2 Bernsteiner-Zunzer · Knaus · Reichel · Zunzer Fixpunkte Physik
Fixpunkte Physik 2, Schulbuch + E-Book Schulbuchnummer: 215576 Fixbunkte Physik 2, Schulbuch E-Book Solo Schulbuchnummer: 215577 Mit Bescheid des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Forschung vom 18.07.2024, GZ 2022-0.744.236, gemäß § 14 Abs. 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBl. Nr. 472/86, und gemäß den derzeit geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch für die 2. Klasse an Mittelschulen im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2023) und für die 2. Klasse an allgemein bildenden höheren Schulen – Unterstufe im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2023) geeignet erklärt. Dieses Werk wurde auf der Grundlage eines zielorientierten Lehrplans verfasst. Konkretisierung, Gewichtung und Umsetzung der Inhalte erfolgen durch die Lehrerinnen und Lehrer. Liebe Schülerin, lieber Schüler, du bekommst dieses Schulbuch von der Republik Österreich für deine Ausbildung. Bücher helfen nicht nur beim Lernen, sondern sind auch Freunde fürs Leben. Kopierverbot Wir weisen darauf hin, dass das Kopieren zum Schulgebrauch aus diesem Buch verboten ist – § 42 Abs. 6 Urheberrechtsgesetz: „Die Befugnis zur Vervielfältigung zum eigenen Schulgebrauch gilt nicht für Werke, die ihrer Beschaffenheit und Bezeichnung nach zum Schul- oder Unterrichtsgebrauch bestimmt sind.“ Auf Grundlage des Lehrbuchs von Gollenz · Breyer · Reichel · Tentschert · Zunzer Umschlagbilder: Pilat666 / Getty Images - iStockphoto; Leandro Crespi/Stocksy - stock.adobe.com 1. Auflage (Druck 0001) © Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2024 www.oebv.at Alle Rechte vorbehalten. Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, gesetzlich verboten. Redaktion: Natascha Hofka, Wien; Florentin Triebl, Wien Herstellung: Raphael Hamann, Wien; Oleksandra Toropenko, Wien Umschlaggestaltung: CMS – Cross Media Solutions, Würzburg Layout: CMS – Cross Media Solutions, Würzburg Satz: CMS – Cross Media Solutions, Würzburg Druck: Ferdinand Berger & Söhne GmbH, Horn ISBN 978-3-209-13029-7 (Fixpunkte Physik SB 2 + E-Book) ISBN 978-3-209-13032-7 (Fixpunkte Physik SB 2 E-Book Solo) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Bernsteiner-Zunzer · Knaus · Reichel · Zunzer Mag. Sarah Bernsteiner-Zunzer Mag. Brigitte Knaus Mag. Dr. Erich Reichel Mag. Dr. Stefan Zunzer Fixpunkte Physik 2 www.oebv.at Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Inhaltsverzeichnis 17 Die Ausbreitung des Lichts 50 18 Schatten 52 19 Vom Leuchtfleck zum Bildfleck – die Lochkamera 54 20 Reflexion 56 21 Ebener Spiegel und das Reflexionsgesetz 58 22 Hohl- und Wölbspiegel (Konkav- und Konvexspiegel) 62 23 Sicherheit im Straßenverkehr 66 Überprüfe deine Kompetenzen 68 Sehen und Optik in der Physik 70 24 Brechung von Licht 71 25 Optische Linsen - die Sammellinse und die Zerstreuungslinse 73 26 Das Auge 78 27 Sehfehler 81 Überprüfe deine Kompetenzen 82 Die Erde und ihr Licht 84 28 Unser Sonnensystem 85 29 Entstehung von Tag und Nacht 88 30 Mondbeobachtung 91 31 Mondphasen 92 32 Spezielle Schattenphänomene 94 33 Jahreszeiten 96 Überprüfe deine Kompetenzen 98 Farben 100 34 Weißes Licht und seine Farbzusammensetzung 101 35 Farben in der Natur 104 36 Farben um dich herum 106 37 Farbmischung 108 Überprüfe deine Kompetenzen 110 Lösungen 112 Sammlung von Fachbegriffen 115 Register 116 Praxistipps im Umgang mit Medien 3 Blick ins Buch 6 Grundlagen 6 1 Die Physik ist eine Naturwissenschaft 9 2 Naturwissenschaftliche Forschung 10 3 Forschungsbuch 12 4 Experimente und Messungen 13 5 Grundlegende physikalische Größen 16 Überprüfe deine Kompetenzen 20 Schall Faszination Schall 22 6 Die Entstehung des Schalls 23 7 Schallleitung 25 8 Schallgeschwindigkeit und Echo 27 9 Tonhöhe und Frequenz 29 10 Schallmessung 31 Überprüfe deine Kompetenzen 32 Hören und Akustik in der Physik 34 11 Das Ohr 35 12 Die Wahrnehmung des Schalls 37 13 Gefährdungen durch Schall – Lärmschutz 39 Überprüfe deine Kompetenzen 42 Licht Faszination Licht 44 14 Lichtquellen im Alltag 45 15 Sichtbarkeit von Körpern 46 16 Sicherer Umgang mit Lichtquellen 48 2 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
In der Wissenschaft ist das Recherchieren von Informationen besonders wichtig. Es ist der erste Schritt, um eine Forschungsfrage zu beantworten. Auch bei vielen Aufgaben im Unterricht ist es notwendig, Informationen im Internet zu recherchieren. Eine Recherche ist die Suche nach bestimmten Informationen. Dazu werden verschiedene Informationsquellen benutzt. Das sind z. B. Fachzeitschriften, Bücher oder häufig Webseiten oder Videoportale im WWW (World Wide Web). Das WWW ist Teil des Internets, oft spricht man daher auch von Internetrecherche. Suchergebnisse filtern - so wirst du zum Recherche-Profi! Bei der Eingabe eines Suchbegriffes in einer Suchmaschine erhält man oft viel zu viele Ergebnisse. • Oft sind die ersten Links, die auf der Suchseite gezeigt werden, Werbung oder bezahlte Links, die dich täuschen könnten. • Verwende Anführungszeichen, um exakte Wortverbindungen zu suchen, z.B. „Grundfarben beim Farbensehen“. • Verwende mehrere Suchbegriffe. • Nutze auch Filtermöglichkeiten von Suchmaschinen. Damit kannst du die Suche einschränken und z.B. nur Ergebnisse des aktuellen Jahres anzeigen lassen. Checkliste zur Beurteilung deiner Quellen Es ist wichtig, die Vertrauenswürdigkeit deiner Suchergebnisse kritisch zu beurteilen. Folgende Fragen helfen dir dabei: ✓ Wer hat die Informationen verfasst? In jedem Buch und auf jeder Website muss klar ersichtlich sein, von wem die Informationen stammen. Auf einer Website kann das oft versteckt sein. Oft findest du Angaben dazu unter „Kontakt“ oder „Impressum“. ✓ Wie gut ist die Information begründet? Achte darauf, ob es sich um die Meinung einer einzelnen Person handelt oder ob allgemein anerkannte Tatsachen beschrieben werden. Sei besonders bei Einzelmeldungen in Internetforen oder auf persönlichen Webseiten (Blogs) kritisch – suche noch weitere Quellen. ✓ Wie aktuell ist das Suchergebnis? Achte auf Datumsangaben. ✓ Berate dich mit deiner Lehrperson, wenn du dir nicht sicher bist. Wie notiere ich meine Recherche-Ergebnisse? Du hast interessante Informationen aus vertrauenswürdigen Quellen gefunden? Großartig! Notiere deine Informationen und gib an, woher du sie hast. Damit kannst du die Quelle wieder finden und andere können nachvollziehen, woher deine Daten und Ergebnisse stammen. Wichtig! Gib immer die Quelle deiner Informationen an, z.B. so: • „Nobelpreis für Physik 2023 an Prof. Ferenc Krausz“ (https://oepg.at/de/ berichte/2023-10-5-nobelpreis-fuer-physik-2023-an-prof-ferenc-krausz, abgerufen am 17.07.2024) • „Physik-Olympiade-Kurse finden an höheren Schulen in ganz Österreich statt.