bedeutet, dass jeder Pixel mit einem Dünnschichttransistor aktiv angesteuert wird, damit die Helligkeit stabil bleibt und schnelle Bildwechsel möglich sind. 52.3 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 52.4 Internetnutzung braucht Energie, weil Daten in Netzen übertragen und in Rechenzentren verarbeitet und gespeichert werden. Streaming erhöht den Datenverkehr stark, weshalb Effizienz von Geräten, Netzen und Rechenzentren sowie erneuerbarer Strom für den Klimaschutz immer relevanter werden. Man könnte als Konsequenz nennen, dass bewussteres Streaming und energiesparende Einstellungen den Fußabdruck senken können. 53.1 Makrozellen versorgen große Gebiete wie ländliche Regionen oder weite Stadtbereiche, weil hohe Antennenstandorte und Reichweite wichtig sind. Mikrozellen und Picozellen versorgen kleinere Bereiche wie dichte Innenstädte oder Gebäude, weil dort viele Nutzer gleichzeitig versorgt werden müssen und kleine Zellen mehr Kapazität pro Fläche liefern. 53.2 Internet im Flugzeug funktioniert über Satelliten oder über Funkverbindungen zu Bodenstationen, die das Flugzeug mit einer Antenne nutzt. Bei Start und Landung wird die Nutzung oft eingeschränkt, weil diese Phasen sicherheitskritisch sind. Aus diesem Grund sollten in dieser Phase internetfähige Geräte entweder ausgeschalten oder in den Flugmodus gestellt werden. 53.3 Der Dopplereffekt verschiebt bei Radar die Frequenz des reflektierten Signals, wenn sich ein Objekt auf das Radar zu oder von ihm wegbewegt. Aus dieser Frequenzverschiebung kann die Geschwindigkeit in Strahlrichtung bestimmt werden, was für Verkehrs- und Wetterradar wichtig ist. 53.4 Tarnkappentechnik (Stealth-Technologie) minimiert die Entdeckbarkeit von Militärfahrzeugen, Flugzeugen oder Schiffen durch Radar, Infrarot und andere Sensoren durch eine Kombination aus Form, Material und Kühlung. Dadurch werden die Objekte zwar nicht unsichtbar, aber extrem spät erkennbar. Militärisch kann das Schutz und Überraschung erhöhen, aber auch Konfliktrisiken verschärfen. Die Bewertung der Technik muss also auch politische und ethische Folgen berücksichtigen. 55.1 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 55.2 Bei sichtbarem Licht reicht die Energie nicht aus, um Atome zu ionisieren, bei hoher Intensität kann es aber Augen und Haut schädigen. UV-Strahlung wirkt stärker photochemisch und kann Haut und Augen schädigen, wobei das Risiko mit kürzerer Wellenlänge zunimmt. Röntgenstrahlung ist ionisierend und kann daher bei hoher Dosis Zellschäden verursachen, weshalb sie z. B. in der medizinischen Diagnostik nur kontrolliert eingesetzt wird. 62.1 Aus Tab. 61.1 erhält man für Wasser den Quotienten c/c Wasser ungefähr zu 1,32 (rot), 1,33(gelb) und 1,34(violett). Für Glas ergibt sich c/c Glas ungefähr zu 1,52(rot & gelb) sowie zu 1,53(violett). Damit passt der Wert für gelbes Licht in Wasser sehr gut zu n = 1,33aus 62.2, während der Glas-Wert merklich abweicht, weil n vom Materialtyp (Glassorte) und von der Farbe abhängt und Tabellen oft unterschiedliche „Glas“-Referenzen verwenden. 63.1 Setzt man in sinα/sinβ = n den Wert α = 9 0 ∘ ein, dann gilt sinβ = 1/n und damit: β = arcsin(1/n). Für Wasser mit n = 1,33erhält man β ≈ 4 8,8∘, und für Glas mit n = 1,50 erhält man β ≈ 4 1,8∘. Eine passende Grenzwinkelformel ist allgemein β G = arcsin(n 2/n 1). Beim Übergang Medium → Luft kann man oft n 2 ≈ 1setzen, also β G ≈ arcsin(1/n 1). 