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Big Bang - Online

Big Bang 2

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So eine Art Vorwort

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Das sicherste Wissen dieser Welt
Du hast sicherlich schon von Albert Einstein gehört! Er war Nobelpreisträger und einer der besten Physiker, die jemals gelebt haben – und mit ziemlicher Sicherheit auch einer der berühmtesten. Einstein ist bekannt wie ein bunter Hund! Aber was macht eigentlich ein Physiker den ganzen Tag lang? Und was bedeutet dieses etwas eigenartige Wort? Warum kann man zu Recht behaupten, dass alles in deinem Leben irgendwie mit Physik zu tun hat?! Das und noch viel mehr schauen wir uns in diesem ersten Kapitel an!

Seite 6 - Bild 1.3

Dieses Bild zeigt den majestätischen Andromedanebel. Dabei handelt es sich um unsere Nachbargalaxis. Trotzdem ist sie so weit weg, dass sogar das Licht 2,5 Millionen Jahre zu uns braucht. Unsere Heimatgalaxis, die Milchstraße, würde von außen betrachtet sehr ähnlich aussehen.

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Seite 6 - Bild 1.4

Nicht nur die Liebe geht durch den Magen, sondern auch die Achterbahn. Hier siehst du einen so genannten inverted coaster, bei dem die Füße in der Luft baumeln.

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Seite 6 - Bild 1.6

Mit einer Wärmebildkamera können die unterschiedlichen Temperaturen am Körper eine Katze sichtbar gemacht werden. Rechts unten siehst du, dass der Pfotenabdruck am Boden eine warme Stelle zurücklässt.

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Wie kommt man von A nach B?

In diesem Kapitel geht es um alle möglichen Formen von Bewegungen. Wir werden uns Schritt für Schritt von den einfachen Fällen zu den komplizierteren vortasten. In B 2.1 siehst du viele sehr unterschiedlich schnelle Objekte – vom gehenden Menschen bis zur Erde, die um die Sonne rast. Der obere Teil a bis zum Überschallauto Thrust SSC passt zusammengestaucht komplett in den unteren, grau unterlegten Bereich hinein.

Seite 12 - Bild 2.1

Verschieden große Geschwindigkeiten: Die Erde bewegt sich 30.000-mal so schnell wie ein gehender Mensch. Um die Lichtgeschwindigkeit (300 Millionen Meter pro Sekunde) einzeichnen zu können, müsste das Diagramm 1,5 Kilometer breit sein.

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Seite 12 - Bild 2.2

In B 2.2 siehst du ein altes, physikalisch falsches, und ein neues Schild zur Geschwindigkeitsbeschränkung. Welches ist welches? Und was ist am alten eigentlich falsch?

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Seite 13 - velocity, space & time

Geschwindigkeit ist der zurückgelegte Weg in der dafür benötigten Zeit. Kurz: Geschwindigkeit ist Weg pro Zeit. Physiker verwenden gerne Formeln, weil sie dann weniger schreiben müssen. Bei der Geschwindigkeit sieht das dann so:. Die Buchstaben kommen von den englischen Begriffen velocity, space und time.

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6.000.000.000.000.000.000.000.000 kg

In diesem Kapitel erfährst du, was man in der Physik unter dem Begriff Masse versteht. Es geht um Körper mit seeehr viel Masse, wie unsere Erde, aber auch solche mit winzig kleiner Masse, wie etwa Elektronen, die sich in den Hüllen der Atome befinden (B 3.6). Außerdem wirst du in diesem Kapitel ein wenig über schwarze Löcher hören (B 3.1). Diese gehören zu den faszinierendsten Objekten im Universum.

Seite 20 - Bild 3.1

Ein schwarzes Loch in einer künstlerischen Darstellung.

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Seite 23 - Bild 3.13

In B 3.13 siehst du Würfel aus verschiedenen Materialien, die alle ein Volumen von einem Kubikmeter besitzen. Natürlich würde der Luftwürfel verduften und das Wasser wegrinnen. Aber stell dir mal vor, unsichtbare Kräfte halten sie in Form. Der springende Punkt ist der, dass diese Würfel komplett unterschiedliche Massen haben. Den Styroporwürfel mit rund 40 kg könntest du mit Hilfe heben, beim Wasser mit 1000 kg wärst du aber komplett chancenlos. Und so ein Goldwürfel mit über 19 Tonnen ist ziemlich diebstahlsicher!