“ (https://www.physikolympiade.at/teilnahme, abgerufen am 17.07.2024) 1 Filtere deine Suchergebnisse und erhalte bessere Ergebnisse. 2 Beurteile Quellen immer kritisch und suche immer nach mehreren Quellen, um Ergebnisse zu vergleichen. 3 Notiere die Quellen deiner Informationen. Wusstest du schon…? …, dass du bei einer Recherche beachten musst, dass nicht alle Informationen richtig sind. Manchmal sind den Personen, die die Informationen veröffentlichen, Fehler passiert. Manchmal sind die Informationen nicht mehr aktuell. Manchmal werden auch absichtlich falsche Informationen bereitgestellt, um Menschen zu täuschen (Fake News). Achtung! Oft sind Informationen im Internet oder auch in Büchern/Zeitschriften falsch! Praxistipps im Umgang mit Medien 3 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Du bist dran: Probiere es gleich selbst aus. Recherchiere im Internet, was du zum Thema „Einsatz von Smartphones im Unterricht“ findest. Erstelle eine Checkliste und beschreibe deine Rechercheergebnisse. ✓ Wer hat die Informationen verfasst? ✓ Wie gut ist die Information begründet? ✓ Wie aktuell ist das Suchergebnis? Meine Rechercheergebnisse: Dein Smartphone muss richtig eingesetzt werden Dein Smartphone kann dir das Leben erleichtern, du musst es jedoch richtig einsetzen. Um einen verantwortungsvollen Umgang zu trainieren, findest du auf den nächsten Seiten ein paar Tipps, wie du es im Physikunterricht gut einsetzen kannst. Verwende dein Smartphone nur, wenn es deine Lehrperson erlaubt. Das Smartphone solltest du in der Schule nur verwenden, wenn es deine Lehrperson ausdrücklich erlaubt. Die Zeitlupen-Funktion erlaubt dir langsame Videos aufzunehmen. Die sogenannte Zeitlupen-Funktion ist eine andere Bezeichnung für Slow-Motion, was so viel wie „langsame Bewegung“ heißt. Vor allem bei Experimenten kann dir diese Funktion helfen, das Experiment in Zeitlupe aufzunehmen und genau zu analysieren (Abb. 4). Du findest diese Funktion in den Einstellungen deiner Kamera. Diese sind bei jedem Smartphone unterschiedlich und nicht alle Smartphones besitzen diese Funktion. Du bist dran: Schau nach, ob du diese Funktion auf deinem Smartphone hast. Macht gemeinsam in der Klasse ein kleines Experiment (z.B. ein fallender Ball) und nehmt dieses in Zeitlupe auf. Verschiedene Handy-Apps erleichtern das Experimentieren. Es gibt unzählige Apps, bei der du die verschiedensten Funktionen auf deinem Smartphone aktivieren kannst (Abb. 5). In der 2. Klasse ist vor allem der Einsatz des Mikrofons und der Kamera interessant. Mit der Kamera kannst du vor allem deine Experimente dokumentieren. Das Mikrofon kannst du zur Analyse von verschiedenen Tönen oder Geräuschen verwenden, aber auch selbst Töne generieren. In den nächsten Klassen kannst du dann auch das sogenannte „Gyroskop“ in deinem Smartphone verwenden. Dieses kann die Geschwindigkeit von deinem Smartphone messen, wenn du es kontrolliert fallen lässt, oder zeigt dir, wie dein Smartphone gerade ausgerichtet ist, wenn es am Tisch liegt oder du es gerade in der Hand hältst. 4 Die Zeitlupen-Funktion (hier gibt es 2 Optionen, die Zeitlupen-Funktion und die Super Slo-Mo-Funktion) findest du oft unter dem Menüpunkt „MEHR“ in deinen Kameraeinstellungen. 5 Die Handy-App „PhyPhox“ kann die Daten der Sensoren deines Smartphones auslesen und grafisch darstellen. 4 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Mit Hilfe von Simulationen (du findest sie in der öbv-Quickmedia-App passend zum Schulbuch), kannst du manche Experimente auch digital durchführen. Du ersparst dir damit den Aufbau des Experiments, aber natürlich kann die Simulation ein richtiges Experiment niemals vollständig ersetzen. Der große Vorteil einer Simulation ist jedoch, dass du die einzelnen Bedingungen des Experiments gezielt verändern kannst. 6 Screenshot der Simulaton zur Lochkamera Wie du in Abb. 6 sehen kannst ist hier ein Experiment vereinfacht dargestellt. Du wirst das Experiment in Kapitel 19 (Lochkamera) selbst durchführen können. Es handelt sich hierbei um keine „richtige“ Lochkamera, so wie du sie selbst nachbauen wirst, aber es zeigt dir die Realität als Modell. Im unteren Bereich der Simulation kannst du die einzelnen Positionen von Gegenstand, Lochblende (kleine Öffnung im Papier bzw. in der Lochkamera) und dem Schirm verändern. Bewege den Punkt nach links und rechts und beobachte, wie sich das Bild ändert. Mit den „Erweiterten Einstellungen“ (in der Mitte unten) kannst du weitere Details einblenden und die Größe der Blende oder die Höhe des Gegenstands verändern. Mit dem Button rechts unten kannst du die Einstellungen wieder zurücksetzen. Du kannst die Simulationen über die Quickmedia-App abrufen. Wenn eine Simulation zum Inhalt der Seite verfügbar ist, vermerken wir das mit einem Zeichen der App im unteren Bereich der Seite. In den meisten Fällen verpacken wir die Simulation in eine Aufgabe und erklären genau, wie du die Simulation richtig einsetzt. In der Randspalte findest du oft auch einen Screenshot zur Simulation, damit du diese nicht übersiehst. Mit Online-Codes kommst du schneller zum digitalen Zusatzmaterial. Die Online-Codes findest du immer am Beginn des Kapitels (Abb. 9). Gib den Code einfach im Suchfenster auf www.oebv.at ein und du wirst direkt zu unserem digitalen Zusatzmaterial (z. B. Simulationen) weitergeleitet. Bei Simulationen kannst du die Bedingungen gezielt verändern 8 Das Logo von der Quickmedia-App 9 Die Online Codes findest du immer auf der Einstiegsseite eines neuen Grokapitels. Faszination Schall Bonusmaterial Ó 8mq4pp Du siehst hier verschiedene Situationen, in denen du Geräusche wahrnehmen kannst. Beschreibe die folgenden Bilder und lege fest, ob diese Situationen für dich angenehm oder unangenehm sind. angenehm angenehm angenehm unangenehm unangenehm unangenehm Die Begriffe „Schall“, „Schallquelle“ und „Schallempfänger“ verstehen. Die Entstehung und Ausbreitung von Schall erklären. Schwingungen mit digitalen Medien sichtbar machen. Selbstständig Schallmessungen durchführen und diese interpretieren. Das kann ich FIX: Es gibt angenehme und unangenehme Geräusche. Stelle das Geräusch einer Motorsäge, eines plätschernden Baches, eines Zahnarztbohrers und einer Hummel zeichnerisch dar. Skizziere die Geräusche so wie du sie dir vorstellst in die Boxen. Abb. 1 Abb. 3 Abb. 2 7 Mit den QR-Codes kannst du die App direkt herunterladen. Android iOS Ó 8kz6eu 5 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
