Impuls Physik 4, Schulbuch

Impuls Physik 4

Impuls Physik 4, Schulbuch + E-Book Schulbuchnummer: 225753 Impuls Physik 4, Schulbuch E-Book Solo Schulbuchnummer: 225754 Mit Bescheid des Bundesministeriums für Bildung vom 15. September 2025, GZ 2024-0.902.053, 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 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: Abschnitte 1-3, 10-11: 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. Müller, Rainer (Hrsg., 2011): Schülervorstellungen in der Physik. Festschrift für Hartmut Wiesner. Unter Mitarbeit von Hartmut Wiesner. Hallbergmoos: Aulis-Verlag. H. Muckenfuß (2003). Themen oder Kontexte als Strukturelemente des naturwissenschaftlichen Unterrichts. Plus Lucis 2/2003. Abschnitt 3-5: 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. Abschnitte 6-9: S. Zloklikovits (2022). Elektromagnetische Strahlung in der Sekundarstufe I unterrichten. Handreichung für Lehrpersonen. Universität Wien. https://aeccp.univie.ac.at/lehrer-innen/unterrichtskonzeptionen/ (Abgerufen am 12.07.2023) Der Bild- und Illustrationsnachweis ist auf der hinteren Umschlaginnenseite zu finden. 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. Umschlagbilder: Ritthichai / Getty Images - iStockphoto; Vladimir Vladimirov / Getty Images Redaktion: Philipp Krammer, Wien Herstellung: Oleksandra Toropenko, 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 978-3-209-12341-1 (Impuls Physik SB 4 + E-Book) ISBN 978-3-209-12877-5 (Impuls Physik SB 4 E-Book Solo) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

www.oebv.at Bibiane Blauensteiner Verena Margl Andrea Micko Impuls Physik 4 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 imph4 ein und los geht’s! www.esquirrel.at Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

