4 Martin Apolin big bang Physik
Big Bang US SB 4 + E-Book Schulbuchnummer: 225224 Big Bang US SB 4 E-Book Solo Schulbuchnummer: 225225 Mit Bescheid des Bundesministeriums für Bildung, vom 25. Juli 2025, GZ 2024-0.740.692, gemäß § 14 Abs. 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBI. Nr.472/86, und gemäß den derzeit geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch für die 4. Klasse an Mittelschulen und an allgemein bildenden höheren Schulen – Unterstufe im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2023) geeignet erklärt. Dieses Werk wurde auf der Grundlage eines zielorientierten Lehrplans verfasst. Konkretisierung, Gewichtung und Umsetzung der Inhalte erfolgen durch die Lehrerinnen und Lehrer. 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.“ Illustrationen: Bettina Kumpe, Braunschweig: Seite 4; Seite 5; Seite 10.0.0; Seite 10.21.15; Seite 12.21.26; Seite 14.0.0; Seite 14.21.35; Seite 15.21.36; Seite 16.0.0; Seite 19.21.52; Seite 21.22.4; Seite 22.22.10; Seite 23.22.15; Seite 24.22.17; Seite 24.22.18; Seite 24.22.19; Seite 24.22.20; Seite 25.22.23; Seite 25.22.24; Seite 27.22.33; Seite 28.0.0; Seite 29.23.6; Seite 30.23.10; Seite 32.23.14; Seite 33.23.18; Seite 33.23.20; Seite 35.23.29; Seite 38.0.0; Seite 41.24.22; Seite 43.24.32; Seite 43.24.33; Seite 47.25.12; Seite 48.25.17; Seite 51.25.30; Seite 57.26.15; Seite 60.26.30; Seite 65.27.5; Seite 67.27.13; Seite 67.27.15; Seite 68.27.20; Seite 69.27.27; Seite 70.27.28; Seite 73.27.42; Seite 75.27.49; Seite 77.27.55; Seite 82.28.15; Seite 83.28.19; Seite 84.29.3; Seite 85.29.6; Seite 88.29.19; Seite 88.29.21; Seite 92.0.0; Seite 92.29.33; Seite 93.29.36; Seite 94.29.40; Seite 95.29.42; Seite 97.29.50; Seite 98.30.3; Seite 98.30.4; Seite 100.30.11; Seite 102.30.18; Seite 106.0.0; Seite 114.31.17; Seite 115.31.24; Seite 115.31.25; Seite 120.32.5; Cindy Leitner, Wien: Seite 11.21.20; Seite 30.23.9; Seite 32.23.15; Seite 33.23.19; Seite 41.24.21; Seite 45.25.8; Seite 50.25.28; Seite 50.25.29; Seite 55.26.6; Seite 64.27.4; Seite 65.27.7; Seite 65.27.8; Seite 70.27.29; Seite 70.27.30; Seite 72.27.36; Seite 72.27.37; Seite 74.27.44; Seite 74.27.46; Seite 79.28.6; Seite 88.29.20; Seite 93.29.34; Seite 93.29.35; Seite 94.29.38; Seite 105.30.27; Seite 107.30.36; Seite 108.30.37; Seite 121.T 32.1; Seite 124.32.8; Janosch A. Slama, Wien: Seite 7.21.6; Seite 8.21.7; Seite 8.21.8; Seite 8.21.10; Seite 8.21.11; Seite 10.21.16; Seite 11.21.21; Seite 11.21.23; Seite 11.21.24; Seite 12.21.25; Seite 12.21.27; Seite 12.21.28; Seite 12.21.29; Seite 13.21.30; Seite 13.21.31; Seite 16.21.40; Seite 16.21.41; Seite 17.21.43; Seite 18.21.45; Seite 18.21.46; Seite 18.21.47; Seite 18.21.48; Seite 19.21.49; Seite 19.21.50; Seite 19.21.53; Seite 20.22.3; Seite 21.22.6; Seite 22.22.8; Seite 23.22.12; Seite 26.22.25; Seite 26.22.27; Seite 26.22.28; Seite 26.22.29; Seite 27.22.32; Seite 27.22.36; Seite 28.23.2; Seite 28.23.3; Seite 29.23.5; Seite 30.23.8; Seite 31.23.12; Seite 31.23.13; Seite 34.23.25; Seite 34.23.26; Seite 36.24.2; Seite 36.24.3; Seite 37.24.6; Seite 37.24.7; Seite 38.24.9; Seite 38.24.12; Seite 38.24.13; Seite 39.24.14; Seite 39.24.15; Seite 40.24.17; Seite 40.24.19; Seite 41.24.20; Seite 42.24.24; Seite 42.24.29; Seite 43.24.31; Seite 44.25.2; Seite 44.25.3; Seite 44.25.4; Seite 45.25.6; Seite 47.25.13; Seite 47.25.14; Seite 48.25.16; Seite 49.25.20; Seite 49.25.24; Seite 52.25.36; Seite 52.25.38; Seite 52.25.40; Seite 53.25.43; Seite 54.26.2; Seite 54.26.3; Seite 54.26.4; Seite 54.26.5; Seite 55.26.7; Seite 55.26.8; Seite 55.26.9; Seite 56.26.11; Seite 56.26.12; Seite 57.26.14; Seite 58.26.18; Seite 58.26.19; Seite 58.26.20; Seite 58.26.22; Seite 59.26.25; Seite 60.26.27; Seite 61.26.31; Seite 62.26.36; Seite 62.26.37; Seite 62.26.38; Seite 63.26.39; Seite 63.26.42; Seite 63.26.43; Seite 64.27.2; Seite 66.27.11; Seite 68.27.18; Seite 68.27.19; Seite 68.27.21; Seite 68.27.22; Seite 69.27.24; Seite 69.27.25; Seite 69.27.26; Seite 71.27.34; Seite 72.27.39; Seite 74.27.43; Seite 74.27.45; Seite 75.27.47; Seite 76.27.50; Seite 76.27.51; Seite 76.27.52; Seite 76.27.53; Seite 80.28.8; Seite 80.28.11; Seite 81.28.14; Seite 83.28.20; Seite 85.29.7; Seite 86.29.8; Seite 86.29.11; Seite 87.29.13; Seite 88.29.17; Seite 89.29.23; Seite 90.29.26; Seite 90.29.27; Seite 96.29.45; Seite 96.29.46; Seite 99.30.5; Seite 99.30.6; Seite 101.30.12; Seite 101.30.13; Seite 101.30.14; Seite 101.30.15; Seite 102.30.17; Seite 102.T. 30.1; Seite 103.30.19; Seite 103.30.20; Seite 103.30.22; Seite 104.30.23; Seite 104.30.24; Seite 105.30.26; Seite 105.30.28; Seite 107.30.34; Seite 107.30.35; Seite 109.30.41; Seite 110.31.3; Seite 110.31.4; Seite 111.31.6; Seite 111.31.7; Seite 112.31.9; Seite 113.31.15; Seite 113.31.16; Seite 114.31.20; Seite 114.31.21; Seite 117.31.33; Seite 118.32.1; Seite 119.32.3; Seite 122.32.6; Seite 126.32.9; 1. Auflage (Druck 0001) © Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2026 www.oebv.at Alle Rechte vorbehalten. Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, gesetzlich verboten. Redaktion: Marion Heszle, MSc, Wien Herstellung: Sigrid Prünster Umschlaggestaltung: Jens-Peter Becker, normaldesign GbR, Schwäbisch Gmünd Umschlagsbild: Bettina Kumpe, Braunschweig Layout: Jens-Peter Becker, normaldesign GbR, Schwäbisch Gmünd Satz: CMS - Cross Media Solutions GmbH, Würzburg Druck: Ferdinand Berger & Söhne Ges.m.b.H., Horn ISBN 978-3-209-13025-9 (Big Bang US SB 4 + E-Book) ISBN 978-3-209-13028-0 (Big Bang US SB 4 E-Book Solo) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Martin Apolin big bang 4 www.oebv.at Hol dir die Quiz-App zum Schulbuch im App-Store (iOS) oder Google Play-Store (Android)! Wähle in der App dein Buch aus, gib den Gratis-Code BigB4 ein und los geht’s! www.esquirrel.com Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
2 Inhaltsverzeichnis 21 Wärmeenergie 21.1 Beispiele für Energieformen 6 21.2 Wärmeenergie und Teilchenbewegung 8 21.3 Ausdehnung durch Erwärmung 10 21.4 Temperatur und Temperaturmessung 12 21.5 Leistung und Wirkungsgrad 14 21.6 Die Wärmekapazität 16 Übung und Vertiefung 18 22 Wie Wärmeenergie transportiert wird 22.1 Die Wärmeleitung 20 22.2 Die Wärmeströmung 22 22.3 Die Wärmestrahlung 24 Übung und Vertiefung 26 23 Der Wärmehaushalt des Menschen 23.1 Nahrung ist Brennstoff 28 23.2 Wärmeregulation deines Körpers 30 23.3 Extreme Temperaturbedingungen 32 Übung und Vertiefung 34 24 Wärmen und Kühlen im Alltag 24.1 Wärmen und Kühlen im Alltag 36 24.2 Wärmemotoren 38 24.3 Wie man Kälte erzeugt 40 Übung und Vertiefung 42 25 Fest, flüssig und gasförmig – die Phasen eines Stoffes 25.1 Phasen und Phasendiagramme 44 25.2 Schmelzen und Erstarren 46 25.3 Verdampfen und Kondensieren 48 25.4 Sublimieren und Resublimieren 50 Übung und Vertiefung 52 26 Wetter und Wettergeschehen 26.1 Der Einfluss der Sonne auf die Erde 54 26.2 Wolken und Niederschläge 56 26.3 Luftdruck, Wind und Wetter 58 Übung und Vertiefung 62 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