BLICK INS BUCH Liebe Schülerin, lieber Schüler! Physik zu lernen, ist spannend und abwechslungsreich. Du begibst dich in die Welt der kleinsten Bausteine der Materie bis hinaus in den Kosmos. Dabei wirst du auch lernen, wie Wissenschaften funktionieren. Auf einer „normalen Buchseite“ findest du viele verschiedene Elemente: 8 Grundlagen Bonusmaterial Ó 8m64wb Wichtig für naturwissenschaftliche Untersuchungen sind Experimente. Sie lassen genaue Beobachtungen und auch Messungen zu. Damit erhält man vergleichbare und überprüfbare Daten. Warum muss man beim Experimentieren und Messen viel Geduld haben? Warum führt man Experimente durch? Warum forschen wir? Naturwissenschafterinnen und Naturwissenschafter beobachten die Natur und stellen genaue Untersuchungen an. Ihr Ziel ist es herauszufinden, nach welchen Regeln und Gesetzen die Natur und damit das ganze Universum funktioniert. Dabei stoßen sie auf Fragen, die sie versuchen zu beantworten. Du hast dir sicher auch schon Fragen wie diese gestellt: Warum ist der Himmel blau? Woher kommt die heftige Wirkung eines Blitzes? Wie alt ist unser Sonnensystem? Wie sieht ein Atom aus? Hast du eine Vorstellung von einem Atom? Zeichne hier ein Bild davon: Abb. 3 E. P. Hubble vor seinem Teleskop Forschung benötigt viel Zeit Edwin PowEll HubblE (1889–1953) beobachtete über Jahre hinweg nächtelang in der kalten Kuppel des Mount Wilson Observatoriums in Kalifornien (USA) Sterne und Galaxien. Durch seine Forschungen können wir begründet annehmen, dass es einen Urknall gegeben hat. Was denkst du, warum Forschung viel Zeit benötigt und nicht mit einem schnellen Posting in den Sozialen Medien erledigt ist? Abb. 4 Start einer Ariane-5-Trägerrakete – eine technische Großleistung Gelten Naturgesetze, auch wenn keine Menschen auf der Erde existieren würden? Gäbe es technische Entwicklungen ohne den Menschen? Technische Anwendung Abb. 1 Regenbogen Eigenschaften einer Naturwissenschaft wiedergeben und zwischen verschiedenen Naturwissenschaften unterscheiden. Physikalische (Mess-)Größen nennen. Selbstständig ein Experiment durchführen und dieses protokollieren. Mit Quellen aus dem Internet und Büchern/Zeitschriften verantwortungsbewusst umgehen. Das kann ich FIX: Abb. 2 Im größten Teilchenbeschleuniger der Welt untersucht man den Aufbau des Universums. Seit vielen Jahrhunderten versuchen die Menschen die Natur zu verstehen. Sie betrachten den Sternenhimmel und machen sich Gedanken über den Aufbau des Universums und wollen mehr über unser Sonnensystem wissen. Ganz besonders interessiert sie der „Big Bang“ – der Urknall – bei dem das heute bekannte Universum entstanden ist. Spannend ist auch die Frage, ob es im Universum noch weitere belebte Planeten gibt? Man nennt solche Planeten Exoplaneten (Abb. 1.1). Physikerinnen und Physiker wollen aber auch verstehen, woraus das Universum besteht. Was sind die kleinsten Teilchen – die sogenannten Elementarteilchen – aus denen die gesamte Materie besteht (Abb. 1.2)? Die Atome sind aus diesen Elementarteilchen zusammengesetzt. In der Natur kommen 92 unterschiedliche Atomarten vor. Diese nennt man die Elemente. Unter Materie versteht man in der Physik alle Materialien, die wir in der Natur vorfinden. Du kannst dir vorstellen, dass diese Forschungen sehr umfangreich und aufwendig sind. Daher haben sich im Laufe der Zeit mehrere Naturwissenschaftszweige entwickelt. Die Chemie beschäftigt sich mit den Elementen und den daraus durch chemische Reaktionen entstandenen Stoffen. Die Biologie erforscht die Lebewesen auf unserer Erde und wie Leben entsteht. Sie beschreibt auch die kleinste Einheit des Lebens: die Zelle (Abb. 1.3). Und dann gibt es die Physik. Physik stammt vom griechischen Wort „physis“ ab, das so viel wie „Natur“ bedeutet. Dementsprechend ist die Physik die Lehre über die grundlegenden Vorgänge in der Natur und befasst sich, wie auch andere Naturwissenschaften, mit den Naturgesetzen. Eng mit der Physik verbunden sind die Astronomie (die Lehre vom Weltall), die Geophysik (die Lehre von unserer Erde) und die Meteorologie (die Wetterkunde). Die Kenntnis der Naturgesetze ermöglicht es, Naturvorgänge zu verstehen und ihre Abläufe vorherzusagen. Ein Beispiel dafür ist die Vorhersage des Wetters oder von Sonnen- und Mondfinsternissen. Die Technik1 hat die Aufgabe, die Erkenntnisse der Naturwissenschaften durch den Menschen und für den Menschen nutzbar zu machen. Zeige, was du kannst! 1.1 Recherchiere im Internet, wie die Naturwissenschaften auf unterschiedlichen Internetseiten definiert werden und vergleiche diese Definitionen mit der Beschreibung aus dem Text. Beachte dazu die Hinweise zur Recherche von S. 3. Beschreibe anschließend einer Person deiner Wahl eine der vorgestellten Naturwissenschaften mit eigenen Worten. 1.2 Vor wie vielen Jahren fand der Urknall statt? Recherchiere im Internet (z.B. Homepage der NASA) über den Satelliten COBE (Abb. 1.4). Orientiere dich dabei an den Recherche-Hinweisen auf S. 3. 1.3 Beurteile durch eine Internetrecherche, ob diese Aussage stimmen kann: „Physik ist das beliebteste Schulfach Österreichs“. Was tun Physikerinnen und Physiker eigentlich? 1.1 Künstlerische Darstellung eines Exoplanets 1.2 Spuren der Elementarteilchen, aufgenommen in CERN 1.3 Biologie – Die Zelle stellt die kleinste Einheit des Lebens dar. 1.4 Der Cosmic Background Explorer (COBE) ist ein Satellit. Mit seinen Bildern können Spuren des Urknalls heute noch festgestellt werden. 1 Das Wort Technik leitet sich vom griechischen Wort techne (für Kunst) ab. …Die Physik beschreibt Vorgänge in der Natur durch die sogenannten Naturgesetze. Fixpunkte 9 1 Die Physik ist eine Naturwissenschaft Ó Online-Codes am Beginn eines Themenbereiches führen dich zu zusätzlichem Bonus- material. Gib den Code im Suchfenster auf www.oebv.at ein und du wirst zu passendem Material weitergeleitet. Unsere Kapitel starten mit einer Einstiegsseite, wo du Fragen beantwortest und Vermutungen aufstellst, bevor du mehr über diese Themen lernst. Nachdem du mehr über die Inhalte gelernt hast, kannst du dir ja noch einmal ansehen, was du dir vor der Bearbeitung gedacht hast. Hier kannst du deine Gedanken notieren Eine Einstiegsfrage aus dem Alltag soll dein Interesse am Thema wecken Am Ende eines Kapitels ist das Wichtigste kurz zusammengefasst. Fixpunkte Zeige, was du kannst! Bei den „Zeige, was du kannst!