63.2 Bei langen Glasfaserstrecken werden Lichtimpulse schwächer (Dämpfung) und breiter (Dispersion), weshalb man je nach Strecke optische Verstärker, saubere Steckverbindungen und geeignete Wellenlängen braucht. Zusätzlich können Biegungen, Temperatur und nichtlineare Effekte die Signalqualität verschlechtern. Kupfer ersetzt man nicht überall durch Glasfaser, weil der Umstieg teuer ist, bestehende Infrastruktur auch weiter genutzt wird und weil Kupfer in vielen Anwendungen gleichzeitig Daten und elektrische Leistung liefern kann, was mit Glasfaserleitungen nicht möglich ist. 63.3 Aktuell bestehen zwischen Kontinenten sehr viele parallele Glasfaserverbindungen über Unterwasserkabel, zum Beispiel über transatlantische Systeme wie MAREA (USA–Spanien), Dunant (USA–Frankreich) oder Grace Hopper (USA– UK–Spanien), und viele weitere, die auf Karten wie der regelmäßig aktualisierten Submarine-Cable-Map sichtbar sind. Probleme sind hohe Reparaturkosten bei Kabelbrüchen, die Abhängigkeit von Verstärkern und Landestationen sowie Risiken durch Anker, Fischerei, Erdbeben oder geopolitische Störungen. Andere Übertragungsmöglichkeiten sind Satelliten oder terrestrische Funkstrecken, aber Glasfaser hat den großen Vorteil von sehr hoher Datenrate und meist deutlich geringerer Latenz als Satellitenkommunikation. 64.1 + 64.2 + 64.3 Beispielantworten im digitalen Zusatzmaterial 67.1 Das menschliche Auge hat grob eine Länge beziehungsweise einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 24mm. Den größten Anteil an der Brechkraft liefert die Hornhaut, während die Linse die Brechkraft variieren kann, damit man in verschiedenen Entfernungen scharf sieht. 67.2 Beim Blick durch die Linse eines Fischauges fällt typischerweise eine sehr starke Vergrößerung und eine deutliche Verzerrung auf, weil die Linse sehr stark brechend und meist annähernd kugelförmig ist. Da Fischaugen die Linse kaum in der Form verändern, stellen viele Fische scharf, indem sie die Linse mit Muskeln näher zur Netzhaut hin oder weiter weg bewegen. 67.3 Man weiß, dass Tiere je nach Lebensweise sehr unterschiedliche Sehsysteme haben, zum Beispiel haben Greifvögel hohe Sehschärfe für die Jagd, während nachtaktive Tiere oft besonders lichtempfindlich sind. Manche Insekten sehen UV-Licht, was beim Finden von Blüten hilft, und einige Meerestiere können zusätzlich polarisiertes Licht nutzen. Daraus folgt, dass Sehvermögen und Verhalten oft direkt zusammenhängen, weil Sehen auf Nahrungssuche, Orientierung, Feinderkennung und Partnersuche angepasst ist. 67.4 Zu den wichtigsten Augenfehlern zählen Kurzsichtigkeit, Weitsichtigkeit, Astigmatismus und Alterssichtigkeit. Häufige Augenkrankheiten sind Katarakt, Glaukom und altersbedingte Makuladegeneration. Verlässliche Quellen erkennt man daran, dass sie von Fachgesellschaften, staatlichen Gesundheitsinstitutionen oder klinisch überprüften Informationen stammen und regelmäßig aktualisiert werden. Quellen sind weniger verlässlich, wenn sie keine Autorenschaft, keine medizinische Prüfung oder keine nachvollziehbaren Referenzen angeben, was bei manchen privaten Blogs und Werbeseiten vorkommt. 71.1 Aus sin(φ) = k·λ/d folgt, dass φ nur dann merklich groß wird, wenn d in der Größenordnung der Wellenlänge λ liegt, weil sonst λ/d extrem klein ist und die Maxima praktisch im Zentrum bleiben. Bei sichtbarem Licht ist λ nur einige hundert Nanometer, deshalb sieht man deutliche Beugung vor allem an sehr kleinen Spalten, Gittern oder Hindernissen wie einem Haar. Eine passende Anleitung ist: Man verdunkelt den Raum, richtet einen Laser auf eine Wand, hält ein einzelnes Haar in den Strahl und beobachtet statt eines Punktes eine Reihe heller Punkte, die zu Beugungsmaxima gehören. Danach wiederholt man das mit einem Doppelspalt oder einem Gitter und vergleicht, dass kleinere Abstände d größere Winkelabstände der Maxima liefern. 