3 27 Der Klimawandel und seine Folgen 27.1 Der Treibhauseffekt 64 27.2 Fossile Brennstoffe 66 27.3 Stromerzeugung in Österreich 68 27.4 Gesamtenergiebedarf in Österreich 70 27.5 Den Verkehr klimafit machen 72 27.6 Klimaszenarien für die Zukunft 74 Übung und Vertiefung 76 28 Was versteht man unter Strahlung? 28.1 Wir leben in einer „Strahlungsdusche“ 78 28.2 Teilchenstrahlung vs. Wellenstrahlung 80 Übung und Vertiefung 83 29 Die Großfamilie der elektromagnetischen Wellen 29.1 Mikrowellen und Radar 84 29.2 Von Infrarot bis Ultraviolett 86 29.3 Röntgen – und Gammastrahlung 88 29.4 Eine kurze Geschichte des Funks 90 29.5 Was ist Digitalisierung? 92 29.6 Mobilfunk und W-LAN 94 Übung und Vertiefung 96 30 Periodensystem und Radioaktivität 30.1 Atome, Periodensystem und Isotope 98 30.2 Radioaktivität und ihre Wirkung 102 30.3 Radioaktive Stoffe in der Medizin 106 Übung und Vertiefung 108 31 Energie aus dem Atomkern 31.1 Kernspaltung 110 31.2 Kernfusion 114 Übung und Vertiefung 116 Lösungen 118 Register 128 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
4 Wie du mit Big Bang arbeitest Warum kann man ohne Verletzungen über glühende Kohlen laufen? Warum legen sich Reptilien gerne in die Sonne? Was ist der Unterschied zwischen Wetter und Klima? Wie entstehen Tornados und wieso wird unser Wetter immer verrückter? Was versteht man unter einem Blackout? Sind die Strahlen im Mikrowellenherd gefährlich? Die Fragen zu Beginn jedes Unterkapitels helfen dir, einen Einblick in das Folgende zu bekommen. Mithilfe dieser Fragen kannst du auch einschätzen, was du zu diesem Thema schon weißt. Grün markierte Aufgaben kennzeichnen Experimente. Die Antworten auf die Fragen findest du auf der Doppelseite. Mit L gekennzeichnete Fragen sind im Lösungsteil beantwortet. Die Aufgabe von Physikerinnen und Physikern ist es herauszufinden, wie alles in diesem Universum funktioniert, und zwar von alltäglichen Dingen bis hin zu Schwarzen Löchern im All. In diesem Buch geht es unter anderem um Wärmeenergie, um das Wetter, den Klimawandel, elektromagnetische Wellen und Radioaktivität und es werden unter anderem folgende Fragen beantwortet: Auf einer Buchdoppelseite gibt es immer ein abgeschlossenes Thema, gewissermaßen eine kurze physikalische Geschichte. Hier geht es zum Beispiel darum, warum du eigentlich Dinge sehen kannst und wieso das Sehen dein wichtigster Sinn ist. 54 Wetter und Wettergeschehen Du hörst immer wieder in den Nachrichten, dass das Wetter verrückter wird. Es wird nicht nur immer wärmer, es gibt gleichzeitig auch immer mehr Gewitter, Starkregen oder Hagel und auch die Stürme werden immer heftiger. Aber wer oder was verursacht eigentlich das Wetter? Wie entstehen Wolken und Nebel und woraus bestehen sie? Wie entstehen Regen, Schnee und Stürme, wie die verheerenden Tornados (B 26.1) und Hurrikans (B 26.21, S. 58)? Und wieso wird das Wetter immer verrückter? Diese und noch viele andere Fragen nehmen wir hier unter die Lupe! In B 26.4 siehst du eine vereinfachte Darstellung des Wasserkreislaufs. Beschreibe diese und beziehe auch A 1 mit ein. Wo kommt all das Wasser her, das in unseren Flüssen fließt? B 26.4 Vereinfachte Darstellung des Wasserkreislaufs Warum ist es im Sommer wärmer als im Winter? Das ist gar nicht so einfach zu beantworten! Hilf dir mit dem Ergebnis von A 2 und mit B 26.5 und ziehe deine Schlüsse daraus. A 3 Sonne Wind Niederschlag Wasserkraftwerk Verdunstung A 4 Sonne Nachmittag Frühlings- und Herbstanfang Sommeranfang Winteranfang Mittag S O W N Vormittag 26.1 Die Sonne rührt gewaltig um Der Einfluss der Sonne auf die Erde Motor des Wettergeschehens ist die Sonne. Sie lässt Wasser verdunsten, erwärmt Ozeane und Kontinente und bringt unvorstellbare Luftmassen in Bewegung. 1 L Warum tropft es von dem Deckel in das Glas (B 26.2)? Versuche die physikalischen Vorgänge bei diesem Versuch zu beschreiben. Leuchte mit einer Lampe senkrecht auf eine Unterlage und betrachte den Lichtfleck (B 26.3 a). Was passiert mit diesem bei schräger Beleuchtung (b)? Welche Folgen hat das für die Beleuchtungsstärke? B 26.3 Ist der Lichtfleck rechts genauso hell wie links? A 1 B 26.2 Was passiert mit dem Wasser am Weg vom Topf links in das Glas rechts? Welche Vorgänge sind daran beteiligt? A 2 26 Das Smalltalk-Thema Nr. 1 26 Zusatzmaterial p5bq2m B 26.1 Ein Tornado ist ein schnell rotierender Luftwirbel, der von der Unterseite einer Wolke bis zum Erdboden reicht und alles mitreißt. B 26.5 Der Weg der Sonne im Laufe eines Tages zu verschiedenen Jahreszeiten aus Sicht einer Person auf der Erde. 55 26 Das Smalltalk-Thema Nr. 1 Mit den Sonnenstrahlen kommt nicht nur Licht, sondern auch Wärmeenergie auf die Erde (B 22.19, S. 24). Wäre die Sonne plötzlich futsch, würde die Erde in 10 Jahren auf –220 °C abkühlen! Zum Glück kann die Sonne nicht einfach verschwinden, aber in der Nacht ist sie gewissermaßen auf einer Hälfte der Erdkugel weg. Darum ist es in der Nacht im Schnitt auch wesentlich kälter als am Tag (B 26.6). B 26.6 Klimadiagramm der Stadt Salzburg: Die Maximaltemperaturen werden in der Regel unter Tags, die Minimaltemperaturen in der Nacht erreicht. Die Sonne erzeugt durch ihr Auf- und Untergehen kurzfristige Temperaturschwankungen. In B 26.6 kannst du aber auch sehr gut die Temperaturänderungen in Laufe eines Jahres sehen. Im Juli ist es zum Beispiel in Salzburg im Schnitt etwa 19 °C wärmer als im Jänner. Warum ist aber der Sommer generell so viel wärmer als der Winter? Das hat nicht mit dem Abstand zwischen Erde und Sonne zu tun, sondern ist eine Folge der Neigung der Erdachse (B 26.7). B 26.7 Erde und Erdbahn im Laufe eines Jahres: Die Erdachse ist 23,5° zur Erdbahn geneigt. Würde die Erdachse senkrecht auf die Erdbahn stehen, wären Tag und Nacht immer exakt gleich lang und es gäbe keine Jahreszeiten. Die Erdachse ist aber geneigt (B 26.7). Im Winter zeigt der Nordpol von der Sonne Niederschlag in mm Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 0 50 100 150 200 25 20 15 10 5 0 -5 -10 Höchsttemperatur Mitteltemperatur Tiefsttemperatur Temperatur in °C Niederschlag in mm Tag und Nacht gleich lang Tag und Nacht gleich lang kurze Tage lange Tage kurze Tage lange Tage Herbst Frühling Sonne Sommer Winter Juni März Dezember Erdachse 23,5° N S Erde weg und im Sommer zu ihr hin. Das hat zur Folge, dass