“ – Aufgaben am Ende von jedem Kapitel kannst du deine Kompetenzen vertiefen. Weitere im Buch verwendete Symbole und Markierungen: Sicherheitshinweis Experimentieren kann auch gefährlich sein! Physikalische Versuche sollen dein Interesse wecken, dein Wissen erweitern und dir Freude bereiten. Sie sollen aber nicht deine Gesundheit gefährden. Führe daher deine Versuche sorgfältig durch und lass dir, wenn nötig, dabei helfen! Demonstrationsversuche dürfen nur von deinen Ph-Lehrerinnen und Lehrern durchgeführt werden. ! „Fix-Nachhaltig“-Boxen sollen einen Bezug zu Themen herstellen, die für unsere Umwelt relevant sind und die dir helfen sollen, bewusster zu leben. „Wusstest du schon“-Boxen beinhalten wissenswerte Fakten und erweiterte Themen, die manchmal über den Lehrstoff hinausgehen. Die unter „Zeige, was du kannst!“ gestellten Aufgaben sollen dir eine Kontrolle über dein kompetenzorientiertes Wissen ermöglichen und dich zu weiteren Beobachtungen und Experimenten anregen. 4.1 Verwende dein Smartphone um das Experiment… Zeige, was du kannst! Fix nachhaltig Bei Experimenten kannst du oft Materialien verwenden, die du normalerweise wegwirfst. Probiere hier so viel wie möglich zu recyceln! Wusstest du schon…? …, dass der österreichische Physiker Anton Zeilinger (Abb. 5.14) am 10.12.2022 den Nobelpreis für Physik verliehen bekam? Er erhielt den Nobelpreis, gemeinsam mit dem Franzosen Alain Aspect und John F. Clauser aus den USA, für die Erforschung besonderer Eigenschaften von Teilchen. 6 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Am Ende jedes Großkapitels findest du auf den „Überprüfe deine Kompetenz“-Seiten zusätzliche Aufgaben. Die Lösungen zu den „Überprüfe deine Kompetenz“ Aufgabenstellungen findest du am Ende des Lehrbuchs. Die Lösungen zu den „Zeige, was du kannst!“-Aufgaben findest du auf unserer Website. Weitere Aufgabenstellungen bietet dir das auf das Lehrbuch abgestimmte Arbeitsheft Physik 2. Bei den „Überprüfe deine Kompetenz“-Aufgaben am Ende von jedem Großkapitel kannst du deine Kompetenzen in den folgenden drei Bereichen vertiefen: 1) Wissen organisieren: Aneignen, Darstellen und Kommunizieren Du sollst lernen, Vorgänge und Erscheinungen in der Natur zu beschreiben, zu verstehen und zu deuten. Dazu sollst du auch Informationen aus unterschiedlichen Medien und Quellen heranziehen. Die so gewonnenen Erkenntnisse sollst du in geeigneter Form dokumentieren und auch anderen mitteilen. 2) Erkenntnisse gewinnen: Fragen, Untersuchen, Interpretieren Du sollst lernen, Vorgänge und Erscheinungen in der Natur aus der Sicht der Naturwissenschaften zu beobachten und zu verstehen. Deine Erkenntnisse kannst du in verschiedenen Formen, wie z. B. in einer Grafik, einer Tabelle oder einem Diagramm darstellen, beschreiben und dazu Berechnungen durchführen. Dazu ist es notwendig, die beobachteten Phänomene zu ordnen, darzustellen und festzuhalten sowie auch zu verschiedenen Fragestellungen Experimente zu planen und durchzuführen. Dabei werden sich weitere Fragen ergeben, deren Antworten du zunächst nur vermuten kannst. 3) Schlüsse ziehen: Bewerten, Entscheiden, Handeln Du sollst lernen, Daten, Fakten und Ergebnisse aus verschiedenen Quellen oder deinen Experimenten bezüglich ihrer Bedeutung und Auswirkungen zu bewerten. Du sollst auch lernen, naturwissenschaftliche Argumentationen und Fragestellungen von nicht-naturwissenschaftlichen zu unterscheiden. Du sollst Bedeutung, Chancen und Risiken der Anwendungen von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen für dich persönlich, für die Gesellschaft und die Umwelt erkennen und danach verantwortungsbewusst handeln. Du wirst auch die Bedeutung der Physik und Technik für verschiedene Berufsfelder, die dich interessieren könnten, verstehen lernen. 20 Grundlagen Überprüfe deine Kompetenz Gib an, welche Naturwissenschaft hinter den Bildern in Abb. 1 a, b, c steckt. Erkläre die Bedeutung von naturwissenschaftlicher Forschung und beschreibe, was du brauchst, um richtig zu „forschen“. Erkundige dich bei deinen Erziehungsberechtigten, welche technischen Anwendungen der Physik sie im Beruf, im Haushalt oder in der Freizeit benutzen und beschreibe diese hier. Nenne Eigenschaften die Naturwissenschafterinnen und Naturwissenschafter auszeichnen. Überlege genau und kreuze die richtige Antwort an. Begründe, wie du zu deiner Antwort gekommen bist. Sie bestehen auf ihren Ansichten und lassen keine weiteren Fakten zu. Sie passen ihre Vermutungen an Ergebnissen ihrer Untersuchungen an. 1 Wissen anwenden Abb. 1a Abb. 1c Abb. 1b a) b) c) 2 3 4 Experiment: Tempo im Straßenverkehr Material: Tempoanzeige (auch Geschwindigkeitsanzeige genannt) am Straßenrand (man findet sie meist an Ortseinfahrten oder in der Nähe von Schulen) So geht’s: Stelle dich eine Zeit lang in die Nähe einer Tempoanzeige, sodass du sie gut sehen kannst, aber nicht durch den Straßenverkehr gefährdet bist. Erstelle eine Tabelle, in der du die Fahrzeugart (z. B. PKW, LKW) und das angezeigte Tempo notierst. Fasse danach zusammen, wie viele Fahrzeuge sich an die Tempobegrenzung (oft auch Geschwindigkeitsbegrenzung genannt) gehalten haben. Welche Informationen kannst du noch aus der Tabelle entnehmen? Denke dabei z. B. an die Fahrzeugart. 5 Erkenntnisse gewinnen Ó 8mc4k6 21 Ordne die physikalischen Größen Länge, Zeit und Masse den Bildern (Abb. 2–7) zu. Beschreibe und benenne Messgeräte, die man für die Messung einer Länge, einer Zeit und einer Masse verwendet. Plane ein Experiment für jeden Gegenstand, bei dem du die jeweilige physikalische Größe verwendest. Abb. 2–Abb. 7 Messergebnisse werden oft mit Diagrammen dargestellt. Diese sind übersichtlicher als reine Zahlentabellen. Du kannst dir einige Diagrammarten mit Hilfe der Simulation (Abb. 8) in der -App genauer ansehen. Wähle z.B. das Kreisdiagramm aus und überprüfe, ob die Daten in der Tabelle mit dem Diagramm übereinstimmen. Korrigiere das Diagramm gegebenenfalls und klicke rechts unten auf „Auswerten“. Stelle ein beliebiges Experiment mit Hilfe von einem Diagramm dar! 6 Abb. 8 Wähle bei der Animation links unten den Diagrammtyp aus, um die verschiedenen Diagrammtypen zu betrachten. 7 In Filmen findet man oft Szenen wie die folgende: Die Kommissarin kommt zum Tatort (Abb. 9) und fragt den anwesenden Kriminaltechniker: „Wie ist das passiert?“ Der Kriminaltechniker antwortet darauf: „Genaues kann ich noch nicht sagen, aber ich habe da eine Theorie.“ Diskutiere mit deinen Mitschülerinnen und Mitschülern, was man unter einer Theorie versteht und ob der Satz des Kriminaltechnikers naturwissenschaftlich betrachtet einen Sinn ergibt. In einer Zeitung findest du Abb. 10. Recherchiere dazu das Originalbild und finde den Fehler, der sich in dieser Abbildung versteckt. Schreibe ein paar Zeilen an den Redakteur oder die Redakteurin dieser Zeitung, was an dem Bild falsch ist. Argumentiere hier mit vertrauenswürdigen und stichhaltigen Quellen, wie du es auf S. 3 gelernt hast. 8 Standpunkte begründen und bewerten 9 Abb. 9 Abb. 10 Kann dieses Bild stimmen? 7 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
