr sollt zeigen, dass Musik kleine Teilchen bewegen kann. Verwendet dazu die im Bild gezeigten Materialien. • Plant euren Versuch. • Führt ein Versuchsprotokoll (siehe Seite 17). • Formuliert eine Erklärung mit folgenden Satzbausteinen: Im Lautsprecher sind bewegliche Teile, die … Dadurch … • Stellt euren Versuch den anderen Gruppen vor. • Diskutiert untereinander, ob euer Versuchsaufbau den Sachverhalt gut darstellen konnte. Gibt es vielleicht etwas zu verbessern? V3 Musik bewegt B 3 Welches Modell und welche Beschreibung passt zur Schallausbreitung? Kreuze an. Besprecht gemeinsam, warum die anderen Abbildungen nicht zum Schall passen. Alle Luftteilchen schwingen sich vom Schallsender bis zum Schallempfänger. Die Luftteilchen schwingen an ihrem Platz. Dadurch wird die Luft verdichtet und verdünnt. Die vom Schallsender angestoßenen Luftteilchen fliegen zum Schallempfänger. 4 Leon, der kleine Bruder deiner Freundin, meint: „Wenn ich den Radio aufdrehe, dann fliegen die Töne vom Radio an mein Ohr. So kann ich sie hören“. Erkläre Leon, wieso das so nicht richtig ist. 5 Marcel meint zum Versuch V4: „Der Ballon verursacht einen Windstoß, der die Kerze ausbläst“. Erkläre Marcel, warum Schall nicht das Gleiche wie Wind ist. 6 Würde deine „Schallkanone“ auch im Weltall funktionieren? Begründe. 1. Schneide mit der Schere bzw. dem Cutter den Boden deiner Flasche ab. Sei dabei vorsichtig oder bitte einen Erwachsenen um Hilfe! 2. Schneide den schmalen Hals des Luftballons ab und ziehe den Ballon, mit der nun vergrößerten Öffnung, straff über die große Öffnung deiner Flasche. 3. Klebe den Luftballon mit Hilfe des Klebebandes fest. 4. Richte die kleine Öffnung der Flasche auf eine brennende Kerze. Zupfe am Luftballon am anderen Ende der Flasche. Was kannst du hören und beobachten? V4 Schall bündeln Materialien kleine PETFlasche Luftballon Klebeband Kerze Feuerzeug Schere und/oder Cutter Hier kannst du deine Kompetenzen mit Aufgaben und Versuchen festigen. Auf diesen Seiten lernst du ein neues Thema kennen. Hier findest du Wissen zum Thema, Aufgaben zur Erarbeitung und Versuche. 2 Seiten Erarbeitung 2 Seiten Übungen 2 Seiten Erarbeitung 2 Seiten Übungen 2 Seiten Forschen, Finden, Ausprobieren Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
5 Viel Spaß und Erfolg bei der Arbeit mit „Impuls Physik“! Die Aufgaben auf einen Blick Die Aufgaben auf den Übungs-Doppelseiten 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 wo du dir noch schwertust. So findest du dich in Impuls Physik zurecht In der Infobox erfährst du interessante Zusatzinformationen. Die Merkkästen zeigen dir die wichtigsten Inhalte auf einen Blick. Diese Impuls-Aufgaben sollt ihr gemeinsam besprechen. Diesen Versuch kannst du alleine oder in der Gruppe durchführen. Diesen Versuch sollst du zu zweit oder in der Gruppe durchführen. Diesen Versuch soll deine Lehrerin oder dein Lehrer durchführen. ï B Aufgaben mit diesem Zeichen helfen dir, Fachwissen zu festigen und Grundfertigkeiten zu erlernen. Bei diesen Aufgaben kannst du dein erworbenes Fachwissen und deine erlernten Grundfertigkeiten anwenden. Diese Aufgaben fordern dich auf, selbstständige Lösungswege zu finden, etwas zu beurteilen oder es kann notwendig sein, dass du zusätzliche Informationen benötigst, zB aus dem Internet oder aus Nachschlagewerken. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
1 6 Bist du schon einmal an einem warmen Abend auf der Wiese gelegen und hast zum Himmel geschaut? * Bist du vielleicht in Gedanken zum Mond geflogen, oder noch weiter – zu den Sternen? In diesem Kapitel lernst du, was Physik so alles kann und wie sich unsere Welt vor langer Zeit entwickelt hat. * Wenn nicht: Unbedingt einmal ausprobieren! Anfang, heute und Zukunft Was ist Physik? B1 Die Sonne ist ein Stern am Rand der Milchstraße, einer Galaxie mit etwa 100 Milliarden Sternen. Im gesamten Universum gibt es etwa 100 Milliarden Galaxien. Die Himmelsscheibe von Nebra Diese Scheibe aus Bronze und Gold wurde in Deutschland mit einem Metalldetektor gefunden. Sie ist mehrere tausend Jahre alt. Die Menschen bildeten darauf ab, wie sich sich den Mond und die Sterne vorstellten. Was ist Physik? Seit Tausenden von Jahren beobachten Menschen den Himmel. Sie stellen sich dazu Fragen wie diese: • Woraus bestehen die Sterne? Wie sind sie entstanden? • Warum fällt ein Apfel vom Baum, aber der Mond nicht vom Himmel? • Gibt es einen Anfang und ein Ende des