bei uns im Sommer die Tage länger sind als im Winter. Das ist in B 26.8 aus der Weltraumsicht dargestellt und in B 26.5 aus Sicht einer Person auf der Erde ( A 4 ). In Österreich ist es zu Sommerbeginn 16 h lang hell, zu Winterbeginn nur 8 h! Zusätzlich strahlt im Winter die Sonne flacher ein als im Sommer, weil sie tiefer steht ( A 4 , B 26.5). Dadurch werden Licht und Wärme auf eine größere Fläche verteilt (B 26.3 b; A 2 ). Kürzere Tage und flacheres Einstrahlen der Sonne führen dazu, dass es im Winter viel kälter ist als im Sommer. Durch die unterschiedliche Einstrahlung der Sonne kommt es also zu kurzfristigen täglichen und langfristigen jährlichen Temperaturschwankungen auf der gesamten Erde und durch diese wiederum zu riesigen Windsystemen (B 26.26, S. 59). Die Sonne rührt aber nicht nur die Luft gewaltig um, sie bringt durch ihre Wärmestrahlung auch das Wasser zum Verdunsten. Dadurch entsteht der so genannte Wasserkreislauf (B 26.4, A 3 ), der einerseits die Flüsse mit neuem Wasser versorgt und andererseits Niederschläge hervorruft. Kurz kann man also sagen: Die Sonneneinstrahlung erzeugt das Wetter! Dabei ist nur die unterste Schicht der Atmosphäre betroffen (B 26.9). B 26.9 Was wir Wetter nennen, passiert vor allem in der Troposphäre, die bis etwa 10 km hoch reicht. Nur in seltenen Fällen reichen Wolken über 10 km Höhe. Österreich Tag Nacht N S S N Winter Sommer B 26.8 Die Wege durch Licht und Schatten in Winter und Sommer Stratosphäre Troposphäre 0 2000 0 6000 4000 8000 10000 12000 Höhe über dem Meeresspiegel in m Kurz zusammengefasst Durch die unterschiedliche Einstrahlung der Sonne (Tag/ Nacht, sowie Jahreszeiten) entstehen Temperaturunterschiede und somit Winde. Außerdem erzeugt ihre Wärme den Wasserkreislauf. Die Sonne ist also der Motor des Wetters. Beim Einstieg in das Großkapitel bekommst du erste Infos und es werden spannende Fragen aufgeworfen, die im Kapitel beantwortet werden. 54 Wetter und Wettergeschehen Du hörst immer wieder in den Nachrichten, dass das Wetter verrückter wird. Es wird nicht nur immer wärmer, es gibt gleichzeitig auch immer mehr Gewitter, Starkregen oder Hagel und auch die Stürme werden immer heftiger. Aber wer oder was verursacht eigentlich das Wetter? Wie entstehen Wolken und Nebel und woraus bestehen sie? Wie entstehen Regen, Schnee und Stürme, wie die verheerenden Tornados (B 26.1) und Hurrikans (B 26.21, S. 58)? Und wieso wird das Wetter immer verrückter? Diese und noch viele andere Fragen nehmen wir hier unter die Lupe! In B 26.4 siehst du eine vereinfachte Darstellung des Wasserkreislaufs. Beschreibe diese und beziehe auch A 1 mit ein. Wo kommt all das Wasser her, das in unseren Flüssen fließt? B 26.4 Vereinfachte Darstellung des Wasserkreislaufs Warum ist es im Sommer wärmer als im Winter? Das ist gar nicht so einfach zu beantworten! Hilf dir mit dem Ergebnis von A 2 und mit B 26.5 und ziehe deine Schlüsse daraus. A 3 Sonne Wind Niederschlag Wasserkraftwerk Verdunstung A 4 Sonne Nachmittag Frühlings- und Herbstanfang Sommeranfang Winteranfang Mittag S O W N Vormittag 26.1 Die Sonne rührt gewaltig um Der Einfluss der Sonne auf die Erde Motor des Wettergeschehens ist die Sonne. Sie lässt Wasser verdunsten, erwärmt Ozeane und Kontinente und bringt unvorstellbare Luftmassen in Bewegung. 1 L Warum tropft es von dem Deckel in das Glas (B 26.2)? Versuche die physikalischen Vorgänge bei diesem Versuch zu beschreiben. Leuchte mit einer Lampe senkrecht auf eine Unterlage und betrachte den Lichtfleck (B 26.3 a). Was passiert mit diesem bei schräger Beleuchtung (b)? Welche Folgen hat das für die Beleuchtungsstärke? B 26.3 Ist der Lichtfleck rechts genauso hell wie links? A 1 B 26.2 Was passiert mit dem Wasser am Weg vom Topf links in das Glas rechts? Welche Vorgänge sind daran beteiligt? A 2 26 Das Smalltalk-Thema Nr. 1 26 Zusatzmaterial p5bq2m B 26.1 Ein Tornado ist ein schnell rotierender Luftwirbel, der von der Unterseite einer Wolke bis zum Erdboden reicht und alles mitreißt. B 26.5 Der Weg der Sonne im Laufe eines Tages zu verschiedenen Jahreszeiten aus Sicht einer Person auf der Erde. 54 Wetter und Wettergeschehen Du hörst immer wieder in den Nachrichten, dass das Wetter verrückter wird. Es wird nicht nur immer wärmer, es gibt gleichzeitig auch immer mehr Gewitter, Starkregen oder Hagel und auch die Stürme werden immer heftiger. Aber wer oder was verursacht eigentlich das Wetter? Wie entstehen Wolken und Nebel und woraus bestehen sie? Wie entstehen Regen, Schnee und Stürme, wie die verheerenden Tornados (B 26.1) und Hurrikans (B 26.21, S. 58)? Und wieso wird das Wetter immer verrückter? Diese und noch viele andere Fragen nehmen wir hier unter die Lupe! In B 26.4 siehst du eine vereinfachte Darstellung des Wasserkreislaufs. Beschreibe diese und beziehe auch A 1 mit ein. Wo kommt all das Wasser her, das in unseren Flüssen fließt? B 26.4 Vereinfachte Darstellung des Wasserkreislaufs Warum ist es im Sommer wärmer als im Winter? Das ist gar nicht so einfach zu beantworten! Hilf dir mit dem Ergebnis von A 2 und mit B 26.5 und ziehe deine Schlüsse daraus. A 3 Sonne Wind Niederschlag Wasserkraftwerk Verdunstung A 4 Sonne Nachmittag Frühlings- und Herbstanfang Sommeranfang Winteranfang Mittag S O W N Vormittag 26.1 Die Sonne rührt gewaltig um Der Einfluss der Sonne auf die Erde Motor des Wettergeschehens ist die Sonne. Sie lässt Wasser verdunsten, erwärmt Ozeane und Kontinente und bringt unvorstellbare Luftmassen in Bewegung. 1 L Warum tropft es von dem Deckel in das Glas (B 26.2)? Versuche die physikalischen Vorgänge bei diesem Versuch zu beschreiben. Leuchte mit einer Lampe senkrecht auf eine Unterlage und betrachte den Lichtfleck (B 26.3 a). Was passiert mit diesem bei schräger Beleuchtung (b)? Welche Folgen hat das für die Beleuchtungsstärke? B 26.3 Ist der Lichtfleck rechts genauso hell wie links? A 1 B 26.2 Was passiert mit dem Wasser am Weg vom Topf links in das Glas rechts? Welche Vorgänge sind daran beteiligt? A 2 26 Das Smalltalk-Thema Nr. 1 26 Zusatzmaterial p5bq2m B 26.1 Ein Tornado ist ein schnell rotierender Luftwirbel, der von der Unterseite einer Wolke bis zum Erdboden reicht und alles mitreißt. B 26.5 Der Weg der Sonne im Laufe eines Tages zu verschiedenen Jahreszeiten aus Sicht einer Person auf der Erde. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