8 Grundlagen Bonusmaterial Ó 8m64wb Wichtig für naturwissenschaftliche Untersuchungen sind Experimente. Sie lassen genaue Beobachtungen und auch Messungen zu. Damit erhält man vergleichbare und überprüfbare Daten. Warum muss man beim Experimentieren und Messen viel Geduld haben? Warum führt man Experimente durch? Warum forschen wir? Naturwissenschafterinnen und Naturwissenschafter beobachten die Natur und stellen genaue Untersuchungen an. Ihr Ziel ist es herauszufinden, nach welchen Regeln und Gesetzen die Natur und damit das ganze Universum funktioniert. Dabei stoßen sie auf Fragen, die sie versuchen zu beantworten. Du hast dir sicher auch schon Fragen wie diese gestellt: Warum ist der Himmel blau? Woher kommt die heftige Wirkung eines Blitzes? Wie alt ist unser Sonnensystem? Wie sieht ein Atom aus? Hast du eine Vorstellung von einem Atom? Zeichne hier ein Bild davon: Abb. 3 E. P. Hubble vor seinem Teleskop Forschung benötigt viel Zeit Edwin Powell Hubble (1889–1953) beobachtete über Jahre hinweg nächtelang in der kalten Kuppel des Mount Wilson Observatoriums in Kalifornien (USA) Sterne und Galaxien. Durch seine Forschungen können wir begründet annehmen, dass es einen Urknall gegeben hat. Was denkst du, warum Forschung viel Zeit benötigt und nicht mit einem schnellen Posting in den Sozialen Medien erledigt ist? Abb. 4 Start einer Ariane-5-Trägerrakete – eine technische Großleistung Gelten Naturgesetze, auch wenn keine Menschen auf der Erde existieren würden? Gäbe es technische Entwicklungen ohne den Menschen? Technische Anwendung Abb. 1 Regenbogen Eigenschaften einer Naturwissenschaft wiedergeben und zwischen verschiedenen Naturwissenschaften unterscheiden. Physikalische (Mess-)Größen nennen. Selbstständig ein Experiment durchführen und dieses protokollieren. Mit Quellen aus dem Internet und Büchern/Zeitschriften verantwortungsbewusst umgehen. Das kann ich FIX: Abb. 2 Im größten Teilchenbeschleuniger der Welt untersucht man den Aufbau des Universums. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Seit vielen Jahrhunderten versuchen die Menschen die Natur zu verstehen. Sie betrachten den Sternenhimmel und machen sich Gedanken über den Aufbau des Universums und wollen mehr über unser Sonnensystem wissen. Ganz besonders interessiert sie der „Big Bang“ – der Urknall – bei dem das heute bekannte Universum entstanden ist. Spannend ist auch die Frage, ob es im Universum noch weitere belebte Planeten gibt? Man nennt solche Planeten Exoplaneten (Abb. 1.1). Physikerinnen und Physiker wollen aber auch verstehen, woraus das Universum besteht. Was sind die kleinsten Teilchen – die sogenannten Elementarteilchen – aus denen die gesamte Materie besteht (Abb. 1.2)? Die Atome sind aus diesen Elementarteilchen zusammengesetzt. In der Natur kommen 92 unterschiedliche Atomarten vor. Diese nennt man die Elemente. Unter Materie versteht man in der Physik alle Materialien, die wir in der Natur vorfinden. Du kannst dir vorstellen, dass diese Forschungen sehr umfangreich und aufwendig sind. Daher haben sich im Laufe der Zeit mehrere Naturwissenschaftszweige entwickelt. Die Chemie beschäftigt sich mit den Elementen und den daraus durch chemische Reaktionen entstandenen Stoffen. Die Biologie erforscht die Lebewesen auf unserer Erde und wie Leben entsteht. Sie beschreibt auch die kleinste Einheit des Lebens: die Zelle (Abb. 1.3). Und dann gibt es die Physik. Physik stammt vom griechischen Wort „physis“ ab, das so viel wie „Natur“ bedeutet. Dementsprechend ist die Physik die Lehre über die grundlegenden Vorgänge in der Natur und befasst sich, wie auch andere Naturwissenschaften, mit den Naturgesetzen. Eng mit der Physik verbunden sind die Astronomie (die Lehre vom Weltall), die Geophysik (die Lehre von unserer Erde) und die Meteorologie (die Wetterkunde). Die Kenntnis der Naturgesetze ermöglicht es, Naturvorgänge zu verstehen und ihre Abläufe vorherzusagen. Ein Beispiel dafür ist die Vorhersage des Wetters oder von Sonnen- und Mondfinsternissen. Die Technik1 hat die Aufgabe, die Erkenntnisse der Naturwissenschaften durch den Menschen und für den Menschen nutzbar zu machen. Zeige, was du kannst! 1.1 Recherchiere im Internet, wie die Naturwissenschaften auf unterschiedlichen Internetseiten definiert werden und vergleiche diese Definitionen mit der Beschreibung aus dem Text. Beachte dazu die Hinweise zur Recherche von S. 3. Beschreibe anschließend einer Person deiner Wahl eine der vorgestellten Naturwissenschaften mit eigenen Worten. 1.2 Vor wie vielen Jahren fand der Urknall statt? Recherchiere im Internet (z.B. Homepage der NASA) über den Satelliten COBE (Abb. 1.4). Orientiere dich dabei an den Recherche-Hinweisen auf S. 3. 1.3 Beurteile durch eine Internetrecherche, ob diese Aussage stimmen kann: „Physik ist das beliebteste Schulfach Österreichs“. Was tun Physikerinnen und Physiker eigentlich? 1.1 Künstlerische Darstellung eines Exoplanets 1.2 Spuren der Elementarteilchen, aufgenommen in CERN 1.3 Biologie – Die Zelle stellt die kleinste Einheit des Lebens dar. 1.4 Der Cosmic Background Explorer (COBE) ist ein Satellit. Mit seinen Bildern können Spuren des Urknalls heute noch festgestellt werden. 