Universums? Die Physik ist die Wissenschaft, die sich mit solchen Fragen und Beobachtungen beschäftigt. Physikerinnen und Physiker erforschen, wie das Universum aufgebaut ist. Sie suchen nach Naturgesetzen, um zu erklären, wie alles funktioniert. Schreibe auf einen Zettel drei Fragen, die deiner Meinung nach mit Physik zu tun haben. Besprecht die Fragen gemeinsam. Wir Menschen können die Ergebnisse der Forschung auch nutzen, um uns das Leben zu verbessern und zu erleichtern. Wir können die Naturgesetze aber nicht ändern. Du kennst schon eine andere wichtige Naturwissenschaft: Die Biologie ist die Wissenschaft der lebendigen Natur (Menschen, Tiere und Pflanzen). Auch die Chemie ist eine Naturwissenschaft, der du in der Schule noch begegnen wirst. Die Naturwissenschaft, die die Sterne und das Weltall untersucht, nennt man Astronomie. Unser Platz im All Früher versuchten die Menschen, die Welt durch überlieferte Geschichten zu erklären. Oft wurden Sonne, Mond und Sterne mit Göttern in Verbindung gebracht. Auch über die Form und Größe der Erde gab es verschiedene Vermutungen. Erst vor ungefähr 500 Jahren haben die Menschen erkannt, dass die Erde nicht in der Mitte des Universums steht. Auch in unserem Sonnensystem ist nicht die Erde im Zentrum, sondern die Sonne. Und die Sonne ist nur einer von unzähligen Sternen im Universum (B1). Wie viele Sterne gibt es vermutlich im Universum? Finde einen Hinweis auf dieser Seite und schreibe eine Zahl auf. Heute können wir mit moderner Technik bis in die Tiefen des Weltalls blicken und mit Robotern sogar fremde Planeten erkunden. ï Die Physik ist eine Naturwissenschaft. ï Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Was ist Physik? 1 7 Wie fing alles an? Wir haben heute eine sehr gute physikalische Theorie, wie das Universum entstanden ist und wie es sich seit damals entwickelt. Diese Theorie nennt man Urknall-Theorie. Vor ungefähr 14 Milliarden Jahren gab es ein Ereignis, das man den Urknall nennt. Damals entstand der gesamte Weltraum aus dem Nichts. Alles war auf einen einzigen Punkt zusammengedrückt und unglaublich heiß. Auch die Zeit hat in diesem ersten Moment begonnen. Danach dehnte sich das Universum aus und wurde dabei immer kühler. Es bildeten sich riesige Gaswolken, aus denen die ersten Sterne entstanden. Vor 4 1 _ 2 Milliarden Jahren begann schließlich unsere Sonne zu leuchten. Ungefähr zu dieser Zeit entstanden auch die Planeten in unserem Sonnensystem (B2, B3). Wenn man die 14 Milliarden Jahre seit dem Urknall als ein Jahr darstellt, dann tauchen die Menschen auf der Erde erst am letzten Tag auf, am 31. Dezember. Unser heutiges Leben findet in der letzten Sekunde dieses kosmischen Jahres statt (B4). Das alles ist Physik Die Wissenschaft Physik ist so vielfältig, dass sie in Teilgebiete unterteilt wird. Die Astrophysik zum Beispiel beschäftigt sich mit den Vorgängen im Weltall. In diesem Jahr erfährst du noch viel über die Akustik (Schall, Töne und Hören) und die Optik (Licht und Sehen). Physik heute und in der Zukunft Ohne die Forschung von Physikerinnen und Physikern würde unser Alltag heute ganz anders aussehen. Es gäbe zum Beispiel weder Smartphones, noch (Elektro-)Autos, keinen Laser und kein Internet. Auch bei den großen Herausforderungen unserer Zeit spielt die Physik eine wichtige Rolle, zB bei der Suche nach Lösungen in der Klimakrise. Es gibt viel zu tun für die Forscherinnen und Forscher der Zukunft (B5). Nach der Urknall-Theorie ist das Universum vor ungefähr 14 Milliarden Jahren entstanden. B2 Erst durch die Raumfahrt wurde es für Menschen möglich, die ganze Erdkugel zu sehen. B5 Der Mars-Rover Curiosity fährt mithilfe von Sonnenenergie. Vielleicht fahren so bald auch Autos auf der Erde? B3 Kennst du die Namen der Planeten in unserem Sonnensystem? B4 Auf diesem kosmischen Kalender wird die gesamte Zeit seit dem Urknall als ein Jahr dargestellt. Jänner Februar März April Mai Juni 1.1. Urknall Die Milchstraße entsteht Juli August September Oktober November Dezember Die Sonne und die Planeten unseres Sonnensystems entstehen 31.12. Erste Menschen auf der Erde Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Das kann ich 1 8 1 Kreuze alle Naturwissenschaften an. Zeichne in das große Kästchen jeweils ein einfaches Bild, das dir zu dem Wort einfällt. Physik Astronomie Astrologie Biologie Geschichte Chemie 2 Welche Dinge in deinem Alltag gäbe es ohne die Forschung von Physikerinnen und Physikern nicht? Notiere einige dieser Dinge. Vergleicht eure Listen. 