5 Digitale Zusatzmaterialien Online-Codes Einfach den Code im Suchfenster auf www.oebv.at eingeben und du wirst direkt zu digitalem Zusatzmaterial (zB Videoclips, Animationen, interaktive Übungen) oder Lösungen weitergeleitet. Schwarz hervorgehobene Sätze helfen dir, wichtige Inhalte schneller zu erfassen. Verweise auf die Einstiegsfragen wie dieser hier ( A 8 ) helfen dir, schneller die Antwort auf die zu Beginn gestellten Fragen zu finden. Immer dort wo du das Raketensymbol siehst, findest du spannende Inhalte zur Vertiefung. 114 31.2 Stromerzeugung der Zukunft Kernfusion Warum kann die Sonne so viel Energie freisetzen? Was ist eine Wasserstoffbombe? Und an welchem Kraftwerk der Zukunft forscht man seit vielen Jahren? Die Sonne wird jede Sekunde um rund 1 Milliarde Kilogramm leichter! Das entspricht der Masse von 5000 Blauwalen (B 31.17)! Warum passiert das mit der Sonne? Denke daran, dass diese sehr viel Strahlung aussendet und hilf dir mit A 5 auf S. 110. B 31.17 Blauwale sind die größten Tiere, die je auf der Erde gelebt haben. Die größten Exemplare haben bis zu 200.000 kg. In B 31.18 siehst du den Atompilz der ersten Wasserstoffbombe „Ivy Mike“, die 1952 gezündet wurde. Recherchiere, was man unter einer Wasserstoffbombe versteht und wie sie funktioniert. B 31.18 Die Sprengkraft der ersten Wasserstoffbombe war 800-mal so groß wie die der Hiroshima-Bombe (B 31.14, S. 113). In B 31.19 siehst du einen Fusionsreaktor. In solchen Kraftwerken soll durch Kernfusion ab Mitte des Jahrhunderts Strom erzeugt werden. Wie funktionieren sie und was ist das große Problem dabei? B 31.19 Ein Fusionsreaktor: So könnte die Stromerzeugung der Zukunft aussehen. A 7 A 8 A 9 Du verdankst dein Leben der Kernfusion! Warum? Fast die gesamte Energie, die in deinem täglichen Leben eine Rolle spielt, kommt ursprünglich von der Sonne. Sie schickt ungeheure Mengen davon auf die Erde. Wo ist diese Energie aber her? Sie wird durch Kernfusion im Inneren der Sonne freigesetzt! Dabei werden leichte Elemente zu schwereren fusioniert, also gewissermaßen verschmolzen – zum Beispiel Wasserstoff zu Helium (B 31.20). B 31.20 Eine der Möglichkeiten der Kernfusion: Wasserstoffkerne (1H) werden zu Heliumkernen (4He) verschmolzen. 90 % der Energie, die unsere Sonne freisetzt, kommt von dieser Kernreaktion. Ähnlich wie bei der Kernspaltung geht auch hier Masse verloren. Der Massenverlust der Sonne ist gigantisch: Sie wird pro Sekunde um etwa 1 Milliarde Kilogramm leichter. Wieso? Energie hat ja eine Masse (siehe B 31.6, S. 111). Das sagt die berühmte Gleichung E = mc2. Die abgestrahlte Energie entspricht einer Masse, die der Sonne dann fehlt ( A 7 ). B 31.21 Die typische Schalenstruktur eines alten, großen Sterns: Je weiter innen, desto höher das Element. Damit Eisen entsteht, muss der Stern etwa 8 Sonnenmassen haben. Dann erreicht er im Inneren einige Milliarden Grad. Damit die Kernfusion erfolgreich ist, müssen Temperatur und Dichte extrem hoch sein. Beide wachsen, je näher man der Sternenmitte kommt. Deshalb können innen die schwersten Elemente entstehen (B 31.21). Je größer die Masse eines Sterns, desto extremer sind die Bedingungen im Inneren und desto höhere Elemente werden verschmolzen. Bei Eisen ist aber in jedem Fall Endstation! Noch höhere Elemente entstehen nur bei noch extremeren Bedingungen (siehe S. 100) Positron Positron Neutrino Photon 4 He 3 H 1 H 2 H Photon Neutrino H He C Wassersto Helium Kohlensto NeNeon O Sauersto Si Silicium Fe Eisen 115 31 Die größte Explosion aller Zeiten Kernfusion liefert unglaublich viel Energie. Das will man sich natürlich auch auf der Erde nutzbar machen. Statt gefährlichem, radioaktiven Abfall wie bei der Kernspaltung, entsteht bei der Fusion nur Helium, ein harmloses Gas. Außerdem ist der Brennstoff für die Fusion, nämlich Deuterium ( 1 2 H) und Tritium ( 1 3 H; siehe B 30.14, S. 101); praktisch unerschöpflich vorhanden. Das klingt nach der perfekten Energiequelle für die Zukunft. Aber es gibt große Herausforderungen ( A 9 )! Für Kernfusion braucht man nicht nur Megahitze, sondern auch ultrahohen Druck. Im Inneren der Sonne zum Beispiel ist der Druck etwa 100 Milliarden Mal so groß wie in der Erdatmosphäre. Diesen gigantischen Druck kann man im Labor nicht erzeugen. Damit man das mit der Kernfusion trotzdem hinbekommt, muss man die Temperatur mindestens 6-mal so hoch machen, wie im Inneren der Sonne, also 100 Millionen Grad. B 31.22 Der Tokamak-Fusionsreaktor. B 31.23 Der Tokamak-Reaktor von innen gesehen. Kein Material hält solche Temperaturen aus. Deshalb arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit speziellen Magnetfeldern (B 31.22), um das heiße Gas in der Luft zu halten, ohne dass es die Wände des Reaktors berührt. Warum schwebt das Gas? Bei diesen hohen Temperaturen werden die Elektronen von den Atomkernen weggerissen. Das Gas ist ionisiert, also in geladene Teilchen zerlegt, und ein sogenanntes Plasma. Diese geladenen Teilchen kann man mit Magneten in Schwebe halten. Momentan benötigen Fusionsreaktoren allerdings noch mehr Energie, als sie freisetzen – das ist natürlich nicht das Gelbe vom Ei. Die Serienreife wird nicht vor 2050 erwartet. In gewisser Weise gibt es künstliche Kernfusion schon seit 1952, allerdings nur in unkontrollierter Form. In diesem Jahr wurde nämlich in den USA die erste Wasserstoffbombe (B 31.24) gezündet. Für diese braucht man eine Atombombe als Zünder – das musst du dir mal vorstellen! Bei ihrer Explosion entstehen etwa 100 Millionen Grad. Diese enorme Hitze zündet den eigentlichen Sprengsatz, der zum Beispiel aus Deuterium besteht. Die Hitze der Kernfusion bewirkt dann die eigentliche, stärkere Explosion ( A 8 ). Die Zar-Bombe, die 1961 in Russland zu Testzwecken gezündet wurde, erzeugte die größte, jemals von Menschen verursachte Explosion. Die dabei freigesetzte Explosionskraft kann spielend die gesamte Feuerkraft des Zweiten Weltkrieges übertreffen – inklusive beider Atomschläge auf Japan (B 31.25). B 31.25 Atompilzgrößen der Hiroshima-Bombe und der stärksten Wasserstoffbombe aller Zeiten, der Zar-Bombe. Diese hatte etwa die 5-fache Sprengkraft von Ivy Mike (B 31.18). B 31.24 Schematische Darstellung einer Wasserstoffbombe: Oben befindet sich der Zünder: eine Atombombe. Unten befindet sich das Fusionsmaterial. Durch die enorme Hitze entsteht Kernfusion, die dann die eigentliche Explosion verursacht. Kurz zusammengefasst Bei der Kernfusion werden leichte Elemente zu schwereren verschmolzen, zum Beispiel Wasserstoff zu Helium. Dieser Prozess läuft in der Sonne ab. Künstlich versucht man ihn in Fusionsreaktoren nachzustellen, um die Energieversorgung der Zukunft zu garantieren. Unkontrolliert läuft der Vorgang in einer Wasserstoffbombe ab. 115 31 Die größte Explosion aller Zeiten Kernfusion liefert unglaublich viel Energie. Das will man sich natürlich auch auf der Erde nutzbar machen. Statt gefährlichem, radioaktiven Abfall wie bei der Kernspaltung, entsteht bei der Fusion nur Helium, ein harmloses