Zusammenfassung
Werbung
Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Realschule Bayern Physik 7I C Grundwissen · 7. Jahrgangsstufe I • Physikalische Größen Physikalische Größen werden durch ein Messverfahren und eine Einheit festgelegt. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Länge, Masse und Kraft sind Grundgrößen. Ihre Festlegung erfolgt in drei Schritten: Physikalische Größe Größenzeichen Einheit Länge Masse Kraft 1m 1 kg 1N l m F Schritt Länge Masse Kraft Gleichheit Zwei Längen sind gleich lang, wenn sie in denselben Abstand hineinpassen. Die Massen zweier Körper sind gleich groß, wenn die Körper die Balkenwaage im Gleichgewicht halten. Zwei Kräfte sind gleich groß, wenn sie eine Schraubenfeder gleich weit dehnen. Vielfachheit Zwei, drei, vier, … Körper gleicher Länge ergeben aneinander gefügt die doppelte, dreifache, vierfache, … Länge. Zwei, drei, vier, … Körper gleicher Masse haben zusammen die doppelte, dreifache, vierfache, … Masse wie der einzelne Körper. Wird eine Schraubenfeder durch eine Kraft doppelt (dreimal, viermal …) so weit gedehnt wie durch eine andere Kraft, so ist die Kraft doppelt (dreimal, viermal …) so groß wie die andere. Einheit 1 Meter ist der Weg, den das Licht in 299 7193 458 s im Vakuum zurücklegt. 1 Kilogramm ist die Masse des Urkilogramms. 1 Newton ist die Gewichtskraft, die auf ein Wägestück von 102 g am Normort wirkt. • Angabe von Messergebnissen Jede physikalische Größe wird durch die Angabe von Maßzahl und Einheit beschrieben: Physikalische Größe = Maßzahl · Einheit. Beispiel: s = 3 m; m = 5 kg; F = 12 N. Bei der Angabe von Messergebnissen wird die Genauigkeit der Messung berücksichtigt: Die letzte Ziffer des notierten Messergebnisses ist durch die Bauart der Messgeräte, das angewandte Messverfahren und durch die Sorgfalt der messenden Person bestimmt. Sie wird unsichere Stelle genannt. Die angegebenen Ziffern (einschließlich der unsicheren Stelle) heißen gültige Ziffern. Beispiel: m = 150 g (mit einer Haushaltswaage gemessen), m = 150,2 g (mit einer Balkenwaage bestimmt). 63960 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Realschule Bayern Physik 7I C Physik 7I Das Werk wurde erarbeitet von Realschule Bayern Christian Hörter, Weilheim unter Mitarbeit von Gisela von Brackel, Nürnberg Friedrich Ilmberger, München Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. auf der Grundlage eines Werkes von Bernd Heepmann, Dr. Heinz Muckenfuß und Wilhelm Schröder Redaktion Helmut Dreißig, Thomas Gattermann, Christa Greger, Simone Lambert, Christian Wudel Grafik Gabriele Heinisch (Cornelsen) Yvonne Koglin Marie-Annick Le Vaillant Fotos Fotostudio Mahler (Auftragsfotos Cornelsen) Sonstige Fotoquellen siehe Verzeichnis der Bild- und Textquellen. Technische Umsetzung Dierk Ullrich Verzeichnis der Bildund Textquellen Acaluso, Altensteig: 4.1; ADAC, München: 90 (Text: Sie fliegen noch …); Ammon, Schönau: 112.3; Angermayer, Holzkirchen: 4.2; Anthony, München: 19.1; Astrofoto, Leichlingen: 16.5 u. 6, 16.8, 17.13, 54.1 u. 2, 55.8; Bavaria, Gauting: 6.3, 11.5, 16.1, 19.2 u. 4, 52.1, 55.5, 61.9, 92.1, 106.1 u. 2, 107.7, 122.1; Benefon, Salo (Finnland): 62.1b; Büdeler, Thalham: 36.2; Dargaud Editeur by Morris, 1985: 14.7; Deutsches Museum, München: 56.1; dpa, Frankfurt/ Main: 11.2, 30.4, 68.1, 96.1; Eichdirektion