3 Kreuze alle Sätze an, die laut der Urknall-Theorie richtig sind. Das Universum ist ungefähr 14 Millionen Jahre alt. Vor dem Urknall gab es nichts. Seit dem Urknall dehnt sich das Universum aus und erwärmt sich. Die Planeten in unserem Sonnensystem sind ungefähr so alt wie die Sonne. Seit dem Urknall kühlt das Universum ab. Seit dem Urknall wird das Universum nicht größer. Schreibe die falschen Sätze richtig auf: Anfang, heute und Zukunft Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Was ist Physik? 1 9 4 Welches Teilgebiet der Physik passt zum Bild? Was fällt dir zu den Teilgebieten ein? Notiere Stichwörter (Berufe, Gegenstände, Personen …). Bild A: Teilgebiet: Stichwörter: Bild B: Teilgebiet: Stichwörter: Bild C: Teilgebiet: Stichwörter: 5 Plant eine Reise zum Mars. Arbeitet in Vierergruppen. Stellt euch vor, dass ihr an der geplanten Mission auch teilnehmen werdet. Präsentiert schließlich die Ergebnisse der ganzen Klasse. Ihr müsst nicht jedes Detail planen. Euer Vorschlag soll aber die anderen Gruppen überzeugen. Ihr könnt nach der Präsentation abstimmen, welches Projekt euer Favorit ist. Ein paar Stichworte zur Planung: • Recherche (Eine grobe Schätzung: Reisezeit, Raumschiff, Überleben, Kosten, Gefahren …) • Ziel der Mission (Forschungsfragen, Ausrüstung zur Forschung …) • Rollenaufteilung (Welche Fähigkeiten und Kenntnisse werden bei der Reise benötigt?) • Ist eine Rückkehr geplant? Plant auch die Präsentation (Zum Beispiel als Poster, Video, Modell …). Tipp: Blättert durch das Schulbuch. Vielleicht findet ihr auch in den anderen Kapiteln interessante Ideen und nützliche Informationen. A B C Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
1 10 Die Teilchenbeschleuniger in der Forschungsanlage CERN* in der Schweiz sind die größten Maschinen der Welt. Forscherinnen und Forscher finden dort immer mehr über den Anfang und den Aufbau der Welt heraus. In diesem Kapitel lernst auch du etwas über die kleinen Teilchen, aus denen die Welt besteht. Und du erfährst, warum Modelle so hilfreich sind. * Europäische Organisation für Kernforschung Die Bausteine der Welt Woraus besteht die Welt? Nicht nur die Frage nach dem Anfang des Universums beschäftigt die Menschen schon seit Urzeiten. Auch die Suche nach einem „Urstoff“, aus dem alle Dingen bestehen, hat eine lange Geschichte. Der griechische Philosoph Demokrit vermutete schon vor ungefähr 2 500 Jahren, dass alles aus unterschiedlichen winzigen Bausteinen aufgebaut ist (B1). Er nannte diese kleinsten Teilchen Atome. Besteht alles aus Atomen? Unsere heutigen Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass es solche kleinsten Teilchen wirklich gibt. Alles, was du angreifen oder einatmen kannst, ist aus Atomen aufgebaut. Die unterschiedlichen Materialien (Stoffe) entstehen durch die Verbindung von Atomen. Wie das möglich ist, wirst du im Fach Chemie noch genauer lernen. Gibt es überhaupt etwas, das keine Materie ist? Was fällt dir ein? Winke mit der Hand schnell durch die Luft. Was spürst du? Auch die Luft besteht aus vielen kleinen Teilchen. Der Bereich zwischen den einzelnen Atomen ist aber absolut leer. Es gibt allerdings manches, das nicht aus Atomen besteht und trotzdem zur Physik gehört, zum Beispiel Licht, Energie und Kräfte. So klein sind die kleinsten Teilchen Seit ungefähr 150 Jahren ist es technisch möglich, Atome genauer zu untersuchen. Das ist nicht einfach, weil sie so klein sind. Du kannst dir die Größe von Atomen so vorstellen (B2): Vergrößere ein Atom immer weiter, bis es so groß ist wie ein Apfel. Wenn du gleichzeitig ein Sandkorn genauso stark vergrößerst, wird es so groß wie die ganze Erde! Die Bilder von modernen Messgeräten sind keine Fotos, die dir das genaue Aussehen der Atome zeigen. Sie helfen uns aber, den unsichtbaren Aufbau der Welt besser zu verstehen. Alles, was aus Atomen besteht, nennt man Materie. ï ï Einen leeren Bereich ohne Materie nennt man Vakuum. B1 Griechische Philosophen und ihre „Bausteine“ Der kleinste Film der Welt Der kleinste Film der Welt heißt „A Boy and His Atom“. Dafür wurden einzelne Atome gezielt verschoben und mit einem speziellen Mikroskop abgebildet. Es vergrößert um den Faktor 100 Millionen! Sandkorn Atom B2 Ein Atom ist im Vergleich zu einem Apfel so klein wie ein Sandkorn zur ganzen Erde. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Was ist Physik? 