1 Das Wort Technik leitet sich vom griechischen Wort techne (für Kunst) ab. …Die Physik beschreibt Vorgänge in der Natur durch die sogenannten Naturgesetze. Fixpunkte 9 1 Die Physik ist eine Naturwissenschaft Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Du bist dran: Bei einem Wald- oder Parkspaziergang findest du vielleicht Ahornsamen (Abb. 2.1). Lass einen Ahornsamen fallen und beobachte die Bewegung, wenn er auf den Boden fällt, genau. Sicher wird dir die Drehbewegung auffallen und du wirst dir Gedanken machen, wie diese Bewegung zustande kommt. Stelle eine Vermutung auf, warum sich der Ahornsame so bewegt. Die Menschen haben sich schon immer dafür interessiert, wie gewisse Naturvorgänge (Phänomene1) funktionieren. In der Vergangenheit, aber auch heute noch, werden Erklärungen gefunden, die manchmal sehr seltsam klingen und in das Reich der Phantasie gehören. So gibt es Menschen, die meinen, dass die Erde eine Scheibe – also flach – sei (Abb. 2.3). Seit der ersten Mondlandung (20. Juli 1969) wissen wir sicher, dass die Erde eine Kugel ist (Abb. 2.4). Das wurde auch schon im alten Griechenland vermutet. Aber eine reine Vermutung, ohne Bestätigung, ist zu wenig. Und hier kommen die Naturwissenschaften an die Reihe. Physikerinnen und Physiker geben sich nicht mit Vermutungen zufrieden. Sie haben Vorgangsweisen entwickelt, ihre Vermutungen mit großer Sorgfalt und enormer Anstrengung so genau wie möglich zu überprüfen. Am Anfang steht zumeist eine Beobachtung oder eine Idee. Zuerst versucht man für eine Beobachtung eine sinnvolle Erklärung durch vorhandenes Vorwissen zu finden. Dafür recherchiert man in wissenschaftlichen Büchern und Zeitschriften, ob diese Beobachtung bereits von einer anderen Person gemacht und beschrieben worden ist. Dieses Vorwissen wird dann auch in die eigene Forschung miteinbezogen. Anschließend formulieren Forscherinnen und Forscher begründete Vermutungen (in der Fachsprache nennt man das „Hypothesen2“) auf ihre gestellten Fragen. Das gelingt umso besser, je mehr Vorwissen Forscherinnen und Forscher haben. Diese Hypothesen überprüfen sie durch Experimente (Kap. 4) und Berechnungen. Zur genauen Beobachtung werden häufig Experimente durchgeführt. Experimente ermöglichen eine genaue Untersuchung von Naturphänomenen. Dabei werden diese nicht nur genau beobachtet, sondern durch exakte Messungen (Kap. 4) mit geeigneten Messgeräten beschrieben. Diese Ergebnisse sollen gefundene Naturgesetze überprüfen und können diese dann bestätigen oder auch widerlegen. Es ist nicht immer einfach Naturvorgänge genau zu verstehen. Manchmal gelingt das überhaupt nicht oder nur vereinfacht. Daher arbeitet man in der Physik mit Modellen. Unter einem Modell versteht man eine angepasste Abbildung der Realität. Diese Modelle verschaffen uns eine möglichst genaue Vorstellung von der Natur und ihren Gesetzen. Eine besondere Eigenschaft wissenschaftlicher Forschung ist der weltweite Austausch vieler Forscherinnen und Forscher. Erst wenn viele Forschungseinrichtungen eine bestimmte Hypothese als richtig anerkennen, wird diese neue Erkenntnis zur gültigen Theorie3. Diese erlaubt die Erklärung von Naturerscheinungen durch Naturgesetze und ermöglicht Vorhersagen. Die Behauptungen einzelner Personen sind oft zu wenig, außer es handelt sich um wissenschaftlich nachvollziehbare Ergebnisse. Ó 8m7n7p 10 2 Naturwissenschaftliche Forschung Wie funktioniert Forschung? 1 Das Wort Phänomen bedeutet (bemerkenswerte) Erscheinung. 2 Hypothese kann man als begründete Vermutung übersetzen. 3 Sammlung von wissenschaftlich bestätigten Vermutungen 2.1 Ahorn-Samen im Wald 2.2 Baue ein Papiermodell eines Ahornsamens, eine Bauanleitung findest du im digitalen Zusatzmaterial in der -App. 2.3 Fantasie: „Scheibenerde“ 2.4 Realität: Die Erde ist eine Kugel. Hier siehst du eine Aufnahme von der Apollo 11 Mission auf dem Mond. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Du hast sicher schon die bunten Icons in diesem Buch gesehen (siehe S. 7). Sie beschreiben die Übungsaufgaben genauer und geben dir Auskunft darüber, welche Kompetenz4 du mit dieser Aufgabe trainieren kannst. Diese Icons führen dich auch durch das wissenschaftliche Arbeiten: Erwerbe physikalisches Fachwissen und wende dieses in verschiedenen Situationen an. Erkläre und kommuniziere dieses in geeigneter Form. Plane ein Experiment und/oder führe ein Experiment durch. Protokolliere die Ergebnisse und werte deine Daten und Beobachtungen aus. Denke über deine Erkenntnisse nach. Begründe und argumentiere diese naturwissenschaftlich. Überlege kritisch, ob diese überhaupt stimmen können. Verhalten wir uns wie Forscherinnen und Forscher. Experiment: Papier vs. Papierkugel Material: 2 Blatt A4-Papier, zerknülle eines davon zu einer Kugel So geht’s: Lass das Papierblatt und die Papierkugel gleichzeitig aus gleicher Höhe fallen (Abb. 2.5). Beobachte was passiert. Landet die Papierkugel früher auf dem Boden oder das Blatt Papier? Vielleicht fallen dir auch noch andere Möglichkeiten ein, dieses Experiment durchzuführen (z.B. durch die Verwendung anderer Körper)? Recherchiere im Internet über Forschungen zum freien Fall von Gegenständen (Körpern). Vielleicht stößt du bei deiner Suche auf Galileo Galilei? Er hat sich um 1600 ausführlich damit beschäftigt und hat Folgendes herausgefunden: Alle Körper, die gleichzeitig aus gleicher Höhe fallen gelassen werden, landen zeitgleich am Boden. Galilei hat behauptet, dass alle Körper gleichzeitig am Boden landen. Unser Experiment Abb. 2.5 hat das aber nicht gezeigt. Hat sich Galilei geirrt oder haben wir etwas nicht beachtet oder bedacht? Jetzt müssen wir darüber nachdenken. Was könnte die Ursache für dieses Ergebnis sein? Wie könnten wir unser Experiment verändern? Du hast dir sicher schon gedacht, dass der sogenannte Luftwiderstand eine Rolle spielen könnte. Im luftleeren Raum gelten Galileis Erkenntnisse. Das hat ein Astronaut der Apollo 15 – Mission am Mond bestätigt (Abb. 2.6). Damit ist Galileis Theorie bereits seit über 400 Jahre immer noch gültig, sie wurde nicht widerlegt. Wo könnte dieses Wissen von Nutzen sein? Zum Beispiel nützen Fallschirmspringerinnen und Fallschirmspringer den Luftwiderstand eines Fallschirms, damit sie nicht mit hoher Geschwindigkeit auf der Erde aufprallen (Abb. 2.7). Du siehst anhand unseres kleinen Forschungsbeispiels, wie spannend Forschen sein kann und wie überraschend die Ergebnisse sein können. Wusstest du schon…? …, dass die Kärntner Ärztin Carmen Possnig (Abb. 2.8) seit 2022 dem Europäischen Astronautenteam als Ersatzastronautin angehört? Im Falle eines Einsatzes wäre sie die erste Österreicherin im Weltall. Die Raumfahrt wäre ohne die Erkenntnisse zur Gravitation nicht möglich. 