2 Wie arbeite ich mit diesem Buch? Das Wetter 3 Forschen – Finden – Ausprobieren 3 35 34 Verfasse einen Wetterbericht Die Grafik zeigt das Wetter der nächsten Tage für den Ort „Wetterstein“. Schau sie dir genau an und verfasse dazu einen Wetterbericht. Wie wird das Wetter morgen? Erstelle einen Wetterbericht. In diesem sollen Sonnenscheindauer, Bewölkungsgrad, Niederschlagsart, Niederschlagsmenge, Windstärke und Windrichtung vorkommen. Verwende dazu verschiedene Wetter-Apps (zB die Wetter-App deines Smartphones, die App Windy.com …). Achte beim Herunterladen von Apps darauf, dass keine versteckten Kosten anfallen! Welche App findest du am einfachsten in der Verwendung? Würdest du sie auch weiterhin nutzen? Begründe deine Entscheidung. Do 24°/ 18° leichtes Gewitter 31.05. 90% NW 11 km/h 5,1 l/m2 Fr 23°/ 19° leichter Regen 01.06. 20% NW 15 km/h 0,5 l/m2 Sa 25°/ 19° leicht bewölkt 02.06. 15% W 15 km/h 0,1 l/m2 So 26°/ 19° sonnig 03.06. 0% NW 7 km/h 0,1 l/m2 Tipps Auf den vorigen Seiten findest du die Informationen zu den unterschiedlichen Einträgen. Die verschiedene Bewölkungsgrade kannst du der rechtsstehenden Tabelle entnehmen. Werte deine Daten aus. Welche Gemeinsamkeiten kannst du an verschiedenen Tagen erkennen? Welche Zusammenhänge verschiedener Werte und der anschließenden Wetterveränderung kannst du erkennen? Erstelle dazu auch Diagramme (zB Liniendiagramme) von Temperatur, Windgeschwindigkeit, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck und vergleiche sie miteinander. Trage die Werte dafür in ein geeignetes Computerprogramm (zB Excel) ein. Hat eine Mitschülerin oder ein Mitschüler das Tagebuch am gleichen Ort geführt? Vergleicht eure Werte. Sollten sie voneinander abweichen, versucht mögliche Gründe dafür zu finden. Bedeckung des Himmels Bezeichnung 0 wolkenlos ¼ heiter ½ wolkig ¾ stark bewölkt 1 bedeckt Mein Wettertagebuch Beobachte das Wetter für mindestens zwei Wochen und trage die Werte täglich in die Tabelle auf der nächsten Seite ein. Verwende dafür immer das gleiche Messgerät und die gleiche App und miss immer am gleichen Standort und zur selben Zeit. An diesem Ort habe ich das Wetter gemessen: Zu dieser Tageszeit habe ich gemessen: Diese Messgeräte habe ich dafür verwendet: Diese App hat mich dabei unterstützt: Datum Bewölkungsgrad Niederschlag Temperatur Windgeschwindigkeit Relative Luftfeuchtigkeit Luftdruck Erarbeitungs-Doppelseite Das Wetter 3 3 31 30 Wolken und Niederschläge „Oh nein, es hagelt!“, meint Simon. „Unsinn, das ist ein Graupelschauer.“, korrigiert ihn seine Schwester. „Aber es sieht aus wie Hagel, oder doch wie Schnee? Aber im Sommer? Das kann doch nicht sein?“ Simon ist sich unsicher. Ist es nun Graupel, Schnee, Hagel oder Regen? Wie unterschiedliche Formen von Niederschlag entstehen, erfährst du in diesem Kapitel. Was versteht man unter Luftfeuchtigkeit? Nicht nur der Luftdruck, sondern auch die Luftfeuchtigkeit spielt eine wichtige Rolle in der Entstehung des Wetters. Der Wasserdampf entsteht durch die Verdunstung von Wasser, vor allem aus Meeren, Seen und anderen Gewässern (siehe Infobox). Woraus kann Wasser noch verdunsten? Nennt gemeinsam einige Quellen an Land. Die absolute Luftfeuchtigkeit wird in g/m3 angegeben. Sie gibt an, wie viel Gramm Wasser in einem Kubikmeter Luft vorhanden ist. Luft kann nur eine begrenzte Menge an Wasserdampf aufnehmen. Je höher die Lufttemperatur ist, desto mehr Wasserdampf kann die Luft aufnehmen. Das beeinflusst auch unser Temperaturempfinden. Eine hohe Luftfeuchtigkeit fühlt sich im Sommer „drückend schwül“ an. Wintertage mit wenig Luftfeuchtigkeit wirken „klirrend“ kalt. Die relative Luftfeuchtigkeit wird in Prozent angegeben. Man sagt, die Luft ist gesättigt, wenn sie die größtmögliche Menge an Wasserdampf aufgenommen hat. Sie kann dann keinen Wasserdampf mehr aufnehmen, dh in gesättigte Luft zugefügter Wasserdampf kondensiert zu flüssigem Wasser. Gesättigte Luft hat eine relative Luftfeuchtigkeit von 100 %. Eine relative Luftfeuchtigkeit von 50 % bedeutet, dass in der Luft halb so viel Wasserdampf vorhanden ist, wie sie maximal aufnehmen kann. Die relative Luftfeuchtigkeit wird mit einem Hygrometer gemessen. Manche Thermometer sind mit einem Hygrometer kombiniert (B1). Verdunstung von Wasser Bei der Verdunstung geht Wasser vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über, ohne dass es dabei die SiedeTemperatur erreicht (siehe auch S. 10). Wasserdampf gelangt dabei in die Atmosphäre. Die Sonnenstrahlung überträgt Energie an das Wasser und die Luft, daher steigt deren Temperatur. So wird die Verdunstung angetrieben: Je höher die Temperatur des Wassers ist, desto schneller bewegen sich die Wasserteilchen und desto mehr davon können das flüssige Wasser verlassen. Bei höherer Lufttemperatur kann die Luft außerdem mehr Wasserdampf aufnehmen. B1 Eine Wetterstation zeigt Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit im Innen- und Außenbereich von Gebäuden an. Die Luftfeuchtigkeit gibt an, wie viel gasförmiges Wasser (Wasserdampf) sich in der Luft befindet. ï Man unterscheidet die absolute und die relative Luftfeuchtigkeit. Hauche gegen eine Glasscheibe. Die Luftfeuchtigkeit in deinem Atem kondensiert an der Scheibe. Wische die Scheibe mit einem Tuch ab. Stelle eine begründete Vermutung auf: Was wird sich verändern, wenn du zuvor einen Schluck Wasser trinkst? Warum? Überprüfe deine Vermutung. V3 Bringst auch du Wasser in die Atmosphäre? Materialien Glasscheibe Glas mit Wasser Tuch Wie entstehen Wolken? Wenn aufsteigende feuchte Luft in kühleren Schichten der Atmosphäre abkühlt, sinkt die Menge an Wasserdampf, welche die Luft maximal aufnehmen kann. Die absolute Luftfeuchtigkeit bleibt konstant, während die relative Luftfeuchtigkeit zunimmt. Die Temperatur, ab dem die Luft gesättigt ist, nennt man Taupunkt: Die relative Luftfeuchtigkeit beträgt bei dieser Temperatur 100 %. Sinkt die Temperatur unter den Taupunkt, beginnt der Wasserdampf in der Luft zu kondensieren oder zu resublimieren. Rund um kleine Teilchen (zB Staub, Pollen) bilden sich kleine Wassertröpfchen, bei ausreichend niedrigen Temperaturen auch Eiskristalle. Diese Ansammlungen sind für uns mit freiem Auge sichtbar: Als Wolken oder Nebel. Wie entsteht Niederschlag? Welche Arten von Niederschlägen kennst du? Besprecht und sammelt Begriffe zu zweit. Die häufigste Form des Niederschlags ist Regen und Schnee. Beides entsteht in den Wolken. In den kalten Luftschichten der Atmosphäre bestehen die Wolken hauptsächlich aus Eiskristallen, die bei hoher Luftfeuchtigkeit der Luft wachsen. Werden die Eiskristalle groß genug, fallen sie als Schneeflocken zur Erde. Wenn die Lufttemperatur auf dem Weg zur Erde ausreichend hoch ansteigt, schmelzen die Schneeflocken (B2) und werden zu Regentropfen. In tropischen Gebieten entsteht Regen auch in Wolken, die nur aus Wassertropfen bestehen. Dabei wachsen die Wassertropfen so weit an, bis sie so schwer werden, dass sie zu Boden fallen. Frieren Wassertropfen an Schneekristallen fest, bilden sich kleine Klumpen. Diese sind etwa 5mm groß und werden Graupel genannt. Werden Graupel durch Wind innerhalb der Wolke immer wieder in die Höhe getrieben, frieren immer mehr Wasserteilchen an ihnen fest. Hagel entsteht. Hagelkörner können einige Zentimeter Durchmesser haben und dadurch schwere Schäden verursachen. Zur Hagelabwehr werden auch sogenannte Hagelflugzeuge eingesetzt. Der Nutzen dieser Maßnahme ist umstritten. Sucht zu zweit nach Quellen dazu und bewertet ihre Verlässlichkeit ( S. 46). Würdet ihr Hagelflieger einsetzen? Begründet euren Entschluss. Die Regenmenge, die in einer bestimmten Zeit auf die Erde fällt, wird in l/m2 (Liter pro Quadratmeter) angegeben. Sie wird mit Hilfe eines Niederschlagsmessers gemessen (B3). Kondensstreifen Damit hinter einem Flugzeug Kondensstreifen entstehen können, muss die Luft um das Flugzeug herum die richtige Luftfeuchtigkeit und Temperatur besitzen. Wie bei der Wolkenbildung kondensiert oder resublimiert der ausgestoßene Wasserdampf an Abgasteilchen und bildet die bekannten Streifen. Wolken sind Ansammlungen aus Wassertröpfchen oder Eiskristallen (oder aus beidem) in der Luft. Wolken, die sich nahe dem Erdboden befinden, nennt man Nebel. B2 Jede Schneeflocke hat ihre eigene Form. Keine sieht genau gleich aus wie eine andere. Beim Fallen kann sie noch weiterhin Wasser aufnehmen und so ständig ihre Form verändern. B3 Niederschlagsmesser im Garten ï ï Niederschlag wie Regen, Schnee, Graupel und Hagel entsteht, wenn Eiskristalle in den Wolken wachsen und so schwer werden, dass sie zu Boden fallen. Übungs-Doppelseite Forschen, Finden, Ausprobieren Auf diesen Seiten kannst du dich noch weiter in das Thema vertiefen. Das kann ich 3 Das Wetter 3 33 32 1 Vervollständige die Sätze. Die Luftfeuchtigkeit gibt an, . Je höher die Lufttemperatur ist, . Die Luft ist gesättigt, wenn . Die absolute Luftfeuchtigkeit gibt an, . Die relative Luftfeuchtigkeit wird in . Mit einem Hygrometer . 2 Was wird hier angezeigt? Trage die Buchstaben in der Abbildung ein. A Uhrzeit B Datum C Temperatur im Innenbereich D Temperatur im Außenbereich E Relative Luftfeuchtigkeit im Innenbereich F Relative Luftfeuchtigkeit im Außenbereich G Aktuelles Wetter Bei diesem Versuch untersucht ihr, welche Faktoren die Entstehung von Wolken beeinflussen. Gießt heißes Wasser ca. 3 cm hoch ins Marmeladenglas. Verschließt das Glas und legt den Kühlakku darauf. Was könnt ihr beobachten? Öffnet nun das Glas und füllt noch einmal ca. 1 cm heißes Wasser ins Glas. Werft danach ein brennendes Streichholz in das Glas. Verschließt sofort den Deckel und legt wieder den Kühlakku auf das Glas. Welchen Unterschied könnt ihr zum Versuch ohne Streichholz erkennen? Erklärt, warum dieser Unterschied auftritt. Stellt anschließend eine Hypothese zu folgenden Fragen auf: Wie kann man den Effekt verstärken? Welche Faktoren müsst ihr dafür wie verändern? Plant dazu einen geeigneten Versuch. Tipp: Verwendet die Variablenkontrollstrategie: Ändert in einer Versuchsreihe immer nur einen Faktor und lasst die anderen gleich. Dokumentiert den Versuch schriftlich mit einem Protokoll und mit einem oder mehreren Videos. Überlegt euch dazu, wir ihr die Rollen aufteilt (Versuch durchführen, filmen, Versuchsablauf dokumentieren bzw. mitsprechen). V4 Wie entstehen Wolken? B Materialien Marmeladenglas heißes Wasser Streichhölzer Kühlakku (aus Tiefkühler) Wolken und Niederschläge 3 Du möchtest mit deiner Freundin am Wochenende eine Fahrradtour machen. In der Wettervorhersage steht: „Am Samstag steigt die Temperatur tagsüber stark an. Am späten Nachmittag sind Gewitter möglich.“ Erkläre deiner Freundin, wie der starke Temperaturanstieg am Tag mit der Bildung von Gewittern zusammenhängt. Warum ist es sinnvoll, die Tour auf den Vormittag zu legen? 4 Vervollständige die Tabelle. Niederschlagsart Entstehung Aussehen Besonderheit Regen Schnee Graupel Hagel Schneide die Flasche im oberen Drittel durch. Lege den Stein in die Flasche. Markiere die Stelle, ab der die Flasche im Inneren keine Unebenheiten mehr aufweist, mit dem wasserfesten Stift an der Außenseite. Erstelle anschließend eine senkrechte Skala mit einer Einheitsstrecke von 5 mm und beschrifte die vollen Zentimeter ab Null weg. Stülpe nun den abgeschnittenen Teil der Flasche in den unteren und befülle den Regenmesser bis zum markierten Nullpunkt mit Wasser. Stelle deinen Regenmesser nach draußen und überprüfe den Stand des Wassers, nachdem es geregnet hat. Kannst du mit deinem Regenmesser theoretisch auch die Regenmenge in l/m2 bestimmen? Miss 1 Monat lang die Niederschlagsmenge immer am selben Standort. Was musst du beachten, wenn du mit deinem Regenmesser über längere Zeit Messungen durchführst? Notiere deine Messungen digital und erstelle daraus ein passendes Diagramm am Computer. V5 Baue deinen eigenen Regenmesser Materialien 1,5 l PET-Flasche Wasser wasserfester Stift großer Stein Schere Lineal Auf diesen Seiten lernst du ein neues Thema kennen. Hier findest du Wissen zum Thema, Aufgaben zur Erarbeitung und Versuche. 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. „Impuls Physik“ hat elf Abschnitte, die jeweils aus 10 Seiten bestehen: (Ausnahme: Abschnitt 11 besteht aus 6 Seiten.) 2 Seiten Erarbeitung 2 Seiten Übungen 2 Seiten Erarbeitung 2 Seiten Übungen 2 Seiten Forschen, Finden, Ausprobieren Du findest hier Comics, Rollenspiele, Forschungsaufgaben, Bauanleitungen und vieles mehr. Probiere es aus! Hier kannst du deine Kompetenzen mit Aufgaben und Versuchen festigen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