Rheinland-Pfalz, Bad Kreuznach: 93.7; Einhell, Landau: 35.7; Eisch, Frauenau: 96.2; Engelhardt, Köln: 70.2, 87.5; ESA, Darmstadt: 18.4, 62.1a; Frank, Ravensburg: 14.8; Göbel, Spielberg: 88.2; Greiner & Meyer, Braunschweig: 104.2 u. 4 unten; Hoya Lens, Hamburg: 49.8; Huber, Garmisch-Partenkirchen: 19.3, 71.5, 80.2; IFA, München: 4.3, 73.12, 79.6, 91.5; Ikan, Frankfurt/Main: 5.5; Illmann, Nümbrecht: 70.3; Irmer, München: 5.9, 85.8 u. 10; IVB Report, Heiligenhaus: 66.2b; Jenoptik, Jena: 64.5; Krautkrämer, Köln: 115.10; Krupp Atlas Elektonik, Bremen: 114.2; Leuenberger, Berlin: 100.1; Lichtenberger, Fahren: 36.1; Liebermann, Hagen-Riegsee: 14.9; Lienert, Appenweier: 38.1; Mauritius, Mittenwald: 6.2, 28.1, 35.5, 52.3, 115.11, 125.5; Muckenfuß, Ravensburg: 34.1, 61.10; Nilsson: Unser Körper neu gesehen. Herder, Freiburg: 44.1; Offermann, Arlesheim (Schweiz): 98.1 u. 2; Okapia, Berlin und Frankfurt/Main: 5.6, 104.5; Olympus Europe, Hamburg: 59.6-8; Opel, Rüsselsheim: 90.4; Pfeiffer, Kirchentellinsfurt: 17.11; Philips, Hamburg: 114.4; Preußischer Kulturbesitz, Berlin: 50.3; PTB, Braunschweig: 66.1a u. 1b, 92.3; RWE, Essen: 102.4; Sauer, Karlsfeld: 104.4 oben; Schott, Wiesbaden: 31.10; Schumann, Großhansdorf: 52.2; Siemens, München: 114.5; Silvestris, Kastl: 6.1, 55.7, 79.5, 99.4, 101.9, 102.6; Slawik/Reichert, Atlas der Sternbilder, Spektrum Akademischer Verlag 1998, Heidelberg: 43.9; Transglobe, Hamburg: 5.7; USIS, Bonn: 11.1, 74.1 u. 2; Wilhelm-Foerster-Sternwarte, Berlin: 16.7, 92.2; Zefa, Düsseldorf: 81.7, 90.3; Zeiss, Oberkochen: 50.1 u. 2, 50.4; Zentralbild, Berlin: 107.6. Alle anderen Fotos: Cornelsen, Berlin. http://www.cornelsen.de 1. Auflage € Druck 5 4 3 2 Jahr 07 06 05 04 Alle Drucke dieser Auflage sind inhaltlich unverändert und können im Unterricht nebeneinander verwendet werden. © 2001 Cornelsen Verlag, Berlin Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis zu § 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Druck: CS-Druck CornelsenStürtz, Berlin ISBN 3-464-85010-2 Bestellnummer 850102 L Gedruckt auf säurefreiem Papier, umweltschonend hergestellt aus chlorfrei gebleichten Faserstoffen. Inhaltsverzeichnis Optik Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Lichtquellen und Lichtausbreitung S. 4 Die Bedeutung der Lichtquellen Die Ausbreitung des Lichts Licht braucht Zeit Zusammenfassung Licht und Schatten S. 13 Wie Schatten entstehen Farbige Schattenbilder Mondfinsternis und Sonnenfinsternis Zusammenfassung Die Reflexion des Lichts S. 19 Licht wird gezielt zurückgeworfen Spiegelbilder – wo liegen sie eigentlich? Zusammenfassung Brechung und Totalreflexion S. 25 Licht wird gebrochen Brechung – genauer betrachtet Die Totalreflexion Zusammenfassung Dispersion S. 32 Licht steckt voller Farben Zusammenfassung Optische Linsen S. 38 Die Sammellinse Die Wirkung von Sammellinsen auf Lichtbündel Nicht alle Linsen sammeln Licht Sammellinsen erzeugen Bilder Zusammenfassung Auge und Sehvorgang S. 44 Das Auge erzeugt Bilder Zusammenfassung Optische Geräte S. 48 Die Brille Groß und klein – nah und fern Die Lupe Das Fernrohr Der Fotoapparat Zusammenfassung Akustik Mechanik (Teil 1) Die Länge S. 62 Längenmessung mit Satelliten Zusammenfassung Ausbreitung von Schall S. 111 Schallwellen Schallgeschwindigkeit und Echo Zusammenfassung Die Kraft S. 