2.5 Experiment „Fallen“ 2.6 Astronaut der Apollo 15 – Mondlandung zeigt, dass auf dem Mond ein Hammer und eine Feder gleichzeitig am Boden landen. Du findest das Video dazu in der -App. 2.7 Fallschirmspringerin und Fallschirmspringer im freien Fall 2.8 Astronautin Carmen Possnig …Eine wissenschaftliche Untersuchung beginnt oft mit einer Beobachtung oder einer Idee. …Eine Hypothese ist eine begründete Vermutung, die eine Beobachtung erklären könnte. Die Vermutung wird mit gezielten Experimenten überprüft. …Die überprüften Erkenntnisse werden zu einer Theorie zusammengefasst. Fixpunkte Ó 8p5fe2 4 Fähigkeit 11 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Ich habe gelesen, dass alle Körper, die ich fallen lasse, gleichzeitig am Boden ankommen. Das möchte ich ausprobieren. Ich vermute einmal, dass das so stimmt. Dazu habe ich mir folgendes Experiment ausgedacht: Ich werde gleichzeitig ein Blatt A4-Papier und ein zusammengeknülltes Blatt A4-Papier aus gleicher Höhe fallen lassen. Beobachtung und Ergebnisse Leider wurde meine Vermutung nicht bestätigt. Das zerknüllte Blatt Papier war viel schneller am Boden. Sollte das etwa nicht stimmen, was ich gelesen habe? Oder war mein Experiment nicht ganz passend? Änderung des Experiments Vielleicht sollte ich es wiederholen, indem ich statt des losen Blattes Papier einen gleich großen Ball, wie das zusammengeknüllte Papier verwende und diese beiden fallen lasse? Neue Ergebnisse Bei diesem Experiment sind jetzt beide Körper gleichzeitig zu Boden gefallen. Es stimmt also doch auch, was ich gelesen habe. Aber warum waren die Ergebnisse so unterschiedlich? Wie kann ich das erklären? Ich habe noch einmal nachgelesen und festgestellt, dass es einen Luftwiderstand gibt. Dieser bremst die Körper beim Fallen je nachdem welche Form sie haben. Das erklärt warum das erste Experiment nicht so gelaufen ist wie das zweite. Experiment #32 — „Alle Körper fallen auf den Erdboden“ Eine Beschreibung deines Experiments darf nie fehlen und auch deine Vermutung ist wichtig. Wenn möglich kannst du auch eine Forschungsfrage hinschreiben, die du mit deinem Experiment beantworten möchtest. Das Experiment beschreibst du ganz genau und auch wie du es durchführen willst oder durchgeführt hast. Dazu gehören auch Bilder und Zeichnungen. Eine Liste der benötigten Materialien darf nicht fehlen. Abschließend ist es wichtig, dass du deine neuen Erkenntnisse zusammenfasst. Wenn du eine Erklärung für deine Ergebnisse hast, formuliere sie in ganzen Sätzen und schreibe sie auf. Experimente bekommen immer einen Namen. Dann findet man sich später leichter zurecht. Auch ein Datum ist hilfreich. Dazu brauche ich: µ 1 Blatt Papier µ 1 Blatt Papier zusammengeknüllt 08. Sep. 2022 Forscherinnen und Forscher schreiben alles, was für sie wichtig ist, in ein Forschungsbuch – ähnlich wie ein Tagebuch. Du könntest auch so ein Forschungsbuch führen. Auf dieser Seite siehst du, was so ein Forschungsbuch alles beinhalten könnte. Du bist dran: Überlege dir mit Hilfe der Vorlage, was für die Beschreibung eines Experimentes notwendig und wichtig ist. Besprich mit deinen Sitznachbarinnen und Sitznachbarn wie ihr euer Forschungsbuch gemeinsam gestalten wollt. 12 3 Forschungsbuch Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Probiere die folgenden Experimente aus. Wichtig dabei ist, dass du sorgfältig und aufmerksam mit den Materialien umgehst. Vergiss nicht darauf, dass du alles genau beobachtest und diese Beobachtungen aufschreibst. Das kannst du im Physikheft oder in deinem persönlichen Forschungsbuch machen. Überlege dir beim Experimentieren auch, was du beim Experiment verändern kannst, z.B. indem du andere Materialien verwendest. Aber bedenke, dass du nur eine Veränderung auf einmal durchführst. Sonst weißt du nicht, warum sich die Ergebnisse verändert haben. Bedenke immer, dass Experimentieren auch gefährlich sein kann. Physikalische Experimente sollen dein Interesse wecken, dein Wissen über die Geheimnisse der Natur erweitern und ihr Gelingen soll dir Freude bereiten. Sie sollen deine Gesundheit aber nicht gefährden oder Sachbeschädigungen hervorrufen. Führe deine Experimente daher sorgfältig durch und lass dir, wenn nötig, dabei helfen. Manche Experimente darf nur deine Physiklehrerin oder dein Physiklehrer durchführen. Experiment: Farbige Wörter Material: unterschiedliche durchsichtige Farbfolien, wie z. B. bunte Heftumschläge So geht’s: Betrachte Abb. 4.1 mit den unterschiedlichen Farbfolien. Kannst du die Wörter mit jeder Folie gleich gut lesen? Du kannst auch selbst mit Farbstiften Wörter auf unterschiedliche Papiersorten schreiben und durch die Folien betrachten. Protokolliere deine Beobachtungen und vergleiche die Ergebnisse mit deinen Mitschülerinnen und Mitschülern. Experiment: Elektrischer Kamm Material: Ein Kunststoffkamm, Mikrofasertuch So geht’s: Reibe den Kamm an einem Mikrofasertuch. Halte ihn in die Nähe eines dünnen Wasserstrahls aus einem Wasserhahn. Was passiert mit dem Wasserstrahl (Abb. 4.2)? Überprüfe, ob der Wasserstrahl abgelenkt wird und analysiere, welche Faktoren hier eine Rolle spielen könnten. Bedenke, dass du nur eine Veränderung auf einmal durchführst. Experiment: Saugfähigkeit Material: Eine Pipette, Wasser, unterschiedlich saugfähige Materialien (z. B. Zeitungspapier, Küchenrolle, aber auch Alu- oder Kunststofffolie) So geht’s: Tropfe mit Hilfe der Pipette jeweils einen gleichgroßen Wassertropfen auf die verschiedenen Materialien. Überlege dir bereits vor dem Experiment, was mit dem Wassertropfen auf den unterschiedlichen Materialien passieren könnte und überprüfe dies anschließend. Protokolliere, was mit den Tropfen auf den unterschiedlichen Materialien passiert (Abb. 4.3, 4.4) und erstelle eine Tabelle mit deinen Ergebnissen. Die Experimente haben dir gezeigt, dass Experimentieren nicht immer kompliziert sein muss. Man muss die Vorgänge in der Natur nur genau beobachten, um ihre Geheimnisse zu entdecken. Du bist dran: Vergleiche deine Beobachtungen mit denen deiner Mitschülerinnen und Mitschüler. Woran könnte es liegen, dass ihr möglicherweise zu unterschiedlichen Beobachtungen gekommen seid? Wie kann man experimentelle Ergebnisse international vergleichen? 4.1 Wörter in verschiedenen Farben PHYSIK LICHT SCHALL 4.2 Ein geriebener Kunststoffkamm lenkt einen Wasserstrahl ab. 4.3 Wassertropfen auf Küchenrollenpapier 4.4 Wassertropfen auf einer glatten Oberfläche ! 