3 Viel Spaß und Erfolg bei der Arbeit mit „Impuls Physik“! 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 Impuls Physik-Codes Hier findest du Verweise auf kostenloses digitales Zusatzmaterial. In „Impuls Physik“ eingedruckter Online-Code. Gehe auf www.oebv.at, … gib den Online-Code im Suchfeld links oben ein … und lade Materialien zu „Impuls Physik“ kostenlos herunter. Digitales Zusatzmaterial s78d7a 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. 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

4 Inhalt Die Physik der Temperatur 6 Temperatur und Teilchen 6 Fest, flüssig, gasförmig 10 Forschen – Finden – Ausprobieren 14 Energie und Temperaturmaschinen 16 Arten der thermischen Energieübertragung 16 Gegen den natürlichen Fluss der Energie 20 Forschen – Finden – Ausprobieren 24 Das Wetter 26 Die Physik des Wetterberichts 26 Wolken und Niederschläge 30 Forschen – Finden – Ausprobieren 34 Unser Klima 36 Klima und Klimasystem 36 Was steuert unser Klima? 40 Forschen – Finden – Ausprobieren 44 Menschen und der Klimawandel 46 Wie wir das Klima beeinflussen 46 Wie wir das Klima schützen können 50 Forschen – Finden – Ausprobieren 54 Elektromagnetische Strahlung 56 Strahlungsarten der Sonne 56 Elektromagnetische Strahlung ist überall 60 Forschen – Finden – Ausprobieren 64 1 2 3 4 5 6 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

5 Was EM-Strahlung bewirkt 66 EM-Strahlung hat viele Anwendungen 66 EM-Strahlung – gefährlich oder nicht? 70 Forschen – Finden – Ausprobieren 74 Strahlung und Radioaktivität 76 Ionisierende Strahlung 76 Der radioaktive Zerfall 80 Forschen – Finden – Ausprobieren 84 Was ionisierende Strahlung bewirkt 86 Gefahr und Nutzen ionisierender Strahlung 86 Nukleare Zwischenfälle und Zivilschutz 90 Forschen – Finden – Ausprobieren 94 Von der Kohle zur grünen Energie 96 Kraftwerke liefern Energie 96 Energie für die Zukunft 100 Forschen – Finden – Ausprobieren 104 Aktuelle physikalische Forschung 106 Forschen an der Zukunft 106 Forschen – Finden – Ausprobieren 110 Register 112 Der Quellen-, Bild- und Illustrationsnachweis ist auf der Umschlaginnenseite zu finden. 7 8 9 10 11 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