1 11 Ein Modell der Wirklichkeit Viele Vorgänge in unserer Welt sind so klein oder so groß, dass wir sie mit den Augen nicht sehen können. Manche sind so kompliziert, dass wir uns nicht vorstellen können, was passiert. In solchen Fällen ist ein Modell hilfreich (B3). Du kennst Modelle als verkleinerte oder vergrößerte Darstellungen eines Gegenstands (zB eine Modelleisenbahn). In der Wissenschaft werden komplizierte Vorgänge in einem vereinfachten Modell dargestellt. Alles, was nicht für die Erklärung gebraucht wird, wird in dem Modell weggelassen. Wenn man zB die Bewegung eines Vogelschwarms erforschen möchte, genügt es, jeden Vogel als Punkt darzustellen (B4). Mit einem Modell können Zusammenhänge leichter verstanden werden. So können sichtbare Beobachtungen in der Welt erklärt werden, die ohne das Modell unerklärlich sind. Das Modell ist aber immer nur ein Hilfsmittel und stellt nicht die Wirklichkeit dar. Das Teilchenmodell Die Darstellung der kleinsten Teilchen als Kügelchen ist ein Beispiel für ein Modell. Man kann so zum Beispiel die Veränderung von Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen gut erklären. Flüssiges Wasser, Eiswürfel und heißer Wasserdampf bestehen aus den gleichen Teilchen. Die Eigenschaften sind aber ganz unterschiedlich. • Eis besteht aus Teilchen, die sich sehr wenig bewegen und stark zusammenhalten. Es ist daher ziemlich fest (und kalt). • Bei einer höheren Temperatur bewegen sich die Teilchen schneller. Sie halten nicht mehr so gut zusammen. Das Eis schmilzt und wird zu flüssigem Wasser. • Wenn sich die Teilchen noch schneller bewegen, dann stoßen sie häufig mit anderen Teilchen zusammen. Sie werden in alle Richtungen geschleudert und brauchen viel mehr Platz. Das Wasser wird gasförmig, genauer zu Wasserdampf (B5). Wasser kommt in drei Zustandsformen (Aggregatzuständen) vor: fest, flüssig und gasförmig. B3 In Computerspielen wird ein Modell einer künstlichen Welt aufgebaut, die nach bestimmten Regeln funktioniert. B4 In einem Modell des Vogelschwarms wird jeder Vogel nur als Punkt dargestellt. B5 Bei einem Geysir kann man Wasser in allen drei Aggregatzuständen finden. fester Zustand flüssiger Zustand schmelzen erstarren verdampfen kondensieren gasförmiger Zustand Eis flüssiges Wasser Wasserdampf B6 Diese Bilder stellen die Wasserteilchen als Kugeln dar. Das ist ein Modell. Die Form, die Größe und die Abstände der Teilchen sehen „in Wirklichkeit“ nicht so aus. Die unterschiedlichen Aggregatzustände sind in dieser Modelldarstellung aber gut erkennbar. So kannst du sie besser verstehen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Das kann ich 1 12 1 Ergänze die fehlenden Begriffe in der Grafik. 2 Beantworte folgende Frage und begründe deine Antwort: Ist Luft Materie? Ja, weil Nein, 3 Streiche die falschen Wörter durch, so dass richtige Sätze entstehen. Eis und flüssiges Wasser bestehen aus den gleichen / anderen Teilchen. Die Teilchen im Eis bewegen sich schneller / langsamer als Teilchen in flüssigem Wasser. Die Teilchen im Eis halten fester / weniger fest zusammen als Teilchen in flüssigem Wasser. Zwei Aggregatzustände von Wasser sind unten abgebildet. Der dritte Aggregatzustand ist: Eis / flüssiges Wasser / Wasserdampf. Zustand flüssiger Zustand schmelzen Zustand Die Bausteine der Welt Erhitze so viel Wasser, wie in ein Glas passt (zum Beispiel mit einem Wasserkocher). Fülle in ein Glas kaltes Wasser und in das andere Glas heißes Wasser. Schneide von einer Tintenpatrone vorsichtig das obere Ende ab (oder lasse dir dabei helfen). Drücke 2–3 Tropfen Tinte in jedes Glas. Lasse die Gläser dann ruhig stehen. Was beobachtest du? Erkläre, wie deine Beobachtung mit der Bewegung der Teilchen zusammenhängt. V1 Unsichtbares sichtbar machen – Teilchen in Bewegung Materialien 2 Gläser Wasser und Kochmöglichkeit 1 Tintenpatrone Schere Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Was ist Physik? 1 13 Materialien Maisstärke 1 kleine Schüssel 1 Esslöffel Wasser (ca. 100 ml) Gib fünf gehäufte Esslöffel Maisstärke in die Schüssel. Gieße langsam Wasser dazu und rühre immer wieder langsam um, bis sich eine gleichmäßige, zähe Substanz gebildet hat. Untersuche jetzt die Eigenschaften des Schleims. Verwende dazu auch den Löffel. Notiere deine Beobachtungen. Zu welchem Aggregatzustand passen deine Beobachtungen? Begründe deine Antwort. V2 Ein besonderer Schleim Tipp: Führe diesen Versuch im Freien durch oder decke deine Arbeitsfläche mit Zeitungspapier gut ab. 4 Löse das Kreuzworträtsel. Waagrecht: 1 Absolute Leere 4 „Gasförmig“ ist ein … 6 Eine vereinfachte Darstellung von Gegenständen, Vorgängen und Zusammenhängen Senkrecht: 2 Besteht aus Atomen 3 Ein anderes Wort für Material 4 Kleines Teilchen 5 Griechischer Philosoph 1 2 3 4 5 6 5 Gestalte selber ein Kreuzworträtsel mit anderen Begriffen aus diesem Abschnitt. Tauscht in der Klasse eure Rätsel aus und gebt euch Tipps für die Lösung. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Forschen – Finden – Ausprobieren 1 14 Ein Modell des Sonnensystems Aufgabe: Baut in Kleingruppen ein Modell unseres Sonnensystems. Planung und Vorbereitung: • Welche Materialien werdet ihr verwenden? Zum Beispiel: Styroporkugeln, einfacher weißer Karton, vorhandene Gegenstände (als Platzhalter für die Planeten), Software zur 3D-Modellierung (digital) • Wie baut ihr das Sonnensystem auf? Möglichkeiten: Aufhängen, Aufbau auf einer Styroporplatte, Kleben auf ein Poster • Welche Materialien benötigt ihr zusätzlich? Wer organisiert die Materialien? • Wollt ihr außer den Planeten noch andere Objekte darstellen? • Wie teilt ihr die Arbeit auf? • Wichtig: Macht einen Zeitplan. Achte darauf, dass dein Beitrag zum ausgemachten Zeitpunkt fertig ist. Gebt euch gegenseitig Feedback. Präsentation: Präsentiert alle Modelle in der Klasse. Recherche: • Informiert euch über die Größe und die Abstände der Planeten. Wie werdet ihr diese Größen sinnvoll im Modell darstellen? • Recherchiert die Namen und Besonderheiten der Planeten. Macht euch Notizen. • Als Extra: Gestaltet zu jedem Planeten ein kleines Schild mit den wichtigsten Informationen. Beantworte diese Fragen und besprecht sie gemeinsam: • Was ist im Modell genauso wie in der Wirklichkeit? Was ist ähnlich und was ganz anders? • Ist eines der Modelle besser als die anderen? Begründe deine Antwort. • Was hast du Neues über das Sonnensystem gelernt? • Was hast du über den Bau von Modellen gelernt? Würdest du das nächste Mal etwas anders machen? Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Was ist Physik? 1 15 Lest zur Vorbereitung die beiden kurzen Artikel. Technik macht vieles möglich Wählt jetzt in der Klasse einen der beiden Artikel aus. Bereite dich auf eine Diskussion vor, in der eine Entscheidung getroffen werden soll: Wollt ihr diese Technologie an eurer Schule einsetzen? Mache eine Liste mit Argumenten für und gegen einen Einsatz. Was spricht dafür? Was spricht dagegen? In der Diskussion übernimmt eure Lehrerin oder euer Lehrer die Moderation. Nachdem alle Argumente gehört wurden, trefft ihr mit einer Abstimmung eine Entscheidung. So könnt ihr weitermachen: Findet ähnliche Berichte über Neuigkeiten aus Forschung und Technik, die Vorteile und Nachteile haben. Bringt sie in die Schule mit und diskutiert darüber. Mit dem Robotor-Avatar zurück in die Schule Kinder, die schwer krank sind, können nicht wie andere in die Schule gehen. In manchen Ländern gibt es jetzt eine neue Möglichkeit, wie sie trotzdem am Unterricht teilnehmen können. Die kranken Kinder werden in der Klasse durch einen ca. 30 Zentimeter großen Roboter vertreten, der ein Mikrofon und eine Kamera eingebaut hat. So können sie von zuhause aus oder im Krankenhaus hören und sehen, was in der Klasse gemacht wird. Über einen Lautsprecher können sie auch mitreden. Die Roboter werden meistens mit Stickern geschmückt oder zum Beispiel mit einer persönlichen Kappe angezogen. So wird der Roboter ein ‚Avatar‘ – ein Stellvertreter in der Klasse – und für die anderen ist es fast so, als wäre das Kind selbst wieder bei ihnen. Auch in Österreich soll diese Technologie bald angeboten werden. Ein Hindernis könnten die Kosten sein: Diese betragen ungefähr 200 Euro pro Monat. Robi, mein Lehrer Deutsche Forscherinnen und Forscher haben einen Roboter entwickelt, der eine emotionale Intelligenz besitzt. Er kann angeblich Gefühle und Stimmungen erkennen und darauf reagieren. Dieser Roboter soll in Schulen zum Einsatz kommen und Lehrkräfte unterstützen. Dort wird er gelangweilte, gestresste oder überforderte Kinder erkennen und sie zum Weiterlernen motivieren. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