75.1 Legt man zwei Polaroidbrillen übereinander, wird das Bild beim Drehen zunehmend dunkler, und bei etwa 90° ist es fast ganz dunkel, weil die Filter dann „gekreuzt“ stehen (ein Filter blockiert horizontal und der andere vertikal polarisiertes Licht) und kaum Licht durchlassen. Betrachtet man eine spiegelnde Wasserfläche mit Polaroidbrille, sind Reflexe deutlich schwächer, wenn die Durchlassrichtung so liegt, dass sie die bevorzugte Schwingungsrichtung des reflektierten Lichts unterdrückt. Dreht man die Brille, ändern sich Helligkeit und Blendung stark, weil reflektiertes Licht teilweise polarisiert ist und die Brille je nach Orientierung unterschiedliche Anteile absorbiert. 76.1 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 77.1 Ohne Lufthülle wäre der Himmel schwarz, weil dann kein Sonnenlicht in der Luft gestreut wird, und Sterne wären auch am „Tag“ sichtbar, wenn die Sonne nicht im Blickfeld ist. Auf dem Mond sieht der Himmel daher schwarz aus, weil es praktisch keine Atmosphäre gibt. Auf dem Mars erscheint der Himmel oft rötlich bis gelblich, weil feiner Staub in der dünnen Atmosphäre Licht streut, und nahe der Sonne können Sonnenuntergänge bläulich wirken, weil sich die Streuung mit dem Weg durch die Atmosphäre ändert. 85.1 Die Satellitengrafiken zeigen, dass sich viele Klimagrößen zwar saisonal verändern, sich aber die langfristigen Mittelwerte verschieben. In der Grafik 85.2 sieht man zum Beispiel den starken Anstieg der CO 2-Konzentration bis etwa 420ppm welcher stark mit dem durchschnittlichen Temperaturanstieg korreliert. Außerdem macht der Strahlungshaushalt klar, dass Treibhausgase einen Teil der von der Erde abgegebenen Infrarotstrahlung absorbieren und wieder Richtung Erdoberfläche abstrahlen, was die Erde zusätzlich erwärmt. 89.1 + 89.2 Beispielantworten im digitalen Zusatzmaterial 95.1 Nach dem Fermat’schen Prinzip nimmt Licht den Weg mit der kürzesten Laufzeit, und daraus ergibt sich beim Übergang zwischen zwei Medien das Brechungsgesetz, weil bei unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der zeitlich schnellste Weg nicht gerade sein muss. Dass Licht beim Eintritt in ein optisch dichteres Medium zum Lot gebrochen wird, passt nur dann zur minimalen Laufzeit, wenn es sich dort langsamer ausbreitet als in Luft. Diese geringere Geschwindigkeit erklärt man damit, dass Licht im Medium mit Materie wechselwirkt und dadurch ein größerer Brechungsindex n entsteht. 101.1 In Abb. 101.2 bedeutet die Steigung der Geraden den Wert der Planck’schen Konstante h, weil nach der Einstein-Gleichung E kin,max = h·f − W die kinetische Energie linear mit der Frequenz zunimmt. Dass alle Geraden (für Cs, Ca, Zn) praktisch die gleiche Steigung haben, zeigt, dass h nicht materialabhängig ist, während der Achsenabschnitt bzw. die Lage der Geraden durch W materialabhängig ist. 101.2 Ja, es gibt eine materialabhängige Grenzfrequenz f G, unterhalb der kein Photoeffekt auftritt, weil dann h·f < W gilt und das Photon nicht genug Energie liefert, um ein Elektron aus dem Metall zu lösen. Für Zink mit W = 4,27 eV folgt aus h·f G = W die Grenzfrequenz: f G = W _ h ≈ 4,27 eV __ 4,14·10 −15 eVs ≈ 1,03·10 15 Hz was einer Grenzwellenlänge von λ G ≈ c _ f 0 ≈ 2,9·10 −7 m ≈ 290nmentspricht und damit im UV Bereich liegt. Als verwendete Grundlage dienen die Lichtquantenhypothese E = hf und die Einstein-Gleichung E kin = hf − W. 110.1 Bei m =1g=10−3 kgund v = 1 m/smit 1 % (= 0,01) Genauigkeit gilt für die Geschwindigkeitsunschärfe: Δ v = 1 m/s·0,01 = 0,01 m/s. Daher gilt entsprechend für die Impulsunschärfe: Δp = m·Δv = 10 −3 kg·0,01 m/s = 10−5 kg m/s. Mit Δx·Δp ≈ h ergibt sich: Δx ≈ h _ Δp ≈ 6,63·10 −34 kg m 2/s ___ 10 −5 kg m/s ≈ 6,63·10 −29 m 129 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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