1 Digitales Zusatzmaterial s78d7a 6 Wir alle für 1,5 °C*! steht auf Alevs selbstgebasteltem Schild. Dieses Ziel, um die schlimmsten Folgen des Klimawandels abzuwenden, gilt bereits als verfehlt. Was kann jetzt noch getan werden? Was kannst du tun? In diesem Kapitel erfährst du einiges über die Physik hinter der Änderung von Temperaturen. * Durchschnittlich 1,5 °C weltweiter Temperaturanstieg durch den von Menschen verstärkten Treibhauseffekt Temperatur und Teilchen Die Physik der Temperatur Jedes Jahr ein Temperatur-Rekord Die durchschnittlichen Temperaturen steigen. Es vergeht kaum ein Tag ohne Nachrichten von Dürren und extremen Unwettern. Auch Demonstrationen, die Maßnahmen gegen den Klimawandel fordern, gehören zum Alltag. Wenn du bei diesen Themen mitdiskutieren möchtest, solltest du Fachbegriffe wie Temperatur, thermische Energie, Wärme, Wetter, Klima usw. genau verstehen. Dieses Schulbuch hilft dir dabei. Es geht auch um deine Zukunft. Energie lässt die Temperaturen steigen Halte deine Hand in Sonnenlicht oder unter eine starke Lampe. Was geschieht mit dem Licht? Stelle eine Vermutung auf. Licht ist eine Erscheinungsform von Energie (Strahlungsenergie). Energie geht nie verloren. Wenn du beobachtest, dass Licht nach dem Auftreffen auf deiner Hand „verschwindet“, dann muss die Energie in eine andere Erscheinungsform übergegangen sein. Du hast wahrscheinlich gespürt, dass die Lampe deine Hand erwärmt hat: Die Temperatur deiner Hand ist gestiegen. Strahlungsenergie wurde in thermische Energie umgewandelt. Umgangssprachlich sagt man auch: Der Körper wird „wärmer“. Das ist physikalisch aber nicht präzise. In den folgenden Kapiteln lernst du, dass man in der Physik unter „Wärme“ etwas anderes versteht. Ein anderer Teil der inneren Energie ist die chemische Energie. Chemische Energie kann bei chemischen Reaktionen umgewandelt und freigesetzt werden, zB beim Verbrennen von Erdöl. Greife an die Rückseite deines Smartphones. Was spürst du? Bei fast jeder Energieumwandlung wird ein Teil der Energie in thermische Energie umgewandelt – auch, wenn man das nicht möchte (B1). Man spricht von „Energieverlusten“, weil die nutzbare Energie „verloren“ geht – die Energie selbst verschwindet aber nie. Thermen, Thermometer Natürliche heiße Quellen werden Thermalquellen genannt. Oft gibt es bei diesen Quellen eine Therme zum Baden. Das Messgerät der Temperatur ist ein Thermometer. Die Temperatur hängt mit der thermischen Energie zusammen. Wörter für Materie Die Wörter Stoff, Substanz und Material bezeichnen alle etwas Ähnliches: verschiede Arten von Materie. Mit dem Wort „Körper“ meint man in der Physik jedes Ding aus Materie. B1 Beim Bremsen wird Bewegungsenergie in thermische Energie umgewandelt. Die Temperatur des Reifens steigt. ï Die thermische Energie ist Teil der inneren Energie eines Körpers. Je höher die Temperatur des Körpers ist, desto größer ist seine thermische Energie. ï Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

Die Physik der Temperatur 1 7 Die Temperatur im Teilchenmodell Das Teilchenmodell hilft dir, die Vorgänge im Inneren eines Körpers zu verstehen: Wir verwenden die vereinfachte Vorstellung, dass alle Stoffe aus kleinsten Teilchen aufgebaut sind. Diese Teilchen sind immer in Bewegung. Sie bewegen sich ungeordnet in alle Richtungen (B2) und stoßen ständig aneinander. Dadurch ändert sich die Bewegungsrichtung und das Tempo einzelner Teilchen. Nur wenn die Teilchen von außen zusätzlich Energie erhalten, beginnen sie sich durchschnittlich schneller zu bewegen. Welche anderen Modelle kennst du aus dem Physikunterricht? Wie wird die Temperatur gemessen? Wenn die Temperatur steigt, bewegen sich die Teilchen mehr und sie brauchen mehr Platz (B2). Der Stoff dehnt sich aus. Viele Thermometer verwenden diese Eigenschaft zum Messen der Temperatur. Sophie meint: Wenn die Temperatur von Wasser steigt, dann dehnen sich die Teilchen aus. Wo liegt ihr Denkfehler? Als Maßeinheit der Temperatur verwenden wir °C (Grad Celsius). Diese Temperatur-Skala hängt mit dem Schmelzpunkt und Siedepunkt von Wasser zusammen. Mehr darüber erfährst du im nächsten Kapitel. Wenig Bewegung Niedrige Temperatur Viel Bewegung Hohe Temperatur Energiezufuhr B2 In dieser Modelldarstellung werden die Teilchen als kleine Kugeln und ihre Geschwindigkeit als Pfeile dargestellt. Modell und Wirklichkeit Erinnere dich: Ein Modell ist ein Hilfsmittel zur vereinfachten Darstellung von komplizierten Zusammenhängen. Es ist keine Abbildung der Wirklichkeit. ï Die Temperatur eines Stoffes hängt mit der Bewegung seiner Teilchen zusammen. Eine höhere Temperatur bedeutet, dass sich die Teilchen durchschnittlich schneller bewegen. V1 Wie funktioniert ein Thermometer? (Teil 1) Materialien große, feste Flasche etwas Lebensmittelfarbe Wasser langer Trinkhalm (durchsichtig) oder dünnes Glasrohr Knetmasse wasserfester Stift Kübel, in den die Flasche passt Wasserkocher ev. Eiswürfel In diesem Versuch kannst du beobachten, was bei der Erhöhung der Temperatur mit einer Flüssigkeit geschieht. Gib vier Tropfen Lebensmittelfarbe in die Flasche. Fülle die Flasche völlig mit Wasser (ca. Raumtemperatur). Rolle einen dicken Streifen Knetmasse um die Mitte des Trinkhalms. Verschließe die Flasche mit der Knetmasse, in der der Trinkhalm steckt. Drücke die Knetmasse so weit in den Flaschenhals, dass der Wasserstand im Trinkhalm etwas ansteigt. Markiere mit dem Marker den Wasserstand am Trinkhalm. Stelle die Flasche in den Kübel. Fülle den Kübel mit heißem Wasser. Warte vier Minuten und beobachte die Flasche. Markiere wieder den Wasserstand. Schütte dann das Wasser im Kübel weg und fülle ihn mit eiskaltem Wasser. Besprecht eure Beobachtungen. Erklärt sie mit den Informationen von dieser Seite. Könntest du die Flasche als „echtes“ Thermometer verwenden? Temperatur-Maßeinheiten In vielen englischsprachigen Ländern wird die TemperaturMaßeinheit Fahrenheit (F) verwendet. 100 Grad Fahrenheit entsprechen ca. der Körpertemperatur. In der Wissenschaft verwendet man die Einheit Kelvin (K). Bei einer Temperatur von 0 K bewegen sich die Teilchen überhaupt nicht mehr. Für die meisten Stoffe gilt: Wenn die Temperatur steigt, dehnt sich der Stoff aus. Wenn sie sinkt, dann zieht er sich zusammen. ï Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

Das kann ich 1 8 1 In der Tabelle findest du wichtige physikalische Begriffe dieses Schuljahres. Zeichne oder schreibe in die mittlere Spalte etwas, das dir zu diesem Begriff einfällt. Schreibe in die rechte Spalte eine (naturwissenschaftliche) Frage, die du zu diesem Begriff hast. Wenn du mehr Platz brauchst, übertrage die Tabelle in dein Physikheft oder auf ein Blatt Papier. Prüfe am Ende des Schuljahres, ob du deine Fragen beantworten kannst. Das fällt mir zum Begriff ein: Diese Frage habe ich dazu: Temperatur Energie Klima Strahlung 2 Welche Erscheinungsform der Energie kannst du in den vermischten Buchstaben erkennen? Nenne jeweils einen weiteren Begriff, der physikalisch mit dieser Energieform in Verbindung steht. Erscheinungsform der Energie passender Begriff heEleiscktr ergiEne ahlungieStrsenerg eLag-rgieEne eeguenengsBewrgi ermiThesch rgiEnee chemisChe Energie 3 Was bedeutet „niedrige Temperatur“ physikalisch? Erkläre das in einem Satz. Verwende dabei das Teilchenmodell. Temperatur und Teilchen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