Gas. Außerdem ist der Brennstoff für die Fusion, nämlich Deuterium ( 1 2 H) und Tritium ( 1 3 H; siehe B 30.14, S. 101); praktisch unerschöpflich vorhanden. Das klingt nach der perfekten Energiequelle für die Zukunft. Aber es gibt große Herausforderungen ( A 9 )! Für Kernfusion braucht man nicht nur Megahitze, sondern auch ultrahohen Druck. Im Inneren der Sonne zum Beispiel ist der Druck etwa 100 Milliarden Mal so groß wie in der Erdatmosphäre. Diesen gigantischen Druck kann man im Labor nicht erzeugen. Damit man das mit der Kernfusion trotzdem hinbekommt, muss man die Temperatur mindestens 6-mal so hoch machen, wie im Inneren der Sonne, also 100 Millionen Grad. B 31.22 Der Tokamak-Fusionsreaktor. B 31.23 Der Tokamak-Reaktor von innen gesehen. Kein Material hält solche Temperaturen aus. Deshalb arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit speziellen Magnetfeldern (B 31.22), um das heiße Gas in der Luft zu halten, ohne dass es die Wände des Reaktors berührt. Warum schwebt das Gas? Bei diesen hohen Temperaturen werden die Elektronen von den Atomkernen weggerissen. Das Gas ist ionisiert, also in geladene Teilchen zerlegt, und ein sogenanntes Plasma. Diese geladenen Teilchen kann man mit Magneten in Schwebe halten. Momentan benötigen Fusionsreaktoren allerdings noch mehr Energie, als sie freisetzen – das ist natürlich nicht das Gelbe vom Ei. Die Serienreife wird nicht vor 2050 erwartet. In gewisser Weise gibt es künstliche Kernfusion schon seit 1952, allerdings nur in unkontrollierter Form. In diesem Jahr wurde nämlich in den USA die erste Wasserstoffbombe (B 31.24) gezündet. Für diese braucht man eine Atombombe als Zünder – das musst du dir mal vorstellen! Bei ihrer Explosion entstehen etwa 100 Millionen Grad. Diese enorme Hitze zündet den eigentlichen Sprengsatz, der zum Beispiel aus Deuterium besteht. Die Hitze der Kernfusion bewirkt dann die eigentliche, stärkere Explosion ( A 8 ). Die Zar-Bombe, die 1961 in Russland zu Testzwecken gezündet wurde, erzeugte die größte, jemals von Menschen verursachte Explosion. Die dabei freigesetzte Explosionskraft kann spielend die gesamte Feuerkraft des Zweiten Weltkrieges übertreffen – inklusive beider Atomschläge auf Japan (B 31.25). B 31.25 Atompilzgrößen der Hiroshima-Bombe und der stärksten Wasserstoffbombe aller Zeiten, der Zar-Bombe. Diese hatte etwa die 5-fache Sprengkraft von Ivy Mike (B 31.18). B 31.24 Schematische Darstellung einer Wasserstoffbombe: Oben befindet sich der Zünder: eine Atombombe. Unten befindet sich das Fusionsmaterial. Durch die enorme Hitze entsteht Kernfusion, die dann die eigentliche Explosion verursacht. Kurz zusammengefasst Bei der Kernfusion werden leichte Elemente zu schwereren verschmolzen, zum Beispiel Wasserstoff zu Helium. Dieser Prozess läuft in der Sonne ab. Künstlich versucht man ihn in Fusionsreaktoren nachzustellen, um die Energieversorgung der Zukunft zu garantieren. Unkontrolliert läuft der Vorgang in einer Wasserstoffbombe ab. 115 nsreaktor. or von innen gesehen. e Temperaturen aus. Deshalb rinnen und Wissenschaftler eldern (B 31.22), um das heiße n, ohne dass es die Wände des m schwebt das Gas? Bei diesen erden die Elektronen von den n. Das Gas ist ionisiert, also in gt, und ein sogenanntes n Teilchen kann man mit alten. Momentan benötigen ngs noch mehr Energie, als sie rlich nicht das Gelbe vom Ei. ht vor 2050 erwartet. Die Zar-Bombe, die 1961 in Russland zu Testzwecken gezündet wurde, erzeugte die größte, jemals von Menschen verursachte Explosion. Die dabei freigesetzte Explosionskraft kann spielend die gesamte Feuerkraft des Zweiten Weltkrieges übertreffen – inklusive beider Atomschläge auf Japan (B 31.25). B 31.25 Atompilzgrößen der Hiroshima-Bombe und der stärksten Wasserstoffbombe aller Zeiten, der Zar-Bombe. Diese hatte etwa die 5-fache Sprengkraft von Ivy Mike (B 31.18). das Fusionsmaterial. Durch die enorme Hitze entsteht Kernfusion, die dann die eigentliche Explosion verursacht. Kurz zusammengefasst Bei der Kernfusion werden leichte Elemente zu schwereren verschmolzen, zum Beispiel Wasserstoff zu Helium. Dieser Prozess läuft in der Sonne ab. Künstlich versucht man ihn in Fusionsreaktoren nachzustellen, um die Energieversorgung der Zukunft zu garantieren. Unkontrolliert läuft der Vorgang in einer Wasserstoffbombe ab. Zum Schluss wird das Wichtigste der Doppelseite nochmals kurz und verständlich zusammengefasst. 62 Übung und Vertiefung Ein halbes Jahr lang Tag 1 L Solarkraftwerke (B 26.34) funktionieren klarerweise mit Sonnenenergie. Aber auch Wasser- und Windkraftwerke werden eigentlich von der Sonne betrieben. Begründe mit Hilfe von B 26.4 (S. 54) und B 26.27 (S. 60). B 26.34 Ein Solarkraftwerk 1 L Die Sonne strahlt in etwa einer Stunde so viel Energie auf die Erde, wie die gesamte Erdbevölkerung in einem Jahr benötigt! Begründe, was du daran sehr gut sehen kannst. 1 L Wann beginnen die Jahreszeiten und was ist das Besondere mit Tag und Nacht an diesem Datum? Vervollständige T 26.2 und recherchiere dazu im Internet. Jahreszeit Datum Besonderheit Frühlingsbeginn längster Tag 22. oder 23.9. T 26.2 Anfang der Jahreszeiten und Zusammenhang mit Tag und Nacht 1 L Recherchiere, an welchen Orten auf der Erde und zu welchen Zeiten der Polartag auftritt, bei dem die Sonne zu bestimmten Zeiten nicht untergeht (B 26.35). Erkläre, warum es dieses Phänomen gibt und beschreibe, wie sich der Polartag auf das Leben und den Alltag der Menschen in diesen Regionen auswirkt und wie eine mögliche Anpassung an dieses Phänomen aussehen könnte. B 26.35 Die Sonne zwischen 23:40 und 3:40 in der Nacht: Wieso geht sie nicht unter? A 12 A 13 A 14 A 15 Wetterstation Teil 1: Lies an einem Außenthermometer oder in einer Wetterapp an mehreren Tagen zu denselben Zeiten die Temperatur ab, trage sie in eine Tabelle ein. Später kannst du die Werte in ein Diagramm übertragen (B 26.36) und den Durchschnitt über einen ganzen Monat berechnen. Wetterstation Teil 2: Bastle dir ein Barometer (B 26.37). Wenn du ein „richtiges“ Barometer zu Hause hast, dann kannst du die Skala beschriften. Wenn das echte Barometer zum Beispiel 1020 hPa zeigt, dann schreibst du diesen Wert dorthin, wo die Nadel des selbstgemachten gerade steht. Wenn du das bei verschiedenen Drücken machst, bekommt du eine ganze Skala. Überprüfe dann den Zusammenhang zwischen Druck und Wetter. B 26.37 Ein selbstgemachtes Dosenbarometer (B 26.23, S. 59) Wetterstation Teil 3: Baue dir einen Luftfeuchtigkeitsmesser (B 26.38). Das Kernstück ist ein Föhrenzapfen. Steigt die Luftfeuchtigkeit, schließen sich die Schuppen. Der aufgeklebte Strohhalm verdeutlicht die Bewegung. Die Skala kannst du mit Hilfe eines echten Luftfeuchtigkeitsmessers beschriften. A 16 30 20 10 1 7 12 20 2 3 4 5 April Tagestemperatur in °C 6 7 8 9 1 B 26.36 Temperaturverlauf über mehrere Tage A 17 Luftdruck Nadel HOCH TIEF Trinkhalm Karton Knetmasse Marmeladeglas Ballon Gummiring Alleskleber A 18 Trinkhalm Skala Föhrenzapfen Knetmasse B 26.38 Ein selbstgemachter Luftfeuchtigkeitsmesser 63 26 Das Smalltalk-Thema Nr. 1 1 L Wetterstation Teil 4: Baue dir aus einer Kunststoffflasche einen Regenmesser (Ombrometer; B 26.39) und miss beim nächsten Regenguss die Millimeter Niederschlag. Begründe, warum das Oberteil wichtig ist und vergleich deine Messung mit den Prognosen aus WetterApps und Wetterdiensten. Recherchiere, wie diese Geräte in der Praxis genutzt werden, zum Beispiel in der Landwirtschaft oder im Bauwesen, und erkläre, wie präzise Wetterdaten dort helfen. 