13 4 Experimente und Messungen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Messungen machen Beobachtungen genauer und vergleichbar. Du bist dran: Verfasse einen Steckbrief von dir für jemanden, der dich noch nicht kennt und auch kein Foto von dir gesehen hat. Dieser Steckbrief soll alle Informationen, wie z. B. Haarfarbe, Alter, Körpergröße, usw. enthalten, für jemanden, der dich nicht kennt und auch kein Foto von dir hat. Bei dieser Aufgabe darfst du keine Zahlen und keine Zahlwörter verwenden. Du hast sicher bemerkt, dass das nicht umsetzbar ist. Es ist nicht möglich, genaue Beschreibungen zu verfassen, ohne Zahlen zu verwenden. Das gilt auch für das Experimentieren. Man kann nicht immer alles direkt beobachten. Denke an den elektrischen Strom, den man nicht sehen kann. Man kann aber Messgeräte verwenden, die uns zeigen, wieviel elektrischer Strom in einer Leitung fließt bzw. wie hoch die Spannung ist (mehr dazu in Fixpunkte 3) (Abb. 4.5). Wir können Beobachtungen durch Messungen mit Zahlen und Einheiten beschreiben. Dafür benötigt man die passenden Messgeräte. Mit Hilfe dieser Messergebnisse kann man auch die Naturgesetze mit sogenannten Formeln beschreiben. Die Mathematik hilft diese Naturgesetze mit Zahlen auszudrücken und damit zu rechnen, um Vorhersagen zu machen. Du bist dran: Bestimme mit einer Personenwaage die Masse deiner Schultasche (Abb. 4.6). Umgangssprachlich nennen wir die Masse oft auch nur „Gewicht.“ Warum das nicht richtig ist, wirst du im Laufe des Unterrichts erfahren. Vergleicht die Masse eurer Schultaschen in der Klasse und recherchiert, welche Masse eine Schultasche maximal haben sollte. Wenn die Schultasche eine Masse von 10 kg hat schreibt man in der Physik: m = 10 kg m ist die Abkürzung für Masse. Man nennt die Einheit Kilogramm (1 kg). Eine Einheit gibt an, wie und womit man etwas misst. Die Masse wird in Kilogramm gemessen und das dafür benötigte Messgerät ist eine Waage. Der Zahlenwert „10“ bedeutet, dass die gemessene Masse 10 mal so viel wiegt, wie die Einheit angibt. Eine messbare Eigenschaft eines Naturphänomens wird physikalische Größe genannt. Die Masse ist also eine physikalische Größe. Eine physikalische Größe ist dann vollständig festgelegt, wenn man ihren Zahlenwert und ihre Maßeinheit kennt. Beispielsweise verwendet man für die Messung von Längen die Einheit 1 Meter (1 m) und für die Zeit die Einheit 1 Sekunde (1 s). Für die Naturwissenschaften und Technik wurde weltweit das Système international d’unités (SI)1 eingeführt. Im SI werden die physikalischen Größen und ihre Einheiten festgelegt (Abb. 4.7). Die Maßeinheit Kilogramm wird durch die Masse einer hochreinen Siliziumkugel mit einem Durchmesser von 93,7 mm festgelegt (Abb. 4.8). Wie genau sind Messungen? Ein Fadenpendel – ein Stück Schnur an dem ein Massestück hängt – bewegt sich hin und her. Diese regelmäßige Bewegung nennt man auch Schwingung. Die Zeit, die eine Hin- und Her-Bewegung dauert, nennt man Schwingungsdauer. 4.5 Messgerät für elektrische Messgrößen 4.6 Personenwaage für die Bestimmung einer Masse 4.7 Grundgrößen des internationalen Einheitensystems (SI) Größe Einheit Abkürzung Länge Meter m Masse Kilogramm kg Zeit Sekunde s Stromstärke Ampére A Temperatur Kelvin K Lichtstärke Candela cd Stoffmenge Mol mol 4.8 Das neue „Kilogramm“ – eine Kugel aus hochreinem Silizium 1 französisch für: „Internationales Einheitensystem“ 14 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Experiment: Schwingungsdauer eines Fadenpendels 4.1 Verwende dein Smartphone, um das Experiment „Schwingungsdauer eines Fadenpendels“ (Abb. 4.9) zu filmen. Verwende die Slo-Mo-Funktion (ZeitlupenFunktion), um das Experiment aufzuzeichnen und analysiere, ob du die Daten der Stoppuhr mit dem Smartphone verbessern kannst. 4.2 Nenne weitere Messgeräte, die du kennst! 4.3 In einem fiktiven Social-MediaPost findest du einen Artikel, dass unser Sonnensystem 12 Planeten hat. Diskutiere, ob du dieser Quelle vertrauen kannst. Zeige, was du kannst! Wusstest du schon…? …, dass Mitte des 20. Jahrhunderts das SI zur Vereinheitlichung der weltweit verwendeten Maße eingeführt wurde? Das ist sehr sinnvoll. Im Mittelalter hatte jeder Markt seine eigenen Maßeinheiten (Abb. 4.10). Du kannst dir vorstellen, dass du auf Märkten unterschiedlich viel für dein Geld bekommen hättest. 4.9 Messung der Schwingungsdauer eines Fadenpendels 4.10 Längenmaße am Stephansdom Material: 1 dünner Faden, Schere, Maßband, Massestück, Stoppuhr (z.B. Smartphone) So geht’s: Fertige ein Fadenpendel mit der Länge von 1m an, indem du das Massestück als Pendelkörper verwendest (Abb. 4.9). Stoppe die Schwingungsdauer dieses Pendels. Führe diese Messung öfter durch. Vergleiche deine Werte mit denen deiner Mitschülerinnen und Mitschüler. Versuche deine Ergebnisse als Tabelle oder als Diagramm darzustellen. Fällt dir beim Vergleich etwas auf? Du wirst feststellen, dass nicht alle Messwerte gleich sind, denn man kann Messungen nicht so genau durchführen, dass immer die gleichen Werte herauskommen. Jede Messung zeigt solche Schwankungen des Messwertes. Man sagt dazu auch Messunsicherheit. Sind die Naturwissenschaften deshalb ungenau? Messwerte können nicht exakt angegeben werden, da sie immer eine Messunsicherheit aufweisen. Wir wissen aber über diese Messungenauigkeiten sehr gut Bescheid und es gibt geeignete Methoden, mit denen man diese Ungenauigkeiten so klein wie möglich halten kann. Es zeichnet die Naturwissenschaften aus, dass sie diese Ungenauigkeiten mit konkreten Zahlen beschreiben können. Nicht alles, was „Wissen“ genannt wird, ist gesichertes Wissen. Es gibt Menschen, die naturwissenschaftliche Erkenntnisse nicht anerkennen wollen. Sie vertreten oft eigene Meinungen und stellen diese als verlässliches Wissen dar. Dabei berufen sie sich gerne auf fragwürdige Informationen, die man auch in den sozialen Medien oder im Internet finden kann. Du bist dran: Matteo hat im Internet einen Bericht über die Mondlandung im Jahre 1969 gefunden. Seine Freundin Silvia meint aber, dass es die Mondlandung nie gegeben hat, sondern nur ein Fake ist. Recherchiere im Internet zur Mondlandung (dazu kannst du auch die ChatFunktion im Browser benutzen) und finde Beweise für diese, die auch Silvia überzeugen. Naturwissenschafterinnen und Naturwissenschafter haben für die Beschreibung und das Verstehen verschiedener Phänomene oft viele Jahre gebraucht. Forscherinnen und Forscher können auf Erkenntnisse zurückgreifen, die sich über Jahrhunderte bewährt haben. …Jedes Messergebnis wird durch eine physikalische Größe beschrieben, die mit einem Zahlenwert und durch eine Einheit angegeben wird. …Die Einheiten werden durch das Internationale Einheitensystem (SI) festgelegt. …Alle Messwerte zeigen eine Messunsicherheit. Diese Messunsicherheit kann durch genaues Experimentieren und Verwendung der passenden Messgeräte möglichst klein gehalten werden. Fixpunkte 15 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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