Die Masse, die 1 m3 des jeweiligen Materials hätte. Die Zahlen sind gerundet, und bei Styropor ist ein Mittelwert angenommen (genauen Zahlen Tabellen 3.2 und 3.3).

Genau das, was in B 3.13 dargestellt ist, versteht man unter der Dichte eines Stoffes.

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Seite 24 - Bild 3.14

Die Dichte von Eis ist nur einen Tick kleiner als die von Wasser. Deshalb liegen etwa 90 % eines Eisberges unter Wasser.

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Superman und Co.

In Kapitel 1 hast du von zwei der besten Physiker aller Zeiten gehört: von Galileo Galilei und Albert Einstein. Für die Top Drei fehlt dir noch Isaac Newton (B 4.7). Er gilt auf Grund seiner Entdeckungen in Physik und Mathematik als einer der größten Wissenschaftler überhaupt. Unter anderem ist er der Schöpfer der drei Newton‛schen Gesetze, um die es in diesem Kapitel geht. Die Gesetze erklären nicht nur viele Effekte aus deinem Alltag, sie sind im ganzen Universum gültig (B 4.1).

Seite 27 - Bild 4.1

Die Erde als klitzekleiner Punkt vom Saturn aus gesehen. Diese Aufnahmen stammt von der Sonde Voyager 1 (siehe auch B 4.2). Was diese wiederum mit Newtons Gesetzen zu tun hat, erfährst du gleich im ersten Abschnitt.

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Seite 27 - Bild 4.2

Voyager 1 fliegt und fliegt und fliegt!

Die Raumsonde Voyager 1 (B 4.2) wurde 1977 gestartet und war im Jahr 2016 bereits über 20 Milliarden km von uns entfernt. Sie besitzt keine Antriebsraketen! Wie lange wird sie noch weiterfliegen: a) 100 Jahre, b) 1000 Jahre, c) 1 Million Jahre oder d) noch viel viel länger?

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Seite 27 - Bild 4.3

Wenn man die Reibung vernachlässigt und eine Kugel nicht gebremst wird, rollt diese immer zur Ausgangshöhe zurück (B 4.3). Wie weit würde sie rollen, wenn die Bahn rechts völlig waagrecht ist?

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Der Fakir am Nagelbrett

Du hast gehört, dass Kräfte zu Geschwindigkeitsänderungen führen. Sie können auch Verformungen hervorrufen, etwa wenn Objekte mit hoher Geschwindigkeit auf andere prallen und dann alles Mögliche anrichten (B 5.1). Um deine Kenntnisse zu vertiefen, sehen wir uns in diesem Kapitel Beispiele für Kräfte an, die in deinem Alltag eine große Rolle spielen, etwa die Gewichtskraft, die dich zu Boden zieht, Reibungskräfte, die du beim Radfahren oder Schwimmen überwinden musst, oder deine Muskelkraft, die die Bewegungen deines Körpers ermöglicht.

Seite 36 - Bild 5.1

Ein Geschoss prallt auf eine Lampe. Dabei treten so große Kräfte auf, dass diese buchstäblich zerbröselt.

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Seite 43 - Bild 5.31

Knorpelschaden!

Jede Gelenksfläche in deinem Körper ist mit einem sehr widerstandsfähigen Knorpel überzogen. Die beiden Pfeile in B 5.31 zeigen auf die weißen Knorpelflächen in einem Kniegelenk. Die Knorpel halten im Vergleich mit dem Knochen aber nur ein Drittel des Druckes aus. Deshalb ist der Knochen an den Enden verbreitert. Durch die größere Fläche sinkt der Druck auf den Knorpel ab (p↓= F/A ) und das bewahrt deine Knie vor einem frühzeitigen Knorpelschaden.