1 L Die Niederschlagsmenge wird entweder in Litern pro m2 angegeben oder in Millimetern. Wie viele l/m2 entsprechen 1 mm? Versuche umzurechnen und überprüfe dann mithilfe des Internets, ob deine Rechnung stimmt. 1 L Recherchiere, was man unter Starkregen versteht. In Wels (OÖ) fiel 2023 innerhalb von 24 h ein Niederschlag von 125 l/m2. Angenommen, das Wasser kann nicht abrinnen, wie hoch würde es dann stehen? Recherchiere, was man unter dem Begriff Bodenversiegelung versteht und welches Problem sich in Zusammenhang mit Starkregen ergibt. Diskutiert in der Gruppe darüber, was man gegen die zunehmende Bodenversiegelung machen könnte und in welchen Zusammenhang der Begriff Renaturierung steht. Recherchiert dazu im Internet. 1 L In B 26.41 siehst du Tropfen, die aus einer Pipette in eine Flüssigkeit fallen. Diskutiere mit Hilfe des Bildes darüber, wie es zur Fehlvorstellung der „tropfenförmigen Tropfen“ kommen konnte. Suche im Internet nach Bildern, in denen fallende Tropfen falsch tropfenförmig dargestellt sind und erstelle eine aufklärende Präsentation. Nutze dafür virtuelle Simulationen oder Videos. A 19 B 26.39 Ein Ombrometer Oberteil der Kunststo - asche Kunststo - asche Skala A 20 A 21 B 26.40 Was früher einmal ein Feld war, ist heute ein Parkplatz A 22 A 23 Wie kommt es zur Druckeinheit mmHg? Recherchiere dazu im Internet. 1 L Erkläre einer Mitschülerin oder einem Mitschüler mit Hilfe von B 26.42, wie eine Blutdruckmessung funktioniert. B 26.42 Blutdruckmessung mit einer Druckmanschette 1 L Leg eine dünne Holzleiste mit etwa 40cm Länge auf einen Tisch, sodass sie etwa ein Drittel übersteht (B 26.43). Lege einige Doppelseiten Zeitungspapier darüber und streiche sie flach (a), damit sie eng anliegen. Wenn du nun auf das Ende der Leiste schlägst, kannst du dieses abbrechen (b). Welche Begründung hast du dafür? Suche aktuelle Daten aus Österreich zu Stürmen und Hagelstürmen, zu Starkregen und Gewittern. Beantworte folgende Fragen: Wo treten diese Unwetter auf und welche Schäden wurden dabei verursacht. Welcher Zusammenhang zum Klimawandel wird angenommen? Welche Vorhersagen für die Häufigkeit und Heftigkeit von Unwettern in Österreich gibt es? Recherchiere dazu im Internet und suche Seiten, denen man vertrauen kann, etwa von Universitäten oder von GeoSphere Austria. Erstelle eine Präsentation und diskutiere in der Gruppe über die vorgestellten Ergebnisse. 1 dZM B 26.41 Tropfen gefärbten Wassers lösen sich von einer Pipette und fallen in eine Flüssigkeit. Wie sehen die Tropfen kurz vor dem Abreißen aus? A 24 A 25 kein Blut uss eingeschränkter Blut uss normaler Blut uss kein Geräusch > 120 mm Hg a b c 120 mm Hg 80 mm Hg kein Geräusch Rauschen A 26 B 26.43 Eine Leiste zerbrechen a b A 27 Übung und Vertiefung Am Ende jedes Großkapitels gibt es eine spannende Doppelseite mit vertiefenden Aufgaben und Experimenten. Hier kannst du das Gelernte gleich anwenden. Bei allen Aufgaben, die mit einem L gekennzeichnet sind, findest du die Lösungen wieder hinten im Buch. Experimente sind wieder grün markiert. Bei Aufgaben die mit „dzM“ gekennzeichnet sind (jeweils eine pro Kapitel) findet ihr online dazu er- weiterte und differen- zierte Arbeitsaufträge. Android iOS 1. Scanne den QR-Code und lade die App auf dein Smartphone oder dein Tablet. 2. Scanne deinen Buchumschlag oder wähle dein Schulbuch in der App-Medienliste aus. 3. Scanne eine gekennzeichnete Buchseite oder wähle ein Audio/Video aus der App-Medienliste aus. öbv QuickMedia Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
6 Wärmeenergie Die Sonne (B 21.1) hat eine Oberflächentemperatur von 6000 Grad Celsius! Im Inneren herrschen höllisch heiße 15 Millionen Grad Celsius! Und beim Big Bang hatte es sogar 100 Quintillionen (1032) Grad Celsius! Wow! Aber was macht die ungeheure Hitze im Inneren eines Sternes aus? Und was passiert beim Erwärmen eines Gegenstandes? Um das zu verstehen, werden wir die Atome und Moleküle, aus denen alles rund um dich herum besteht, unter die Lupe nehmen. Vorher sehen wir uns aber verschiedene Formen der Energie an und überlegen, was diese, trotz ihrer großen Unterschiede, gemeinsam haben. Speicherkraftwerke (B 27.22, S. 68) haben riesige Becken, in die man Wasser hinaufpumpt, um es später zur Stromerzeugung wieder abzulassen. Welche Energieform ist in den Wassermassen gespeichert? Wenn ein Mensch zum Sprung ansetzt (B 21.3), wird in den Sehnen Energie gespeichert, die dann beim Sprung wieder freigesetzt wird. Wie könnte man diese Form der Energie nennen? B 21.3 Das ist ein sogenanntes Stroboskopbild einer Sportlerin beim Absprung. Welche Energieform ist in ihren Sehnen kurz vor dem Absprung gespeichert? Wie könnte man die Energie nennen, die in der Nahrung gespeichert ist? In welchen Einheiten ist der Nährwert auf Lebensmitteln angegeben? Schau auf einer Verpackung nach! A 2 A 3 A 4 21.1 Von Asteroiden und Dinos Beispiele für Energieformen Es gibt unglaublich viele verschiedene Formen von Energie. Wir sehen uns einige davon an, die für dich auch im Alltag von Bedeutung sind. Vor 65 Millionen Jahren prallte ein etwa 10 km großer Asteroid auf die Erde (B 21.2). Das führte in der Folge zum Aussterben der Saurier. Beschreibe, welche Form der Energie ein sich bewegendes Objekt besitzt. B 21.2 So etwa könnte der Aufprall des „Saurier-Asteroiden“ ausgesehen haben. Der Einschlag führt zu einem etwa 180 km großen Krater und er verursachte gewaltige Staub- und Aschewolken, die die Sonne verdunkelten und zu einem Massensterben führten. A 1 21 Wie heiß war der Big Bang? Zusatzmaterial p522pv B 21.1 Eine Sonneneruption im Größenvergleich mit der Erde Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