68 Kräfte und Kraftwirkungen Wir vergleichen Kräfte Kraft – Betrag, Richtung, Angriffspunkt Zusammenfassung Empfang von Schall S. 116 Das Ohr Mitschwingen und Resonanz Der Doppler-Effekt „Power“ für die Ohren? Zusammenfassung Wir messen Kräfte S. 74 Messung von Gewichtskräften Zusammenfassung Projektvorschläge Wechselwirkung – Kräftegleichgewicht – Kräfteaddition S. 78 Gibt es eine Kraft allein? Das Kräftegleichgewicht Wenn Kräfte einen Winkel bilden … Zerlegung von Kräften Zusammenfassung Die Masse S. 88 Körper sind unterschiedlich träge Die Masse und ihre Messung Zusammenfassung Vom Aufbau der Körper – das Teilchenmodell S. 96 Eigenschaften von Körpern Wie sind Körper aufgebaut? Die Größe der Teilchen Teilchen sind immer in Bewegung Teilchen halten zusammen Zusammenfassung Entstehung von Schall S. 106 Wir erzeugen Schall Laut und leise – hoch und tief Zusammenfassung Projektarbeit S. 126 Planen – durchführen – präsentieren Projekt Lärm S. 128 Lärm stört, schädigt, gefährdet … Thema: Grundlagen des Hörens Thema: Lärm als Gesundheitsrisiko Thema: Lärmmessung Thema: Schallschutz Weitere Projektbeispiele S. 133 Projektbeispiel: Spiegel Projektbeispiel: Fernrohr Projektbeispiel: Musikinstrumente Projektbeispiel: Bilder mit Licht Anhang S. 137 Tabellen Sach- und Namenverzeichnis Grundwissen Lichtquellen und Lichtausbreitung Die Bedeutung der Lichtquellen 1 2 Eulen können auch bei Nacht hervorragend sehen. Grottenolme leben in Gewässern in dunklen Höhlen. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Bei der Geburt haben sie noch Augen. Diese bilden sich aber bald zurück. Diese Nachtjäger sind mit großen Augen ausgestattet. Harry meint: „Die Natur ist ungerecht! Den Grottenolm lässt sie erblinden, der Eule aber beschert sie Augen in Luxusausführung.“ „Dem Grottenolm wäre auch mit den besten Augen nicht zu helfen“, entgegnet ihm Tina … Vorbereitende Aufträge 1. Versuche ein Zimmer völlig abzudunkeln. Siehst du noch etwas? Überprüfe dann, ob wirklich kein Licht ins Zimmer dringt. Vielleicht siehst du etwas, wenn sich deine Augen an die Dunkelheit gewöhnt haben? … 2. Geht in einen Raum, der völlig verdunkelt ist (z. B. Fotolabor). Nehmt weißes Papier sowie Rückstrahler und Seitenreflektor eines Fahrrads mit. Könnt ihr nach einigen Minuten etwas in der Dunkelheit erkennen? Info: Lichtquellen und ihre Aufgaben Lichtquellen sind Körper, die Licht erzeugen und aussenden. Durch sie wird es hell – eine wichtige Voraussetzung für das Sehen. Das ist aber noch nicht alles. Das Licht der Sonne z. B. ist die Voraussetzung für alles Leben auf der Erde. Ohne das Sonnenlicht wäre es dunkel und bitterkalt. Sie erwärmt das Wasser, die Luft und das Erdreich. Auch das Wachstum der Pflanzen wäre ohne Sonnenlicht nicht möglich (Bild 3). Ohne die Lichtquellen würden uns wichtige Informationen fehlen. Manche Lichtquellen dienen gar nicht der Beleuchtung, 4 sondern nur der Information. Beispiele dafür sind Leuchtreklamen, Kontrolllampen an Geräten oder Ampelanlagen. A1 Warum könnte der Grottenolm nicht sehen – selbst wenn er die Augen der Eule hätte? A2 Wir kennen unterschiedliche Quellen: Wasserquellen, Wärmequellen, Lichtquellen … Was haben alle gemeinsam? A3 Neben den natürlichen gibt es von Menschen gemachte („künstliche“) Lichtquellen. Sammle für beide Sorten einige Beispiele (Tabelle!). 