Die Physik der Temperatur 1 9 4 Recherchiere die unten angeführten Temperaturen in °C. Nutze unterschiedliche Quellen. Trage eine weitere interessante Temperatur in die letzte Zeile ein. Vergleicht eure Temperatur-Werte: Falls ihr unterschiedliche Werte zu einer gefragten Temperatur gefunden habt, diskutiert, welche Quelle verlässlicher ist und warum. Temperatur im Zentrum der Sonne: Durchschnittliche menschliche Körpertemperatur: Tiefste je auf der Erde gemessene Luft-Temperatur: : V2 Wie funktioniert ein Thermometer? (Teil 2) Materialien große, feste Flasche Lebensmittelfarbe Wasser Reinigungsalkohol langer Trinkhalm (Glas oder durchsichtiger Kunststoff) oder dünnes Glasrohr Knetmasse wasserfester Stift Kübel, in den die Flasche passt Wasserkocher ev. Eiswürfel Thermometer 1. Untersuche bei diesem Versuch, ob sich eine Mischung aus Reinigungsalkohol und Wasser (ca. 50 : 50) für dein Flaschenthermometer besser eignet. Wiederhole den Versuch V1 mit dieser Mischung und einem neuen Trinkhalm. Achte darauf, dass sonst alle Bedingungen gleichbleiben (Warum?). Vergleiche die Beobachtungen von V1 und V2. Verwende dazu Notizen und Fotos. Tipp: Vergleiche die Markierungen auf beiden Trinkhalmen. Zu welchem Ergebnis kommst du? Formuliere eine Hypothese über die Ausdehnung verschiedener Flüssigkeiten bei einer Temperaturänderung. 2. Verwende jetzt das „normale“ Thermometer. Deine Aufgabe ist es, mithilfe des Thermometers dein Flaschenthermometer so vorzubereiten, dass damit eine beliebige Temperatur zwischen 10 °C und 40 °C auf 1 °C genauer gemessen werden kann. Plane deine Vorgangsweise, bevor du beginnst. Teste dein neues Flaschenthermometer: Miss die Temperatur von Wasser, dessen Temperatur dir unbekannt ist. Verwende auch das „normale“ Thermometer, um die Temperatur zu messen. Welcher Messwert ist genauer? Warum ist das so? Tipp: Wenn du ein Flüssigkeitsthermometer verwendest, halte es zum Messen am oberen Ende. Rühre Flüssigkeiten um, bevor du eine Temperatur misst. V3 Unterschiedliche Ausdehnung? Materialien Blatt Papier Alu-Folie Klebstoff (Stick) Teelicht Zange (zB Tiegelzange) feuerfester Teller Feuerzeug Untersuche die folgende Forschungsfrage: Dehnen sich unterschiedliche Materialien bei einer Erhöhung der Temperatur unterschiedlich stark aus? Klebe die Alu-Folie mit einer dünnen, gleichmäßigen Schicht Klebstoff auf das Papier. Schneide einen ca. 15 x 2 cm großen Streifen von dem beklebten Papier aus. Zünde das Teelicht an und stelle es auf den Teller. Halte den Streifen mit der Zange an einem Ende. Halte das andere Ende kurz mit der Alu-Folie nach unten über die Flamme. Achte darauf, dass die Flamme nicht mit dem Papier in Kontakt kommt. Falls der Streifen zu brennen beginnt, lege ihn auf den Teller und lasse ihn ausbrennen. Beantworte die Forschungsfrage mithilfe deiner Beobachtung. Dehnt sich das Papier oder die Alu-Folie stärker aus? Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

1 10 „Es ist so heiß! Ich glaube, ich schmelze gleich.“ Lenas Eis ist in Gefahr, sie selbst aber sicher nicht. In diesem Kapitel lernst du, wie du das Schmelzen mit dem Teilchenmodell der Materie erklären kannst. Du bekommst außerdem Tipps zur Abkühlung und für die Küche. Fest, flüssig, gasförmig Welche Zustandsformen gibt es? Was passiert, wenn Wasser-Eis schmilzt? Die Wasser-Teilchen halten im Eis fest zusammen und bewegen sich wenig. Wenn die Umgebungs-Temperatur steigt, wird Energie durch Zusammenstöße von den schnellen Luft-Teilchen an die langsameren Wasser-Teilchen übertragen. Der Zusammenhalt der Wasser-Teilchen lockert sich. Wenn das Eis die Schmelz-Temperatur erreicht hat, wird es zu flüssigem Wasser: Es schmilzt. Bei normalem Luftdruck geschieht das bei 0 °C. Wenn noch mehr Energie zugeführt wird (zB von einer Herdplatte), bewegen sich die Wasser-Teilchen noch mehr. Wenn das Wasser die Siede-Temperatur (ca. 100 °C) erreicht, siedet es. Es wird zu gasförmigem Wasserdampf. Diesen Übergang nennt man Verdampfen. Zusätzlich zugeführte Energie wird zum Verdampfen gebraucht, die Temperatur des flüssigen Wassers erhöht sich nicht mehr. Bei den umgekehrten Übergängen (Kondensieren und Erstarren) wird Energie wieder an die Umgebung abgegeben. ZB stoßen die schnellen Wasserdampf-Teilchen mit den langsameren Luft-Teilchen zusammen und geben so lange Energie ab, bis sie wieder fester zusammenhalten und flüssiges Wasser bilden. Welche Fachbegriffe in B1 sind neu für dich? Besprecht gemeinsam, was bei diesen Übergängen passiert. An der Oberfläche einer Flüssigkeit haben einige Teilchen immer genug Energie, um sich zu lösen – auch bei Temperaturen unter der Siede-Temperatur. Diesen Vorgang nennt man Verdunsten. Um die Flüssigkeit als Gas verlassen zu können, brauchen die Teilchen zusätzliche Energie. Diese nehmen sie durch Zusammenstöße mit Teilchen aus der Umgebung auf: ZB stoßen Teilchen im Schweiß mit Teilchen in der Haut zusammen. Die Teilchen der Haut bewegen sich dann weniger – die Temperatur der Haut sinkt (B2). Verteile mit einem Wattepad eine kleine Menge Parfum auf deinem Handrücken. Was kannst du beobachten und spüren? Erkläre. Eis fester Zustand flüssiger Zustand schmelzen erstarren verdampfen kondensieren sublimieren resublimieren gasförmiger Zustand flüssiges Wasser Wasserdampf B1 Modelldarstellung der Zustandsformen und Übergänge: Die Teilchen werden im Modell als kleine Kugeln dargestellt (hier in den Kreisen). Die Bewegung wird durch dünne Bögen bzw. Linien dargestellt. B2 Beim Schwitzen verdunstet Wasser auf deiner Haut – so sinkt deine Körpertemperatur. Unterschiedliche Stoffe Unterschiedliche Stoffe haben unterschiedliche Schmelz- und Siede-Temperaturen. Beispiele (bei normalem Luftdruck): Gold Sauerstoff Schmelz-T. (ca.) 1 064 °C −219 °C Siede-T. (ca.) 2 970 °C −183 °C Die wichtigsten Zustandsformen (Aggregatzustände) von Materie sind fest, flüssig und gasförmig (B1). ï ï Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