2 16 Die Naturwissenschaften haben das Ziel, die Natur zu erforschen. Manche Technologien sind durch eine direkte Nachahmung der Natur entstanden. Das nennt man Bionik. In diesem Kapitel erfährst du, wie du die ersten Schritte von einer Idee zu einer möglichen Erfindung machen kannst. Forschen und Experimentieren Wie funktioniert Forschung? Wissenschaftlich oder nicht? „Wenn ich es mir sehr wünsche, dann wird der Schneemann nie schmelzen“ ist keine Hypothese. Es gibt keinen Grund anzunehmen, dass ein Wunsch einen Einfluss auf das Schmelzen von Schnee hat. Eine Hypothese wäre: „Wenn die Sonne auf den Schneemann scheint, dann wird er schmelzen.“ (Du weißt bereits, dass Wärme den Aggregatzustand ändern kann.) Tipp: Oft kannst du eine Hypothese als „Wenn – dann – weil“ oder „je – desto“ Satz formulieren. B1 Ingenieurinnen und Ingenieure sind technische Fachleute. Eine technische Ausbildung führt in viele spannende und gut bezahlte Berufe. Popcorn statt Kampfflugzeug Du hast sicher schon Geschichten gehört, wie manche wichtigen Entdeckungen eher zufällig gemacht wurden. Ein Beispiel dafür ist die Mikrowelle. Angeblich bemerkte ein amerikanischer Ingenieur (B1) bei der Arbeit am Radar eines militärischen Flugzeugs, dass der Schokoriegel in seiner Hosentasche geschmolzen war. Das brachte ihn auf die Idee, die Strahlung gezielt zum Erwärmen von Essen zu verwenden. Hältst du die Geschichte mit dem Schokoriegel für glaubhaft? Finde eine verlässliche Quelle, um sie nachzuprüfen. Solche glücklichen Zufälle sind allerdings eine Ausnahme. Geforscht wird heute meistens nach Plan und in Teamarbeit. Durch weltweite Zusammenarbeit und durch immer mehr gesammeltes Wissen geht der Fortschritt immer schneller. Was ist eine Hypothese? Der Ingenieur mit dem Schokoriegel hatte die Vermutung, dass Schokolade schmilzt, wenn sie in die Nähe von Radarstrahlung kommt. Diese Vermutung hatte er aber nicht aus dem „Nichts“. Sein gutes physikalisches Wissen half ihm dabei. Die Begründung ist ein physikalischer Zusammenhang zwischen der Ursache und der Wirkung (siehe Infobox). Stelle eine Vermutung auf, die keine wissenschaftliche Hypothese ist. Eine Mitschülerin oder ein Mitschüler erklärt, warum das keine Hypothese ist. Tauscht dann die Rollen. Experimente sind wissenschaftliche Versuche. Sie sind eine gute Methode, um Hypothesen vorläufig zu bestätigen oder zu widerlegen. So wie es nicht nur eine Wissenschaft gibt, so gibt es auch nicht nur eine wissenschaftliche Methode. Das Verhalten von Kleinkindern wird anders erforscht als die Entstehung von Sternen. ï Eine wissenschaftliche Vermutung nennt man Hypothese. Eine Hypothese muss begründet, überprüfbar und wiederholbar sein. ï Aus vielen bisher bestätigten Hypothesen entsteht schließlich eine wissenschaftliche Theorie. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Wie funktioniert Forschung? 2 17 Auch in der Physik können die Methoden im Detail sehr verschieden sein. Unterschiedliche Methoden können zum selben Ziel führen. So gelingt dein Experiment Alle wissenschaftlichen Forschungsmethoden haben aber etwas gemeinsam: Das systematische Vorgehen. Das kannst du auch schon bei Versuchen in der Schule üben. Einiges ist dabei immer wichtig. • Bereite dich gut vor, lies die ganze Versuchsanleitung durch. Hast du alle Materialien griffbereit? • Musst du Gefahren berücksichtigen und vielleicht eine Schutzbrille aufsetzen? • Meistens ist ein Versuchsprotokoll sinnvoll. Dort schreibst du auf, was du genau machst und beobachtest. Oft ist auch eine Skizze hilfreich. Eine Skizze ist eine einfache Zeichnung. Manchmal wirst du einen kleinen Versuch machen, mit dem Ziel ein physikalisches Prinzip besser zu verstehen. Du beobachtest dabei etwas Sichtbares in der Welt, ein Phänomen. Deine Aufgabe ist dann: • Beschreibe deine Beobachtung möglichst genau. • Versuche eine Erklärung zu finden. Nutze dazu dein physikalisches Wissen. Wenn du schon mehr Vorwissen hast, solltest du dir vor dem Experiment eine genaue Forschungsfrage überlegen und eine Hypothese formulieren. Bei diesem Schritt kann eine Recherche (im Internet) hilfreich sein. Nach dem Experimentieren vergleichst du dann das Ergebnis mit deiner Hypothese (B2). Wenn das Ergebnis anders als erwartet ist: Überlege, warum das so sein könnte. Ist das fair? Die Forschungsfrage zum Bild B3 lautet: Springt ein Tischtennisball oder ein Golfball höher? Was müsste die Lehrerin ändern, damit der Test der Bälle „fair“ ist? Oft ist es das Ziel eines Versuchs, einen Zusammenhang zu erforschen. Wenn du mit deinem Versuch Zusammenhänge erforschen willst, dann beachte: • Ändere immer nur eine Sache (zB das Material des Balls). • Stelle