Bild: Ein Kniegelenk im Querschnitt

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Seite 36 - Bild 5.2

Du möchtest auf einem Astronauten-Obstmarkt am Mond 1 kg Äpfel kaufen. Welche Waage würde dort richtig funktionieren? Eine Badezimmerwaage oder eine Balkenwaage (B 5.2)?

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Spaghetti Bolognese

Du hast aus dem Alltag schon eine gewisse Vorstellung davon, was Energie ist. In diesem Kapitel wirst du dein Wissen dazu vertiefen. Du wirst hören, dass man Energie dazu braucht, um mit Auto oder Fahrrad zu fahren, um etwas zu schieben, zu heben oder zu erwärmen und um elektrischen Strom fließen zu lassen, der zum Beispiel dein Handy betreibt. Auch dein Körper benötigt pausenlos Energie, die du über die Nahrung zu dir nimmst. Energie ist also nicht nur einer der wichtigsten Begriffe in der Physik, sie bestimmt auch deinen Alltag. Fast die gesamte Energie, die in deinem täglichen Leben eine Rolle spielt, kommt ursprünglich von der Sonne.

Seite 46 - Bild 6.2

In B 6.2 siehst du ein Ding mit dem beeindruckenden Namen Eierschalensollbruchstellenverursacher. Weißt du, wie es funktioniert?

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Seite 46 - Bild 6.3

Lass verschiedene Massen wie in B 6.3 aus verschiedenen Höhen auf ein Stück Plastilin fallen. In welchem Fall ist die Verformung am stärksten und warum?

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Seite 46 - Bild 6.5

Der Klassiker seit Jahrzehnten: Die U-Hakerl- Schleuder (B 6.5)! Wie funktioniert sie physikalisch gesehen? Mach mit deinen Mitschülerinnen und Mitschülern einen Weitschusswettbewerb. Aber Achtung: Niemals auf Personen schießen – das kann ins Auge gehen!

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Der Schiefe Turm von Pisa

Warum soll man sich das Leben unnötig schwer machen?! In der Physik sieht man das genauso! Ein wichtiges Prinzip ist daher, Situationen möglichst zu vereinfachen, ohne dabei unpräzis zu werden. Zum Beispiel kann man mit Hilfe der Energieerhaltung simpel und zugleich exakt erklären, wie Menschen zu- und abnehmen (Kap. 6.3). In diesem Kapitel geht es darum, dass man Objekte oft auf einen einzigen Punkt vereinfachen kann, den so genannten Schwerpunkt, mit dem man trotzdem viele Effekte verblüffend simpel erklären kann!

Seite 55 - Bild 7.1

Der bulgarische Akrobat Encho Keryazov bei seinem legendären einarmigen Handstand. Wieso kippt er nicht um?

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Seite 59 - Bild 7.24

Wie schafft es der Kicker in B 7.24, den Ball am Kopf zu balancieren?

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Seite 55 - Bild 7.2

Wie konstruiert man den Schwerpunkt bei einem Dreieck? Und was ist das Besondere an diesem Punkt? Hilf dir mit B 7.2!

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Die Tricks der Pyramidenbauer

In der Abbildung rechts siehst du die Große Pyramide von Gizeh, auch als Cheops-Pyramide bekannt. Sie ist das letzte der Sieben Weltwunder, das heute noch erhalten ist und mit knapp 139 m rund zwei Meter höher als der Stephansdom in Wien. Jeder einzelne Steinblock hat eine Masse von 1000 bis 3000 Kilogramm, die gesamte Pyramide sechs Milliarden Kilogramm! Unfassbar! Wie war es den Ägyptern vor etwa 4500 Jahren möglich, einen solchen Haufen Steine aufzuschlichten?

Seite 60 - Bild 8.3

Du musst Fässer auf einen LKW laden (B 8.3). Wofür benötigst du mehr Kraft: Wenn du sie über die Rampe rollst (a) oder wenn du sie hebst (b)? Kannst du in einem der Fälle Arbeit sparen?