7 21 Wie heiß war der Big Bang? Bewegte Objekte besitzen Bewegungsenergie. Diese wächst mit Masse und Geschwindigkeit des Objekts. Deshalb kann die freiwerdende Bewegungsenergie beim Aufprall eines Autos, eines Projektils (B 21.4) oder eines Asteroiden ( A 1 ) verheerende Folgen haben. Mit der Bewegungsenergie des Windes kann man Windräder antreiben und auf umweltfreundliche Weise Strom erzeugen (B 27.23, S. 69). B 21.4 Ein Projektil hat aufgrund des hohen Tempos eine sehr große Bewegungsenergie. In einem gehobenen Objekt befindet sich Hebeenergie. Diese hängt von der Hebehöhe und der Masse des Objekts ab. Wasserkraftwerke nutzen den Höhenunterschied des Wassers aus, um Strom zu erzeugen. Bei einem Laufkraftwerk beträgt der Höhenunterschied etwa 10 m (B 27.18, S. 68). Bei einem Speicherkraftwerk ( A 2 ) kann der Höhenunterschied aber viele hundert Meter betragen. Deshalb ist in den Wasserbecken besonders viel Energie gespeichert, die bei Engpässen benutzt wird. B 21.5 Die Physik macht auch nicht vor einem Elfenbogen halt. Verformte elastische Objekte besitzen Verformungsenergie. Diese Energieform befindet sich beim Absprung in deinen gedehnten Sehnen ( A 3 ), in einem gespannten Bogen (B 21.5) oder in einem elastischen Ball, der gerade aufprallt und sich eindellt. Hebeenergie, Bewegungsenergie und Verformungsenergie gehören zu den mechanischen Energieformen. Sehen wir uns noch drei andere wichtige Energieformen an. In der Nahrung ist chemische Energie gespeichert ( A 4 ), die dein Körper zum Leben braucht. In brennbaren Materialien befindet sich ebenfalls chemische Energie, die im Falle eines Brandes in Wärmeenergie umgewandelt wird. Leuchtende und radioaktive Körper senden Strahlungsenergie aus. Und schließlich soll noch die elektrische Energie erwähnt werden, die praktisch alle Haushaltsgeräte betreibt und ohne die auch Internet und Handy nicht funktionieren! Die elektrische Energie wird für die Zukunft der Menschheit eine große Rolle spielen. B 21.6 Beispiele für einen Energiemenge von 1000 Joule (= 1 kJ): Alle Formen von Energie werden in der Einheit Joule angegeben. Obwohl Energieformen sehr unterschiedlich sind, haben sie Gemeinsamkeiten: Energie ist notwendig, damit Vorgänge ablaufen können. Die chemische Energie in der Nahrung „betreibt“ zum Beispiel deinen Körper. Energie liefert daher den Antrieb für Abläufe aller Art. Die zweite Gemeinsamkeit ist, dass man jede Form der physikalischen Energie in der Einheit Joule (J) messen kann. Diese Joule (J) bzw. Kilojoule (1 kJ = 1000 J) sind zum Beispiel auf Lebensmitteln angegeben ( A 4 ; B 21.6). Die ebenfalls angegebenen Kilokalorien (kcal) sind eine veraltete Einheit, die man eigentlich nicht mehr verwenden sollte. Auch im Alltag ist oft von „Energien“ die Rede. Aber die „guten Energien“ auf einem Konzert oder einer Party sind keine Energien im physikalischen Sinn. Du kannst sie nicht in Joule messen und dir damit auch kein Süppchen wärmen! Wichtig: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Die Menge der Joule im Universum ist daher immer gleich groß. Das nennt man Energieerhaltung. Kurz zusammengefasst Energie hat sehr viele Gesichter. Trotzdem gibt es Gemeinsamkeiten: Jede Form der Energie liefert den Antrieb für Vorgänge aller Art und wird immer in Joule gemessen. Die Gesamtmenge der Energie im Universum ist konstant. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
8 21.2 Der Friedhof der Energie Wärmeenergie und Teilchenbewegung Wenn man einen Körper erwärmt, dann hat er innen drinnen mehr Energie, also mehr Joule. Aber wo „verstecken“ sich die Joule? Was ist bei einem warmen Gegenstand innen drinnen anders als bei einem kalten? Nimm an, du hältst einen Tonklumpen und dieser hat 10 J Hebeenergie (B 21.7 a). Wenn du ihn fallen lässt, dann wandelt sich diese Hebeenergie in Bewegungsenergie um (b). Dann macht es „Poff“(c) und der Klumpen klebt am Boden. Jetzt sind beide Energieformen auf 0 J gesunken! Aber es gilt die Energieerhaltung! Wo sind die 10 J hin verschwunden? Der Botaniker Robert Brown entdeckte 1827, dass Pollenkörner in einem Wassertropfen Zick-ZackBewegungen ausführen. Hast du eine Idee, warum das so sein könnte? B 21.8 Warum zittern Pollenkörner im Wasser? Unten siehst du zwei Teebeutel eine Minute nach dem Aufgießen mit unterschiedlich warmem Wasser. Beschreibe den Unterschied und versuche zu erklären, wodurch er zustande kommen könnte. B 21.9 Der Blick in zwei verschiedene Teetassen eine Minute nach dem Aufgießen mit unterschiedlich warmem Wasser. Gib je ein Stück Zucker in heißes und in kaltes Wasser. Wo löst es sich schneller auf? Versuche zu erklären, warum das so ist und stelle eine Verbindung zu A 7 her. A 5 10J a b c POFF! ?? 0J Hebeenergie Bewegungsenergie 0J 0J 10J 0J B 21.7 Wohin verschwinden die 10 Joule? Sind sie futsch? A 6 A 7 A 8 Man kann Wärmeenergie sehr gut verstehen, wenn man die Atome und Moleküle unter die Lupe nimmt. Diese sind niemals in Ruhe, sondern wuseln in allen Stoffen und Objekten ständig ungeordnet hin und her. In dieser ungeordneten Bewegung steckt ungeordnete Bewegungsenergie, die letztlich nichts anderes ist, als die schon vorhin erwähnte Wärmeenergie! Wärmeenergie ist also ungeordnete Bewegungsenergie! Und man kann sie, wie jede Energieform, in Joule messen. Die ständige Bewegung der Teilchen nennt man Wärmebewegung. Und das bringt uns zu Robert Brown und seinen Pollenkörnern zurück. Brown dachte zuerst, dass er kleine Lebewesen beobachtet hätte ( A 6 ), aber auch Staubkörner machten diese Zick-Zack-Bewegungen. Die Erklärung dafür lieferte erst 1905, also fast 80 Jahre später, der Physiksuperstar Albert Einstein. Die Pollen werden nämlich von den Wassermolekülen geschubst (B 21.10). Diese sieht man aber nicht unter dem Lichtmikroskop, weil sie so winzig sind. Daher sieht man nur das Herumeiern der Pollen, das man heutzutage als Brownsche Bewegung bezeichnet. Brown hat also durch Zufall vor bereits vor rund 200 Jahren die Wärmebewegung der Teilchen entdeckt. Wenn du beim Aufprall des Tonklumpens ( A 5 ) die Teilchen betrachtest, verstehst du sofort, wohin die Energie „verschwindet“. Durch den Aufprall beginnen die Atome und Moleküle heftiger zu schwingen (B 21.11 b). Die Bewegungsenergie des Tonklumpens kommt gewissermaßen in Unordnung, und diese ungeordnete Bewegungsenergie ist eben nichts anderes als die Wärmeenergie. Dort stecken also die 10 J! B 21.11 Durch den Aufprall erhöht sich die ungeordnete Bewegungsenergie der Teilchen im Tonklumpen. Mit anderen Worten: Der Tonklumpen hat sich erwärmt. Pollen Wassermoleküle B 21.10 Unter dem Mikroskop: nicht sichtbare Wassermoleküle schubsen die sichtbaren Pollen. a Bewegungsenergie und ungeordnete Bewegungsenergie nur ungeordnete Bewegungsenergie b Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