3 A4 Zum Sehen braucht man drei Dinge. Welche sind das? 62161 Lichtquellen und Lichtausbreitung Aus der Biologie: Lebendige Lichtquellen Für Interessierte zum Weiterlesen Mit dem Leuchten wird meistens ein Partner angelockt oder aber ein Beutetier … Glühwürmchen oder Johanniskäfer (Bild 4) sind bei uns heimisch. In besonderen Körperzellen bilden sie einen Stoff aus, den sie zum Leuchten bringen können. Der Tintenfisch von Bild 5 hat besonders viele Leuchtorgane. Sie können sogar in verschiedenen Farben leuchten. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 4 Es gibt auch leuchtende Pilze; sie wachsen in tropischen Regenwäldern (Bild 6). Ihr Leuchten wird von Bakterien hervorgerufen, die auf der Oberfläche der Pilze leben. Der Anglerfisch (Bild 7) kann in der Dunkelheit der Tiefsee seine Beute nicht sehen. Er sorgt aber dafür, dass er gesehen wird: Mit dem Leuchtorgan über seinem Kopf lockt er die Beute an – direkt vor sein aufgerissenes Maul … 6 5 7 Verkehrserziehung: Sehen und gesehen werden Wenn du am Fahrrad den Dynamo angeklappt hast, musst du dich beim Treten mehr anstrengen als ohne Dynamo. Vielleicht bist du dann versucht auf die Beleuchtung zu verzichten. In der Dämmerung oder auf beleuchteten Straßen sieht man ja auch ohne Scheinwerfer recht gut. Das wäre aber lebensgefährlich! Lichtquellen von Fahrzeugen sind nämlich nicht nur dazu da, die Straße zu beleuchten. Sie dienen auch der Information anderer Verkehrsteilnehmer. Es gilt nicht nur zu sehen, sondern auch gesehen zu werden! 62162 8 9 Ein beleuchtetes Fahrzeug ist früher zu erkennen als ein unbeleuchtetes. Seine Lichter geben z. B. an, ob das Fahrzeug bremsen oder abbiegen wird (Bild 8). Bei einem Fahrzeug mit Blaulicht heißt es, schnell Platz zu machen. Auf der Straße dienen viele Lichtquellen der Information anderer Verkehrsteilnehmer. Das gilt nicht nur für die Lichtquellen an Fahrzeugen. Auch die leuchtenden Signale an Straßenrändern, z. B. die Ampelanlagen (Bild 9), haben diesen Zweck. Baustellenmarkierungen sind sogar vom Gesetzgeber vorgeschrieben. 5 Lichtquellen und Lichtausbreitung Die Ausbreitung des Lichts 2 Was sagen diese Bilder über die Lichtausbreitung aus? Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 1 3 Vorbereitende Aufträge 1. Von einer Lampe fällt Licht durch ein Schlüsselloch – etwa so wie Bild 4 es zeigt. Übertrage die Skizze vergrößert in dein Heft. Zeichne dann ein, wie das Licht durch das Loch fällt. Schlüsselloch 4 V1 Bespanne ein Sieb außen mit Alufolie. Stülpe es dann über eine Glühlampe (6 V; 5 A). a) Stich einige Löcher in die Folie. Wie kann man das austretende Licht sichtbar machen? b) Was zeigt dir dieser Versuch über das Licht? c) Zum Zeichnen des Lichts nehmen wir ein Lineal. Warum? d) Stelle eine zweite Blende zwischen Karton und Blende (Lampe ausgeschaltet). Worauf musst du achten, wenn auf dem Karton wieder ein Lichtfleck erscheinen soll? Begründe! e) Schalte die Lampe ein. Überprüfe so, ob du die zweite Blende richtig aufgestellt hast. V2 Das Licht einer Experimentierleuchte fällt durch eine Lochblende (Bild 5). a) Bewege den Schirm von der Blende weg. Was beobachtest du? b) Übertrage Bild 6 groß in dein Heft. Zeichne den Lichtkegel, der den Fleck auf dem Karton erzeugt (von der Lampenmitte ausgehend). V3 Die Blende soll jetzt