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Seite 60 - Bild 8.4

In B 8.4 siehst du eine vereinfachte Darstellung einer Liftanlage. Wenn sich die Kabine hinaufbewegt, bewegt sich ein Gegengewicht hinunter. Aber warum ist das Stahlseil über Umlenkrollen so oft hin und her gewickelt?

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Seite 61 - Bilder 8.5 und 8.6

Cheops-Pyramide

Von Arbeit spricht man in der Physik immer dann, wenn Energie von einer Form in eine andere umgewandelt wird. In der Mechanik speziell gilt: Arbeit ist Kraft mal Weg. Nimm an, ein Fass hat eine Masse von 10 kg und somit eine Gewichtskraft von 100 N. Wenn du es senkrecht in die Höhe hebst, musst du eine Arbeit von 100 N · 1 m = 100 J aufwenden (B 8.5 b). Wenn du das Fass eine 2 m lange Rampe hinaufrollst, beträgt die zu überwindende Kraft nur 50 N (a). Die Hebearbeit ist mit 50 N · 2 m = 100 J aber dieselbe!

Bild 8.6: Die „Goldene Regel“ beim Aufladen eines Fässchens

Als erwiesen gilt, dass schiefe Ebenen bereits beim Bau der Pyramiden verwendet wurden (B 8.6), die Details sind jedoch umstritten. Natürlich war es immer noch eine Mordsarbeit – aber immerhin leichter als ohne Rampe.

Bild 8.6: a) Eine Möglichkeit, wie die Rampe ausgesehen haben könnte. b) Zusätzlich wurde wahrscheinlich mit Rollreibung gearbeitet

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Du bestehst aus Sternenstaub!

Es ist aufregend, in einer kristallklaren Nacht den Sternenhimmel zu betrachten! In den Städten siehst du wegen der vielen Lichter und dem Dunst heutzutage ja kaum mehr was, aber wenn du einmal am Land die Gelegenheit hast, werden dir die Augen übergehen! Und jetzt kommt‛s: Die Bestandteile deines Körpers sind Überreste lang verloschener Sterne! Ist das nicht abgefahren!? Du bestehst, wie auch alles andere auf der Erde, aus Sternenstaub (mehr dazu in Kap. 9.2). Vielleicht entstehen aus den Teilchen des einen oder anderen Sterns, den du heute am Himmel siehst, in Milliarden Jahren wiederum intelligente Lebewesen, die am Abend den Sternhimmel betrachten!

Seite 65 - Bild 9.1

Die Bestandteile deines Körpers gehörten früher zu Sternen, die heute schon lang verloschen sind!

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Seite 72 - Bild 9.33

Sowohl beim Juwelier als auch in der Apotheke kannst du Supernovareste kaufen (B 9.33) – in der Apotheke aber weitaus günstiger! Warum?

Bild: Blitzlicht im All: Eine Supernova (links unten) in einer fernen Galaxie, aufgenommen mit dem Weltraumteleskop Hubble. Eine Supernova leuchtet einige Tage so hell wie eine ganze Galaxie!

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Seite 65 - Bild 9.2

Der griechische Denker Demokrit vermutete bereits etwa 400 v. Chr., dass man Stoffe nicht beliebig zerkleinern kann, sondern dass es kleinste Bausteine gibt, aus denen sich alles zusammensetzt! Er nannte sie Atome (griechisch atomos = unteilbar). Hatte er Recht oder nicht? Kann man Dinge beliebig oft zerschneiden, oder bleibt irgendwann etwas Unteilbares über?

Bild: Gibt es unteilbare Bausteine im Universum?

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Der Friedhof der Energie

Lava ist vereinfacht gesagt flüssiger Stein. Sie hat beim Austritt 700 bis 1200 °C. Ganz innen ist die Erde sogar 6000 °C heiß! Du lebst auf der Oberfläche eines riesigen, glühenden Ofens. In Hawaii kann es passieren, dass die Lava ins Meer fließt und dieses augenblicklich zum Kochen bringt (B 10.1). Aber was ist eigentlich Wärme? Was ist bei einem warmen Stoff anders als bei einem kalten? Was passiert, wenn ein Stoff schmilzt, kocht oder erstarrt? Das alles kannst du einfach verstehen, wenn du das Verhalten der Atome und Moleküle eines Stoffes genauer unter die Lupe nimmst.