sicher, dass alles andere gleichbleibt. „Alles andere“ bedeutet: Alles, was einen zusätzlichen Einfluss auf das Ergebnis haben könnte (zB die Höhe, aus der der Ball fällt). • Dann planst du Messungen, die zu deiner Forschungsfrage passen. Alles auf einen Blick Experimente kannst du auch mit Fotos, Skizzen oder einem Video dokumentieren. Auch die Zahlen aus deinen Messungen lassen sich bildlich darstellen. Dabei hilft dir ein Diagramm, dass du am besten mit einem Computerprogramm erstellst (B4). Auf die x-Achse des Diagramms schreibst du das, was du bei jeder Messung verändert hast (zB die Art des Balls). Auf der y-Achse sieht man den Messwert (zB die Sprunghöhe). ï B3 Die Lehrerin lässt die beiden Bälle aus unterschiedlicher Höhe fallen. B2 vereinfachtes Beispiel, wie die Forschung in der Physik ablaufen kann Beobachtung Frage Hypothese (überprüfbar) Experiment (wiederholbar) Ergebnis (und Interpretation) Das Ergebnis bestätigt die Hypothese (vorläufig). Die Hypothese wird durch das Experiment widerlegt. neu entweder oder B4 So kann ein Diagramm zu deiner Messung aussehen. Sprunghöhe / cm 30 25 20 15 10 5 0 Tischtennisball Golfball Gummiball Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Das kann ich 2 18 1 Welche Beschreibung passt zu welchem Fachwort? Schreibe die richtigen Buchstaben zu den Wörtern und finde das Lösungswort. 2 Was meinst du zu dem Bild? Ist das ein fairer Versuch? Besprecht eure Überlegungen dazu. Forschen und Experimentieren N Methode zur vorläufigen Bestätigung von Vermutungen G Technische Fachfrau/ technischer Fachmann L Technische Nachahmung der Natur I Eine einfache Zeichnung (zum Beispiel in einem Versuchsprotokoll) E Eine wissenschaftliche Vermutung A Etwas Sichtbares in der Welt Ingenieurin/ Ingenieur Hypothese Experiment Skizze Phänomen Bionik „Wir wollen herausfinden, ob Mädchen oder Buben schneller laufen. Ihr startet beide zum selben Zeitpunkt.“ Schneide aus der Folie einen kleinen Fisch aus. Lege den Fisch auf verschiedene Oberflächen und deine Hand. Beobachte, was passiert. Verwende deine Beobachtungen, um eine Hypothese aufzustellen: V1 Der Wunderfisch Materialien Zellophan-Folie (reines, unbeschichtetes Zellglas, keine andere Kunststofffolie) Schere „Wenn ich den Fisch in meine Hand lege, dann weil .“ Überprüfe deine Hypothese: Führe den Versuch mehrmals auf verschiedenen Oberflächen durch. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Wie funktioniert Forschung? 2 19 3 Betrachte die Abbildungen. Was ändert sich jeweils von Bild zu Bild? Was bleibt gleich? Welche Zusammenhänge kannst du entdecken? Besprecht eure Überlegungen zu zweit. a) b) 4 Kreuze nur die Aussagen an, die eine Hypothese sein können. Tipps: • Lies auf Seite 16 nach, was für eine Hypothese gelten muss: Es ist hier nicht die Aufgabe, falsche Sätze zu finden. • Nicht jede Hypothese muss mit dem Wort „Wenn“ beginnen. Begründe, warum die nicht angekreuzten Aussagen keine Hypothesen sein können. Wenn sich der Fisch (aus Versuch V1) in deiner Hand einrollt, dann bist du verliebt. Schatten sind am Abend länger als zu Mittag. An meinem Geburtstag bekomme ich keine Hausübung. Wenn man eine Sternschnuppe sieht, dann wird ein Wunsch erfüllt. In einem schwarzen T-Shirt wird es wärmer als in einem weißen. Knoblauch schützt vor Vampiren. 5 In deinem Alltag verwendest du ständig Technik und Hilfsmittel, die von Forscherinnen und Forschern entwickelt wurden. Nenne ein Beispiel und recherchiere, wie dazu geforscht wurde bzw. wird. Du kannst auch ein Plakat gestalten und/oder ein Referat dazu halten. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
2 20 Man nehme 500 g Mehl, 170 g Butter, 100 ml Milch, Äpfel in 2 cm großen Stücken … und backe das Ganze 60 bis 75 Minuten lang bei 180 °C. Hast du schon einmal einen Kuchen nach einem solchen Rezept gebacken? Darin kannst du richtig viel Physik finden! In diesem Kapitel lernst du, wie du physikalische Messgrößen richtig verwenden und aufschreiben kannst. Die Vermessung unserer Welt Mehr als Kuchenbacken: Messgrößen und Maßeinheiten Kuchenbacken würde ohne Physik nicht funktionieren. Nur wenn du die Angaben im Rezept richtig verwendest, wird der Kuchen gelingen. Wenn du Mehl abwiegst, zeigt die Küchenwaage zB „500 g“ an. Das ist ein Messwert, der sich aus einer Maßzahl (500) und einer Maßeinheit (g für Gramm) zusammensetzt. Insgesamt gibt es nur sieben grundlegende Messgrößen (kurz: „Größen“). Vier