eine große Öffnung haben. Stelle die Lampe dicht hinter die Lochblende. Entferne diesmal die Lampe langsam von der Blende. Wie ändert sich dabei der Fleck? Schirm (weißer Karton) Schirm Experimentierleuchte ohne Linse 2. Ein Leuchtturm sendet sein Licht mehr als 50 km weit. Von einem Schiff aus ist das Licht aber nie zu sehen, wenn es mehr als 40 km vom Leuchtturm entfernt ist. Woran könnte das liegen? Blende Blende Lampe 5 6 6 62163 Lichtquellen und Lichtausbreitung Info: Wie sich Licht ausbreitet l strah Rand Lochblende Richtungsstrahl Rand strah 7 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 9 l 8 Die Randstrahlen laufen auseinander (divergierendes Lichtbündel). 10 Die Randstrahlen verlaufen zueinander parallel (paralleles Lichtbündel). 11 Die Randstrahlen laufen auf einen Punkt zu (konvergierendes Lichtbündel). Das Licht breitet sich nach allen Seiten hin geradlinig aus. Das Licht einer Experimentierleuchte wird zum Teil durch das Gehäuse abgeschirmt. Nur durch eine Öffnung – eine Blende – kann es die Leuchte verlassen (Bild 7). Das Licht tritt in Form eines Kegels aus der Lampe aus. Man spricht von einem Lichtbündel. In der Zeichnung lassen wir den Lichtkegel vom Mittelpunkt der Lampe ausgehen. Grenzt man ein Lichtbündel durch mehrere Lochblenden schrittweise ein (Bild 8), erhält man immer schmalere Bündel. Für einen Lichtstrahl müssen wir das Lichtbündel in Gedanken so weit verengen, dass es keinen Durchmesser mehr hat. In der Wirklichkeit geht das natürlich nicht: Damit sich das Licht ausbreiten kann, muss die Blende stets eine Öffnung haben; es bleibt also ein schmales Lichtbündel übrig. Lichtstrahlen gibt es nur in der gedanklichen Vorstellung. Etwas, das wir uns vorstellen, um die Wirklichkeit besser beschreiben zu können, heißt Modell oder Modellvorstellung. Wir zeichnen Lichtstrahlen als feine Striche, die von der Lichtquelle ausgehen. Das Modell des Lichtstrahls soll helfen, Beobachtungen zu erklären und Lichtbündel zu zeichnen. Nach dem Verlauf der Randstrahlen teilen wir die Lichtbündel in drei Gruppen ein (Bilder 9–11). A1 Bild 12 zeigt ein Sieb,das mit Aluminiumfolie abgedeckt ist. In die Folie wird ein Loch gestochen. Welche Richtung hat das entstehende Lichtbündel? A4 a) b) c) Wie verändert sich das Lichtbündel in Bild 14, … wenn man die Blendenöffnung größer macht? wenn man die Blende von der Lampe wegrückt? wenn der Schirm verschoben wird? A2 Man spricht vom Strahl einer Taschenlampe oder von Sonnenstrahlen. Was müsste man sagen, wenn man sich physikalisch korrekt ausdrücken wollte? A5 Das Licht der Sonne fällt auf eine Blende. Was ist das Besondere an dem so erzeugten Lichtbündel? A3 Welche Vorteile und welche Nachteile haben die unterschiedlichen Lichtbündel in Bild 13? A6 Erzeugt ein Laserpointer einen Lichtstrahl? Erläutere deine Antwort. Schirm punktförmige Lichtquelle 80° 12 13 62164 Blende 30° 14 7 Lichtquellen und Lichtausbreitung Licht braucht Zeit Aus der Geschichte: Die Messung der Lichtgeschwindigkeit Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Galileo Galilei (1564–1642) versuchte nachzuweisen, dass Licht zur Ausbreitung Zeit braucht. Er stellte zwei Helfer mit abgedeckten Laternen ein paar Kilometer voneinander entfernt auf Berggipfel. Der erste Helfer deckte seine Laterne auf. Sobald der zweite das