Die Physik der Temperatur 1 11 Temperaturänderung und Dichte Normalerweise dehnt sich ein Stoff aus, wenn die Temperatur steigt. Es befinden sich dann im selben Volumen (zB in 1 cm3) weniger Teilchen. Der gleiche Rauminhalt des Stoffes hat also bei hoher Temperatur weniger Masse als bei niedriger Temperatur. In der Physik sagt man: Der Stoff hat eine geringere Dichte (B3). Unterschiedliche Stoffe haben eine unterschiedliche Dichte – Gold ist zB dichter als Eisen. Für fast alle Stoffe gilt: Der feste Zustand ist dichter als der flüssige und der gasförmige Zustand. Wann ändert sich die Übergangs-Temperatur? In einem Glas Wasser bewirken viele kleine Stöße der Luftteilchen einen Druck auf die Wasseroberfläche. Das erschwert das Verdampfen: Die Wasser-Teilchen werden oft zurückgestoßen und können die Wasseroberfläche nicht so leicht verlassen. Wenn die Luft-Teilchen entfernt werden (zB mit einer Vakuumpumpe wie bei V4), dann ist es für die Wasser-Teilchen auch schon mit weniger Energie möglich, die Flüssigkeit zu verlassen. Das Wasser siedet bei einer niedrigeren Temperatur. Etwas Ähnliches bemerkt man im Hochgebirge. Dort ist der Luftdruck niedriger: In 1 000 m Höhe siedet Wasser schon bei ca. 93 °C. Bei erhöhtem Umgebungs-Druck siedet Wasser erst über 100 °C (B4). Das Mischen von Stoffen kann den Zusammenhalt der Teilchen verändern und so die Zustandsformen beeinflussen. Wenn man zB Wasser mit Kochsalz mischt, dann hat diese Mischung eine niedrigere Schmelz-Temperatur als reines Wasser (B5). Eine Salz-WasserMischung ist daher auch bei Minusgraden flüssig und friert nicht ein. Niedrige Temperatur Hohe Temperatur B3 Vereinfachte Darstellung im Teilchenmodell: Der gleiche Rauminhalt ist durch den schwarzen Rahmen dargestellt. In diesem befinden sich bei höherer Temperatur weniger Teilchen. Die Dichte wird geringer. Die Dichte eines Stoffes gibt an, wie viel Masse sich in einem bestimmten Volumen befindet (zB Gramm pro cm³). Fülle den Kolben halbvoll mit heißem, nicht kochendem Wasser (Vorsicht!). Miss die Temperatur des Wassers. Der Kolben wird am Stativ befestigt und mit dem Stopfen verschlossen. Das Rohr am Stopfen wird mit der Wasserstrahlpumpe verbunden. Welchen Übergang zwischen den Zustandsformen könnt ihr beobachten? Was ist ungewöhnlich? V4 Wasserkochen im Vakuum Materialien Dickwandiger Glaskolben Passender Stopfen mit Bohrung + Glasrohr Wasserstrahlpumpe + Schlauch Stativ heißes Wasser Thermometer B4 In einem Druck-Kochtopf steigt der Druck, da die Teilchen des Wasserdampfs im Topf bleiben. Durch den Siedepunkt über 100 °C wird das Essen schneller gar. −30 −20 −10 0 10 30 20 −30 −20 −10 0 10 30 20 Schmelztemperatur flüssig flüssig fest fest ˚C ˚C Normales, reines Wasser Salzwasser B5 Vergleich der Schmelz-Temperaturen von reinem Wasser (0 °C) und Salzwasser (–21 °C). Der Druck wird in der Maßeinheit Pascal (Pa) oder bar gemessen. Auf der Erdoberfläche beträgt der Luftdruck ca. 100 000 Pa = 1 bar. Es hängt vom Druck der Umgebung ab, bei welcher Temperatur eine Flüssigkeit siedet. Die Siede-Temperatur ist druckabhängig. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

Das kann ich 1 12 1 Stelle den Zustand von Wasser bei der angegebenen Temperatur im Teilchenmodell dar. Es herrscht normaler Luftdruck. –20 °C 20 °C 120 °C 2 Unterschiedliche Substanzen haben unterschiedliche Schmelz- und Siede-Temperaturen (alle Angaben gelten für einen Luftdruck von 1 bar). Verwende die Grafik, um die folgenden Fragen zu beantworten: Bei ungefähr welcher Temperatur schmilzt Lithium (ein leichtes Metall)? In welcher Zustandsform ist Brom bei Raumtemperatur? Ist Sauerstoff bei –200 °C gasförmig? Denke dir eine eigene Frage aus, die man mithilfe der Grafik beantworten kann. Stelle die Frage einer Mitschülerin oder einem Mitschüler. In diesem Versuch untersuchst du einen physikalischen Unterschied zwischen Wasser und Salzwasser. Bevor du mit dem Versuch beginnst, überlege dir: Was ist die kälteste Temperatur, die reines flüssiges Wasser haben kann? Fülle ein Becherglas halbvoll mit möglichst kaltem Wasser. Gib einige Eiswürfel und ein Thermometer in das Becherglas und warte, bis sich die Temperatur nicht mehr ändert. Notiere die Temperatur. Rühre jetzt langsam so lange Salz in das Wasser ein, bis sich das Salz nicht mehr auflöst. Beobachte die Eiswürfel und das Thermometer. Notiere die Temperatur. Erkläre deine Beobachtungen mit Fachbegriffen aus diesem Kapitel. V5 Flüssig bei Minusgraden Materialien Becherglas Kaltes Wasser Eiswürfel Kochsalz Löffel oder Rührstab Thermometer Schmelz-­ Temperatur von Sauerstoff Schmelz-­ Temperatur von Brom –273 –200 –150 –100 –50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Schmelz-­ Temperatur von Lithium Temperatur/°C Siede-­ Temperatur von Sauerstoff Siede-­ Temperatur von Brom Raum-­ Temperatur Fest, flüssig, gasförmig Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

Die Physik der Temperatur 1 13 3 Opa hängt an heißen Sommertagen feuchte Tücher in der Wohnung auf. Er sagt, dadurch wird es kühler. Kann das stimmen? Warum (nicht)? Kreuze an. Ja, / Nein, weil Erkläre Opa, warum Bäume nicht nur durch ihren Schatten zur Abkühlung beitragen. 4 Erkläre deiner kleinen Schwester oder deinem kleinen Bruder, warum Kinder nicht mit einem Druckkochtopf spielen (oder kochen!) sollten. Was ist besonders gefährlich? 5 Der Einsatz von Streusalz ist an manchen Orten verboten. Warum ist das so? Welche Probleme gibt es für die Umwelt, für Menschen und Tiere? Recherchiere. Verwende dabei unterschiedliche Quellen und bewerte ihre Verlässlichkeit ( Infobox auf S. 46). Notiere Stichwörter und besprecht die Probleme in der Gruppe. Welche Alternativen zu Streusalz gibt es? Achtung: Dieser Versuch sollte von einer Lehrkraft gezeigt oder begleitet werden. Unbedingt Schutzbrillen tragen. Beobachte zuerst, was geschieht. Finde dann eine Erklärung. Gib ca. 4 Esslöffel Wasser in die Dose. Erhitze das Wasser in der Dose, bis du bemerkst, dass es zu sieden beginnt. Erhitze noch etwas länger, damit die ganze Dose mit heißem Wasserdampf gefüllt ist. Halte dann die Dose mit der Zange über die Wasserschale, drehe die Dose schnell um und halte sie mit der Öffnung nach unten in das kalte Wasser. Tipps zur Erklärung: • Wasserdampf braucht mehr Platz als flüssiges Wasser. • Wenn die Dose das kalte Wasser berührt, kühlt der gesamte Innenraum schnell ab. • Was drückt von außen ständig gegen die Dose? V6 Was drückt auf die Dose? Materialien leere Alu-­ Getränkedose lange Zange (Tiegelzange) Schale mit eiskaltem Wasser Gasbrenner oder Heizplatte Schutzbrille Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