9 21 Wie heiß war der Big Bang? heftiger wird die ungeordnete Bewegung. Damit kann man eine Menge Effekte erklären, zum Beispiel die Sache mit dem Teesäckchen ( A 7 ). Je wärmer das Wasser ist, desto heftiger bewegen sich die Moleküle und desto härter prallen sie auf den Teebeutel und seinen Inhalt. Durch das stärkere Geschubse werden die Inhaltsstoffe besser herausgelöst und verteilen sich auch leichter. Auch der Zucker löst sich aus diesem Grund im warmen Wasser schneller auf als in kaltem ( A 8 ). Und Wäsche wird aus diesem Grund bei 90° C sauberer als bei 30 °C. Weil die Wassermoleküle dann härter aufprallen, können sie effizienter den Schmutz ablösen (B 21.14). B 21.14 Ein T-Shirt aus Baumwolle unter dem Elektronenmikroskop vor (links) und nach dem Waschen (rechts). Man kann die Verschmutzung links deutlich sehen. Weil die Wassermoleküle bei heißem Wasser härter aufprallen, können sie den Dreck besser von den Fasern lösen. Immer, wenn eine Energieform in eine andere umgewandelt wird, entsteht zusätzliche Wärmeenergie. Diese verpufft meistens in der Umgebung und ist dann nicht mehr nutzbar. Darum ist Wärmeenergie gewissermaßen der Friedhof der Energie. Energie kann aber nicht verbraucht, sondern nur von einer in eine andere Form umgewandelt werden. Wenn man schlampig vom „Energieverbrauch“ spricht, meint man eigentlich, dass nicht mehr nutzbare Wärmeenergie entsteht. In manchen Fällen gelingt es aber, die Wärme noch zu nutzen. Davon ist in Kap. 24.2, S. 38 noch ausführlich die Rede. Ton ist plastisch und bleibt dauerhaft verformt. Deshalb ist die ganze Bewegungsenergie beim ersten Aufprall futsch. Ein elastischer Ball fluppt nach dem Aufprall aber wieder in seine ursprüngliche Form zurück. Daher wird nur ein Teil der Bewegungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt. Sehen wir uns dazu den hüpfenden Basketball in B 21.12 genauer an. B 21.12 Beim hüpfenden Basketball sind vier Energieformen beteiligt, die in Summe genau erhalten bleiben! Bei diesem hüpfenden Ball kommen vier Energieformen vor. Die Hebeenergie (a) wandelt sich beim Fallen (b) nach und nach in Bewegungsenergie um, die beim Aufprall (c) maximal wird. Sobald der Ball den Boden berührt, wird er zusammengeknautscht und seine Geschwindigkeit auf null abgebremst. Jetzt steckt die Energie in der Verformungsenergie. In B 21.12 ist das nicht zu sehen, aber in B 21.13 bekommt du einen guten Eindruck davon. Jetzt geht’s wieder retour. Der Ball entspannt sich, hebt ab und die Bewegungsenergie wird nach und nach wieder in Hebeenergie umgewandelt (d). Aber der Ball springt nicht mehr so hoch wie vorher (e)! Warum? Beim Aufprall haben sich Boden und Ball einen Tick erwärmt. Die Hebeenergie, die bei e fehlt, steckt in der Wärmeenergie von Ball und Boden. Die Gesamtenergie ist brav konstant, wie das von der Energieerhaltung vorgeschrieben wird! Wärmeenergie bedeutet also Bewegung der Atome und Moleküle. Je stärker man etwas erwärmt und je höher die Temperatur des Objekts wird, desto Kurz zusammengefasst Wärmeenergie ist nichts anderes als die ungeordnete Bewegungsenergie der Teilchen. Je heißer, desto stärker die Bewegung und desto höher die Wärmeenergie. Bei allen Energieumwandlungen entsteht Wärmeenergie, die meistens nicht mehr genutzt werden kann. Wärmeenergie ist daher gewissermaßen der „Friedhof der Energie“ und man spricht im Alltag schlampig vom „Energieverbrauch“. B 21.13 Autsch! Wenn ein Ball seine maximale Verformung erreicht, hat sich seine Bewegungsenergie in Verformungsenergie umgewandelt. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
10 21.3 Gleisverwerfung und Co. Ausdehnung durch Erwärmung Alles dehnt sich aus, wenn es erwärmt wird. Wenn man das im Alltag nicht beachtet, kann das zu kleinen und großen Katastrophen führen. Füllt man siedendes Wasser in ein Glas, bekommt dieses öfters einen Sprung. Welche Erklärung hast du dafür? Und wie funktioniert hitzebeständiges Glas? Tauche eine leere Flasche unter Wasser und erwärme sie mit beiden Händen (B 21.15). Beobachte nun die Öffnung. Was passiert nach einiger Zeit? Welche Erklärung hast du dafür? Wickle mit Hilfe eines Stifts einen Streifen Kaugummipapier zu einer Spirale (B 21.16 a) und erwärme diese dann über einer Flamme (b). Erkläre, was passiert und begründe deine Beobachtungen. Rohre, die heißes Wasser oder Dampf transportieren, haben hin und wieder eigenartige Schleifen eingebaut (B 21.17). Recherchiere den Grund dafür im Internet. Wieso darfst du volle Spraydosen niemals ins Feuer werfen? Erkläre den Zusammenhang zu A 10 . B 21.15 Was kannst du beobachten? Wie kannst du das erklären? A 9 A 10 A 11 a b B 21.16 Was passiert mit dem Kaugummipapier und warum? A 12 B 21.17 Was haben diese kuriosen Schleifen für einen Sinn? A 13 Egal ob fest, flüssig oder gasförmig: Wenn man Stoffe erwärmt, dehnen sich diese aus! Man nennt den Effekt Wärmeausdehnung. Dieser kommt vereinfacht gesagt dadurch zu Stande, dass die Teilchen bei höheren Temperaturen wegen der stärkeren Bewegungen mehr Platz brauchen. Sehen wir uns dazu Beispiele mit besonders viel Alltagsbezug an. Fangen wir bei den Gasen an. Dass sich diese durch Erwärmung ausdehnen, kannst du sehr schön bei der Flasche in A 10 sehen. Bereits die Temperatur der Hände und ein wenig Geduld reichen aus, dass Luftblasen aus der Öffnung blubbern. Wenn Gase erhitzt werden, aber keinen Platz zum Ausdehnen bekommen, dann erhöht sich der Druck. Deshalb darf man niemals volle Spraydosen ins Feuer werfen, weil sie dann explodieren könnten ( A 13 ). Die Wärmeausdehnung der Luft ist auch der Grund, warum man den Druck von Autoreifen (B 21.18) immer in möglichst kaltem Zustand überprüfen sollte, also zu Beginn einer Fahrt. Die Angaben für den Reifendruck gelten nämlich für kalte Reifen. Misst man bei warmen Reifen, etwa nach einer längeren Fahrt auf der Autobahn, ist der Druck gestiegen und sieht in Ordnung aus, obwohl er eventuell zu niedrig ist. Die Ausdehnung von Flüssigkeiten wird beim Flüssigkeits-Thermometer ausgenützt. Davon ist im nächsten Kapitel die Rede. Auch beim Heizen mit Radiatoren (B 21.19) muss man die Wärmeausdehnung berücksichtigen. Das heiße Wasser im Heizungssystem braucht ein Expansionsgefäß. Dieser meist zylindrische Metallbehälter ist mit Gas gefüllt und gibt dem Wasser Platz, sich bei Erwärmung auszudehnen (= expandieren). B 21.19 Wärmebild eines Radiators, auf dem Kleidung zum Trocken aufgehängt ist. Wärmebilder werden in Kap. 22.3 noch genauer besprochen. B 21.18 Den Reifendruck sollte man nur in kaltem Zustand überprüfen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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