Seite 74 - Bild 10.2

Du hältst einen 1-kg-Tonklumpen 1 m über dem Boden (B 10.2 a). Er besitzt 10 J Hebeenergie. Wenn du ihn fallen lässt, wandelt sich diese in Bewegungsenergie um (b). Poff! Jetzt sind beide Energieformen auf 0 J gesunken (c)! Aber es gilt die Energieerhaltung! Wo sind die 10 J hin?

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Seite 74 - Bild 10.3

Der schottische Botaniker Robert Brown entdeckte 1827 unter dem Mikroskop, dass Pollenkörner in einem Wassertropfen seltsame Zick-Zack-Bewegung ausführen (B 10.3). Wieso machen sie das?

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Seite 74 - Bild 10.4

Pausenlos geschubst

Die Erklärung für Browns Entdeckung lieferte fast 80 Jahre später kein Geringerer als Albert Einstein. Er erkannte, dass die Pollen pausenlos von den Wassermolekülen geschubst werden, die unter einem Mikroskop aber nicht zu sehen sind. Brown entdeckte also, ohne es zu wissen, die Wärmebewegung der Teilchen.

Bild: Die unter dem Mikroskop nicht sichtbaren Wassermoleküle schubsen die sichtbaren Pollen.

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Im Auge des Hurrikans

Der Druck spielt in festen (Kap. 5.4), flüssigen (Kap. 12.1) und gasförmigen Stoffen eine Rolle. Wir werfen hier einen Blick auf den Luftdruck. Luft ist für dich wegen ihres Sauerstoffgehalts lebensnotwendig. Sie umhüllt alles auf der Erde und reicht bis zum Anfang des Weltraums. Diese Lufthülle, die Atmosphäre, kannst du als schmales dunkelblaues Band in B 11.1 sehen. Weil die Luft nach oben hin immer dünner wird, hat man die Grenze zwischen Atmosphäre und Weltall mehr oder weniger willkürlich bei 100 km Höhe gezogen. Im Alltag spielt der Luftdruck vor allem bei der Entstehung des Wetters eine große Rolle.

Seite 85 - Bild 11.1

Ein Hurrikan ist ein gigantischer Wirbelsturm um ein Tiefdruckgebiet herum. Die Luftmassen drehen sich bis zu 300 km/h schnell.

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Seite 85 - Bild 11.3

Fülle ein Glas mit Wasser und decke es mit einem Stück Karton ab (B 11.3 a). Drehe es nun schnell um (b). Jetzt kannst du die Hand wegnehmen, ohne dass der Karton runterplatscht (c). Warum geht das?

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Seite 85 - Bild 11.4

Fülle etwas Wasser in eine Metalldose und bringe es zum Kochen (B 11.4 a). Tauche nun die Dose rasch mit der Öffnung nach unten in kaltes Wasser (b). Wie durch Geisterhand wird sie sofort zusammengequetscht. Warum?

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Am tiefsten Punkt der Meere

Die Deepsea Challenger (B 12.1) ist ein etwa 7 m hohes Tiefsee-U-Boot, mit dem man in der Lage ist, bis zum tiefsten Punkt der Meere vorzudringen. Dieser liegt im Marianengraben im Pazifischen Ozean und befindet sich unfassbare 11.000 m unter dem Meeresspiegel! Zum Vergleich: Der Mount Everest ist bloß mal 8848 m hoch! Ein U-Boot muss in einer solchen Untiefe eine gigantische Belastung aushalten, weil der Wasserdruck dort etwa 1100-mal so groß ist, wie der gewohnte Luftdruck! Das ist natürlich schon sehr heftig. Der Druck in Flüssigkeiten spielt aber nicht nur bei solchen wagemutigen Abenteuern eine Rolle, sondern auch überraschend oft im Alltag und häufig bei ganz banalen Dingen.

Seite 91 - Bild 12.2

Bohre in eine Plastikflasche drei Löcher in verschiedenen Höhen und fülle gefärbtes Wasser ein. Was zeigt das ausfließende Wasser sehr schön (B 12.2)?