Forschen – Finden – Ausprobieren 1 14 Findet mithilfe der vorgeschlagenen (oder mit anderen) Materialien heraus, welche der Flüssigkeiten die größte Wärmekapazität hat. Arbeitet in Teams zu ungefähr 4 Personen. Besprecht vor den Versuchen, wie ihr sie durchführen müsst, damit eure Beobachtungen und Messungen vergleichbar sind. Erinnert euch an die Variablenkontrollstrategie: Eine Variable (zB die Flüssigkeit) bleibt gleich, eine andere Variable wird verändert (zB die Energiequelle). Es kann auch jedes Team eine andere Flüssigkeit wählen. Präsentiert eure Ergebnisse auf einem Poster oder als digitale Präsentation. Tipp: Ihr müsst für euren Vergleich den Zahlenwert der übertragenen Energie nicht kennen. Wasser ist ein natürlicher Energie-Speicher Materialien unterschiedliche Flüssigkeiten: zB Wasser, Salzwasser, Speiseöl, Essig … unterschiedliche Energie-Spender: zB Heizplatte, Teelichter, Gasbrenner, direktes Sonnenlicht mehrere Gläser mehrere Thermometer Messbecher, Uhren Auch für das Klima hat die Wärmekapazität des Wassers eine große Bedeutung. Welche? Wasser ist nicht normal Im Gegensatz zu den meisten Stoffen wird flüssiges Wasser nicht immer dichter, wenn es abkühlt. Es hat die höchste Dichte bei ca. 4 °C. Bei tieferen Temperaturen wird es wieder weniger dicht. Flüssiges Wasser mit 4 °C sinkt daher in einem Teich nach unten. Wasser mit einer niedrigeren Temperatur steigt nach oben. Festes Wasser (Eis) dehnt sich beim Gefrieren aus und ist vergleichsweise noch leichter. Es schwimmt daher auf dem flüssigen Wasser. Man nennt diese Besonderheit Dichte-Anomalie des Wassers. 1. Welche Bedeutung hat die Dichte-Anomalie des Wassers für die Fische im Winter? Erkläre. 2. Die Dichte-Anomalie des Wassers kann im Winter zu Schäden an Gebäuden führen. Stelle eine Vermutung auf, warum das so ist. Überlege dir einen Versuch, um die Ausdehnung des Wassers beim Gefrieren zu untersuchen. Besprich deinen Vorschlag mit deiner Lehrkraft. Führe dann erst den Versuch durch. 4° 10° 15° 20° 25°C 3° 4° 2° 1° 0°C Du hast sicher schon einmal Wasser in einem Kochtopf zum Sieden gebracht. Ist dir aufgefallen, dass das ziemlich lange dauert? In jeder Sekunde wird von der Herdplatte Energie an den Topf und vom Topf an das Wasser übertragen. Zur Änderung der Temperatur von Wasser ist ziemlich viel Energie notwendig. Das Metall des Topfes wird am Herd viel schneller heiß als das Wasser. Andererseits kühlt Wasser auch nur langsam wieder ab. Metalle kühlen viel schneller wieder ab. Man nennt diese Eigenschaft eines Stoffes seine Wärmekapazität. Die Wärmekapazität gibt an, wie viel Energie an einen Stoff übertragen werden muss, damit sich seine Temperatur um 1 °C ändert. Es werden immer gleiche Massen von Stoffen verglichen (zB ein Gramm Wasser im Vergleich zu einem Gramm Eisen). Versuch: Der Energie-Aufnahme-Test Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

Die Physik der Temperatur 1 15 Was ist die höchste Temperatur, die flüssiges Wasser haben kann? Die Frage klingt einfach. Plane ein Experiment mit den angegebenen Materialien, um das genau zu untersuchen. Du wirst vielleicht auf ein paar Überraschungen stoßen. • Arbeitet zu zweit, teilt euch die Arbeit sinnvoll auf und unterstützt euch gegenseitig. • Sammelt bei diesem Versuch Messdaten, so dass ihr ein Diagramm aus den Daten erstellen könnt. Bereitet vor dem Versuch eine Tabelle für die Daten vor (siehe oben). • Berücksichtigt die Messgenauigkeit eures Messgeräts: Wie genau sind eure Messwerte? • Beginnt mit eiskaltem Wasser, in dem Eiswürfel schwimmen. • Macht Notizen von allen Beobachtungen während des Versuchs. • Wenn das Wasser zu sieden beginnt, notiert noch ungefähr drei Mal die Temperatur. • Achtung: Berühre das Becherglas erst, wenn das Wasser ausgekühlt ist! Gib anschließend die Messwerte am Computer in eine Tabelle ein und lasse ein Programm daraus ein passendes Diagramm erstellen. Tipp: Suche ein verständliches Tutorial zur Erstellung von Diagrammen im Internet (zB mit dem Suchbegriff „XY-Diagramm erstellen“). Betrachte dein Diagramm, um die folgenden Fragen zu beantworten. Was ist die höchste Temperatur von flüssigem Wasser? An das Wasser ist zu jedem Zeitpunkt zusätzliche Energie übertragen worden. Ist dadurch immer die Temperatur gestiegen? Falls nicht: Wann ist die Temperatur nicht gestiegen und warum nicht? Um wie viel °C ist die Temperatur pro Minute angestiegen? Verwende zur Beantwortung dieser Frage nur jenen Bereich des Diagramms, in dem die Temperatur gestiegen ist. Kann Wasserdampf eine Temperatur über 100 °C haben? Begründe deine Antwort. (Diese Antwort kannst du nicht direkt in euren Daten finden. Warum nicht?) Versuch: Wie ändert sich die Temperatur von Wasser? Materialien großes Becherglas oder Erlenmeyerkolben kaltes Wasser Eiswürfel Siedesteinchen Stativ Thermometer Gasbrenner oder Heizplatte (Stopp-)Uhr Schutzbrillen Dein Computerprogramm kann ein „XY-Diagramm“ aus den Daten in der Tabelle erstellen. Noch mehr Tipps für deine Forschung Interessierst du dich für Forschung oder möchtest du selbst an Forschungsprojekten teilnehmen? Auf der Seite 111 in diesem Schulbuch findest du nützliche Tipps und Hinweise. So könnte eure Tabelle aussehen. Zeitdauer seit Versuchsbeginn (s) Temperatur (°C) 00 20 20 … 40 … … … Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