dieser Größen hast du schon in der Schule kennengelernt: Die Länge, die Masse, die Zeit und die Temperatur. Achtung! Im Alltag bedeutet „Größe“ etwas anderes als bei einer physikalischen Messung. Was ist der Unterschied? Länge Zum Messen braucht man immer einen Vergleich. Die ersten Maße wurden vom menschlichen Körper abgeleitet. Früher wurde die Elle als Längenmaß verwendet, das ist ca. die Länge eines Unterarms (B1). In englischsprachigen Ländern ist heute noch die Maßeinheit „foot“ (Fuß) gebräuchlich. Die Basis-Maßeinheit der Länge ist heute der Meter (m). In manchen Ländern sind heute noch andere Maßeinheiten üblich. Warum kann das ein Problem sein (B2)? Masse Alles, was aus Materie besteht, hat eine Masse. Die Maßeinheit der Masse wurde von Physikerinnen und Physikern festgelegt. Seit dem Jahr 2018 verwendet man dazu eine Kugel aus reinstem Silizium (B3). Die Masse dieser Kugel entspricht genau einem Kilogramm (kg). Achtung: Masse und Gewicht sind physikalisch nicht dasselbe. Dein Gewicht ist die Folge der Anziehungskraft zwischen der Masse der Erde und der Masse deines Körpers. Auch die Wörter Maße und Masse kann man leicht verwechseln. Erkläre einer Mitschülerin oder einem Mitschüler den Unterschied. Physikalische Messgrößen sind physikalische Eigenschaften, die man messen kann. Ein Messwert besteht aus einer Maßzahl und einer Maßeinheit. ï ï ï B2 Dieselbe Länge kann in unterschiedlichen Maßeinheiten gemessen werden. Schreibe bei Messgrößen daher immer die Einheit dazu. B3 Die Siliziumkugel hat eine Masse von exakt einem Kilogramm. B1 Schon im alten Ägypten wurden Körperteile zum Messen verwendet. Fuß Elle Handbreite Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Wie funktioniert Forschung? 2 21 B4 In einer Pendeluhr misst das regelmäßige Schwingen des Pendels die Zeit. B6 Die Bauteile auf Computerchips sind wenige Nanometer klein. B5 Mit einem Fieberthermometer misst man die Körpertemperatur. Früher verwendete man analoge Thermometer, heute sind diese oft digital. Zeit Regelmäßige Vorgänge in der Natur machen es möglich, die Zeit zu messen (B4). Die Dauer einer vollen Umdrehung der Erde um ihre eigene Achse dauert einen Tag (24 Stunden). Jede Stunde wird weiter in 60 Minuten unterteilt und jede Minute in 60 Sekunden. Das macht die Umrechnung von Zeiteinheiten etwas komplizierter. Rechne im Kopf 100 Zentimeter in Meter um. Rechne danach 100 Minuten in Stunden um. Was fällt dir leichter und warum? Temperatur Die Temperatur hängt mit der Bewegung der kleinsten Teilchen zusammen. Bei einer gewissen Temperatur ändert sich der Aggregatzustand. Gefrorenes Wasser wird bei der Erwärmung auf 0 °C flüssig (es schmilzt). Flüssiges Wasser verdampft bei 100 °C (es siedet). Ein Hundertstel der Temperaturänderung zwischen dem Schmelzen und dem Sieden nennt man ein Grad Celsius (°C). Mit Thermometern kannst du die Temperatur messen (B5). Geschwindigkeit Weitere Messgrößen lassen sich aus den anderen ableiten, zB die Geschwindigkeit. Wenn die Richtung einer Bewegung keine Rolle spielt, dann sprechen wir vom Tempo. Ein Rennauto, das in einer Stunde 300 Kilometer weit kommt, fährt mit einem Tempo von 300 Kilometern pro Stunde (km/h). Die Maßeinheit des Tempos setzt sich also zusammen aus den Einheiten von Wegstrecke (Länge) und Zeitdauer. Von Nano bis Giga Die Physik beschreibt die Welt vom Kleinsten bis zum Größten. Es werden daher Maßeinheiten in unterschiedlichen Größenordnungen benötigt. Sicher kennst du die Vorsilbe Kilo (tausend). Milli hingegen bedeutet: Ein Tausendstel. Nano gibt noch kleinere Größenordnungen an: ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter (B6). Ein Computer kann viele Mega-, Giga- oder Terabyte an Daten speichern (Millionen, Milliarden oder sogar Billionen Bytes). Bits und Bytes sind Maßeinheiten von digital gespeicherten Informationen. ï Materialien 1 Lineal Halte das Lineal am oberen Ende und lass es nach unten hängen. Eine weitere Person hält Daumen und Zeigefinger um das untere Ende des Lineals. Lass das Lineal fallen. Die andere Person fängt es mit den beiden Fingern auf. Lies die Falltiefe an der Stelle der Finger ab. Wer hat die schnellste Reaktionszeit in der Klasse? Besprecht miteinander: Wie ist es möglich, dass ihr die Reaktionszeiten ohne Uhr vergleichen könnt? V2 Die Zeit mit dem Lineal messen B Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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