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Seite 96 - Bild 12.28

Hydraulische Presse

Wenn der zweite Kolben größer ist (B 12.28 a), kannst du die Kraft verstärken. Nimm an, Kolben 1 hat 1 cm2 Querschnitt, und du drückst mit 10 N. In der Flüssigkeit erzeugst du daher einen Druck von 10 N/cm2. Wenn Kolben 2 eine Fläche von 2 cm2 hat, dann wirken auf ihn 2 cm2 · 10 N/cm2 = 20 N. Tataa – die Kraft hat sich verdoppelt! In einer hydraulischen Presse ist Kolben 2 viel, viel größer als Kolben 1. Deshalb kann man irrwitzige Kräfte erzeugen und sogar Autos zu Würfeln pressen.

In der Mechanik gilt Arbeit ist Kraft mal Weg. Die Energieerhaltung setzt leider fest, dass du diese Arbeit nicht verringern kannst! Wenn du Kolben 1 um 1 cm hineindrückst, dann wandert Kolben 2 in unserem Beispiel nur 0,5 cm weit. Die Arbeit ist in beiden Fällen gleich groß. Es ist so wie beim zweiarmigen Hebel (B 12.28 b) oder bei einem Flaschenzug mit einer Umlenkrolle.

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Seite 91 - Bild 12.3

Staumauern werden nach unten hin immer dicker (B 12.3). Warum ist das so?

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Haaalo, Eeecho

Schall spielt im Alltag ein große Rolle. Ohne ihn wäre Verständigung sehr mühsam, und die Menschheit hätte sich niemals in dieser Weise entwickelt. Außerdem gäbe es keine Musik! Das Bild rechts sieht nach Science-Fiction aus, ist aber ein schalltoter Raum. Durch die Spitzen werden Geräusche praktisch völlig geschluckt. Solche Räume werden für Tonaufnahmen oder Messungen genutzt, aber auch, um Astronauten auf die Totenstille im All vorzubereiten. In solchen Räumen hält man es nicht länger als 45 Minuten aus. Das Fehlen jeglicher Geräusche verursacht ein Gefühl totaler Einsamkeit, verwirrt die Sinne und führt zu Halluzinationen.

Seite 98 - Bild 13.1

Ein schalltoter Raum

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Seite 101 - Bild 13.15

Was passiert, wenn du zwischen zwei hängenden Papierblättern durchbläst (B 13.15 a)? Was passiert mit dem Papierhütchen, wenn du durch den Trichter bläst (b)?

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Seite 98 - Bild 13.2

Erzeuge mit einem Lineal wie in B 13.2 einen Ton. Was passiert mit der Tonhöhe, wenn es unterschiedlich weit über die Tischplatte steht?

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Der Traum vom Fliegen

Beim Lichterfest in Thailand lässt man an manchen Orten hunderte „Himmelslaternen” aufsteigen (B 14.1). Diese funktionieren genauso, wie moderne Heißluftballons. Die Technik wurde vor bereits 2000 Jahren in China entwickelt und zum Beispiel zur Kommunikation genutzt. Bis man auf die Idee kam, heiße Luft auch für große Ballons zu verwenden, dauerte es noch viele Jahrhunderte. Die Geburtsstunde der bemannten Luftfahrt war 1783. Dabei verwendete man aber noch eine etwas andere Technik, wie du gleich lesen wirst.

Seite 107 - Bild 14.1

In der thailändischen Provinz Chiang Mai wird das Lichtfest beeindruckend gefeiert.

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Seite 113 - Bild 14.33

Die Menschen waren bereits 1969 am Mond und kreisen vor allem ausgiebig um die Erde, momentan an Bord der Internationalen Raumstation ISS (B 14.33).

Bild: Die ISS

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Seite 107 - Bild 14.2

Auf einer Balkenwaage sind zwei Objekte mit unterschiedlichem Volumen ausbalanciert (B 14.2 a). Stellt man die Waage unter eine Glasglocke und saugt die Luft aus, dann kippt die Waage nach links (b) Wieso?

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