2 Digitales Zusatzmaterial s79t9v 16 Gleich kommen deine Freunde. Du packst die gelieferte Pizza aus und holst kalte Getränke aus dem Kühlschrank. Doch als alle da sind, ist die Pizza ausgekühlt und die Getränke haben Zimmertemperatur. Das ist nicht weiter überraschend, aber hast du eine Idee, warum das so ist? In diesem Kapitel lernst du, wie Temperaturunterschiede dazu führen, dass Energie fließt. Arten der thermischen Energieübertragung Energie und Temperaturmaschinen Wärmeleitung Berühre einen Gegenstand aus Metall und dann ein Stück Holz oder Papier. Welcher Gegenstand hatte deiner Meinung nach die höhere Temperatur? In der kalten Jahreszeit sitzt du lieber auf einer Holzbank als auf einem Sessel aus Metall. Das liegt aber nicht an der Temperatur des Holzes. Die Holzbank, der Metallsessel, die Pizza – alle Dinge haben nach einiger Zeit dieselbe Temperatur wie die Umgebung. Warum? Das kannst du dir wieder mithilfe des Teilchenmodells gut vorstellen (B1). Die Teilchen einer Pizza bewegen sich schnell, solange ihre Temperatur hoch ist. Wenn die Teilchen an andere Teilchen in der Umgebung stoßen (zB im Teller), dann übertragen sie an diese Energie. Die Teilchen in der Pizza bewegen sich dann im Durchschnitt etwas langsamer, die Teilchen im Teller etwas schneller. Die Pizza wird kälter, die Temperatur des Tellers steigt. Dieser Vorgang geschieht immer zwischen allen Stoffen, die sich direkt berühren. Diese thermische Übertragung von Energie nennt man Wärmeleitung. Auch innerhalb eines Körpers gleicht sich so mit der Zeit die Temperatur aus. Sucht im Internet ein ähnliches Bild wie B1, aber in Bewegung (Suchworte: Wärmeleitung, Animation) und besprecht es. Wärmeleiter Warum fühlt sich ein Metall-Löffel kälter an als ein Blatt Papier? Was du spürst, ist nicht die Temperatur des Gegenstands. Wenn sich etwas kühl anfühlt, dann spürst du, wie Energie von deinem Körper weggeleitet wird. Diesen Effekt nutzen auch Tiere (B2). In manchen Materialien kann Energie besser übertragen werden als in anderen. B1 Wärmeleitung im Teilchenmodell: Die Teilchen im Körper links der Linie bewegen sich vor dem Kontakt schneller, die Teilchen rechts langsamer. Beim Kontakt übertragen die Teilchen links durch Stöße Energie an die Teilchen rechts. B2 Tiere legen sich im Sommer gerne zur Abkühlung flach auf Metallflächen. Dein Körper heizt nach Dein Körper passt seine Temperatur nicht einfach der Umgebung an, sondern hält die Temperatur bei ca. 37°C. Dafür wird andauernd Energie benötigt. Im Gegensatz dazu ist die Körpertemperatur von wechselwarmen Tieren (zB Reptilien) von der Umgebung abhängig. ï Wärme ist „Energie im Fluss“: Sie ist die Energie, die aufgrund eines Temperaturunterschieds übertragen wird. Wärme fließt vom Körper mit der höheren Temperatur zum Körper mit der niedrigeren Temperatur. „Von selbst“ fließt sie nie in die andere Richtung. ï Metalle sind gute Wärmeleiter. Die meisten anderen Stoffe (auch Luft) sind schlechte Wärmeleiter. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

Energie und Temperaturmaschinen 2 17 Wärmeströmung Luft ist ein schlechter Wärmeleiter. Wäre die thermische Energieübertragung nur durch Wärmeleitung möglich, könnte ein Heizkörper die Temperatur im Zimmer kaum erhöhen. Es geschieht aber noch etwas: Wenn sich die Temperatur der Luft direkt beim Heizkörper erhöht, wird die Luft leichter (weniger dicht). Diese Luft steigt nach oben. Luft mit niedrigerer Temperatur strömt von unten nach. Es entsteht eine Wärmeströmung, durch die sich die Luft aus der Nähe des Heizkörpers gleichmäßig im ganzen Zimmer verteilt (B3). Damit das gut funktioniert, muss sich die Luft gut bewegen können. Heizkörper sollten daher nicht verdeckt sein. Ähnliche Strömungen kann man auch in Flüssigkeiten beobachten, zB in den Meeren. Temperaturunterschiede im Wasser sind eine Ursache der natürlichen Meeresströmungen. Wärmestrahlung Die Heizung überträgt noch auf eine andere Weise Energie auf die Umgebung. Jeder Körper gibt ständig Energie in Form von Strahlung ab. Man nennt diese Strahlung auch Wärmestrahlung. Normalerweise ist die Wärmestrahlung für Menschen unsichtbar. Man nennt die unsichtbare Wärmestrahlung auch IR-Strahlung. Du wirst in Abschnitt 6 noch mehr über diese Art von Strahlung erfahren. Nur wenn die Temperatur eines Gegenstands sehr hoch ist, wird Energie zum Teil als sichtbares Licht abgestrahlt (B4). Auch du bist ein Wärmestrahler. Durch eine Messung dieser Strahlung kann man indirekt die Körpertemperatur messen (B5). Wie viel Energie als Strahlung ausgesendet wird, hängt nämlich von der Temperatur ab: Kältere Körper senden weniger Strahlung aus als Körper mit einer höheren Temperatur. Schneide aus der Metallfolie eine Spirale aus (ca. 20 cm Durchmesser). Ziehe die Spirale etwas auseinander. Mache mit der Nadel an das innere Ende der Spirale ein Loch. Fädle dort einen dünnen Faden durch und verknote ihn. Befestige die Spirale am Faden am Stativ. Achte darauf, dass du ca. 10 cm unter das untere Ende der Spirale eine brennende Kerze auf die Unterlage stellen kannst. Beobachte mindesten 3 Minuten lang. Nachdem du den Rest der Seite gelesen hast, stelle eine begründete Vermutung auf: Wo könntest du die Spirale noch platzieren, um etwas Ähnliches zu beobachten? Plane einen Versuch, um deine Vermutung zu testen. V1 Was bewirken Temperaturunterschiede der Luft? Materialien Metallfolie Nadel + dünner Faden Stativ Kerze (zB Teelicht) Feuerzeug Feuerfeste Unterlage Luft mit hoher Temperatur Luft mit niedriger Temperatur B3 Durch den Temperaturunterschied beim Heizkörper entsteht eine Wärmeströmung (schematische Darstellung). B4 Bei sehr hohen Temperaturen (zB von glühenden Kohlen) wird die Wärmestrahlung teilweise sichtbar. B5 Ein IR-Fieberthermometer misst die Wärmestrahlung deines Körpers. Es gibt drei Arten der thermischen Energieübertragung: Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung. Durch alle drei Arten gleichen sich auf natürliche Weise (dh. ohne zugeführte Energie) die Temperaturen mit der Zeit an. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

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