Licht sah, schickte er ein Lichtsignal zurück. Brauchbare Ergebnisse erhielt er aber nicht. Der dänische Astronom Olaf Römer verblüffte 1676 seine Zeitgenossen mit einer seltsamen Erscheinung. Der Jupitermond Io tritt regelmäßig in den Jupiterschatten ein und ist dann für einige Zeit nicht zu sehen (Bild 1). Die Verfinsterung erfolgt alle 42,5 Stunden, man kann sie daher vorausberechnen. Römer hatte nun festgestellt, dass Io nach einem halben Jahr eine Viertelstunde (ca. 1000 Sekunden) später als berechnet in den Schatten eintritt. Nach einem weiteren halben Jahr stimmten die Beobachtungen wieder mit den ursprünglichen Berechnungen überein. Römer fand die richtige Erklärung: Während die Erde um die Sonne läuft, ändert sich ihre Entfernung zum Jupiter. In der Fernstellung legt das Licht vom Mond Io einen längeren Weg als in der Nahstellung zurück. Für den längeren Weg braucht es mehr Zeit, die Verfinsterung tritt später ein. Die beiden Wege unterscheiden sich um den Durchmesser der Erdbahn, also um 300 000 000 km. Für diese Strecke braucht das Licht 1000 s. Es breitet sich also mit einer Geschwindigkeit von 300 000 km aus. — s Jupiter Jupitermond Io Fernstellung Erde-Jupiter Sonne Erde Nahstellung Erde-Jupiter Jupiterschatten m 0 000 k 300 00 1 Info: Die Lichtgeschwindigkeit Wenn man eine Lichtquelle anschaltet, erreicht das Licht den angestrahlten Gegenstand sehr, sehr schnell – aber nicht sofort. Es braucht für jede Wegstrecke Zeit. Licht legt 300 000 km in 1 s zurück. Für die Strecke Mond–Erde (380 000 km) braucht das Licht 1,27 s und für die Strecke Sonne–Erde (149 500 000 km) 8,31 Minuten. Die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt, beträgt 9,46 Billionen Kilometer und heißt 1 Lichtjahr. Mit der Zeit gelang es mit unterschiedlichen Messmethoden, die Lichtgeschwindigkeit immer genauer zu bestimmen. Der genaue Wert der Lichtgeschwindigkeit war von besonderem Interesse, da die Lichtgeschwindigkeit über die Optik hinaus eine grundlegende Bedeutung als Naturkonstante hat. Im Jahr 1983 hat man schließlich den Zahlenwert der Lichtgeschwindigkeit festgelegt: Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt ge– nau c = 299 792 458 m s. 8 Natürlich kann man den Wert einer Messgröße nicht einfach definieren. Wir werden sehen, dass die Festlegung, wie lang 1 Meter ist, mit der Definition der Lichtgeschwindigkeit zusammenhängt. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft, in Glas und in anderen Medien (Materialien) ist stets kleiner als im Vakuum. Sie hängt sogar von der Farbe des Lichts ab. Medium – Lichtgeschwindigkeit in m s rotes Licht grünes Licht blaues Licht Luft Wasser Glas 2997 · 105 2253 · 105 1989 · 105 2997 · 105 2245 · 105 1981 · 105 2997 · 105 2236 · 105 1972 · 105 A1 Warum konnte Galilei mit zwei Lampen auf Bergen die Lichtgeschwindigkeit nicht bestimmen? A2 Es kann sein, dass wir Sterne am Himmel sehen, die gar nicht mehr leuchten. Begründe! 63599 Lichtquellen und Lichtausbreitung Licht fällt ins Auge Das ist Marios „Supertrick“: Er lässt ganz ohne Leinwand ein Bild erscheinen. Er bewegt nur einen Zeigestock im Lichtkegel des Projektors. Ohne den Zeigestock ist dort nichts zu sehen – auch nicht der Lichtkegel des Projektors. Durchschaust du Marios Trick? Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 2 Vorbereitende Aufträge V1 Die Experimentierleuchte steht so, dass wir sie von der Seite sehen (Bild 3). Der schmale Lichtkegel ist in die Dose gerichtet. Der Raum ist verdunkelt. a) Kannst du von der Seite sehen, ob die Lampe leuchtet? b) Auf welche Weise kann man sicher erkennen, dass die Lampe leuchtet? 1. Jemand stellt sich so vor ein helles Fenster, dass sein Gesicht vom Fenster weggewandt ist. Er hält sich ein Blatt weißes Papier vors Gesicht. Welche Veränderung erkennst du am Gesicht? 2. Diesen Versuch führst du am besten durch, wenn es draußen schon dunkel ist: a) Lege bunte Gegenstände (z. B. Spielkarten) nebeneinander auf den Boden. Dazwischen legst du zerknittertes „Silberpapier“, einen schwarzen Gegenstand und einen blank geputzten Spiegel. b) Leuchte mit einer Taschenlampe auf die Gegenstände. Was fällt dir auf ? Wie sieht der Spiegel im Vergleich zum schwarzen Gegenstand aus? Experimentierleuchte etwa 1,5 m Rohr aus Karton, innen schwarz Dose, innen schwarz gestrichen 3 Gruppenexperiment V2 Wir untersuchen, was geschieht, wenn Licht auf unterschiedliche Gegenstände (Schirme) fällt. Versuchsmaterialien: Experimentierleuchte samt Stativ, 2 Bücher, verschiedene Schirme (z. B. FotoDer weiße Schirm wird nacheinander gegen andere ausgetauscht. 4 62165 kartons in unterschiedlichen Farben, Milchglasscheibe, klare Glasplatte), Schirmhalter Versuchsaufbau u. -durchführung: Prüft, ob ihr bei der Anordnung von Bild 4 die Schrift in den Büchern lesen könnt. (Raum verdunkeln!) Mustertabelle zum Eintragen der Beobachtungen Material des Schirms Lesbarkeit der Schrift im Buch vor dem Schirm Lesbarkeit der Schrift im Buch hinter dem Schirm schwarzer Karton … (gut/schlecht zu lesen?) ? (gut/schlecht zu lesen?) ? 9 Lichtquellen und Lichtausbreitung Info: Wie wir Gegenstände sehen zurück. Wenn ein Teil dieses Lichts in unsere Augen gelangt, sehen wir den Körper. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Damit wir etwas sehen können, brauchen wir eine Lichtquelle. Wir sehen Körper, wenn das Licht, das von ihnen ausgeht, in unsere Augen fällt. Physikalisch gesehen ist unser Auge ein Lichtempfänger. Das Licht muss nicht direkt von einem selbstleuchtenden Körper kommen. Es kann auch von Körpern kommen, die ihrerseits beleuchtet sind. Wenn wir einen Körper sehen wollen, muss irgendwo eine Lichtquelle vorhanden sein – und ihr Licht muss auf den Körper fallen, der es gewissermaßen „weiterleitet“. (Dieser Vorgang heißt Streuen von Licht.) Wir sehen auch Gegenstände, die selber kein Licht erzeugen. Dabei 1 reicht es nicht, einfach nur „hinzusehen“. (Sonst müssten wir ja auch im Dunkeln sehen können.) Bevor wir einen Gegenstand sehen können, muss er von irgendeiner Lichtquelle beleuchtet werden (Bild 1). Der so beleuchtete Körper wirft das auftreffende Licht ganz oder teilweise in seine Umgebung 2 Ein weißer, undurchsichtiger Körper wirft Licht in viele Richtungen zurück. Er streut das Licht. 3 Schwarze Körper absorbieren (verschlucken) das Licht. Wir sehen sie im Kontrast zur hellen Umgebung. Die Bilder 2–5 zeigen einige Beispiele dafür, was mit dem Licht geschieht, wenn es auf Körper fällt. 4 Durch Glasscheiben geht Licht fast ungehindert hindurch. Sie sind lichtdurchlässig. 5 Durchscheinende Körper (Pergamentpapier, Milchglas) streuen Licht in alle Richtungen, auch nach vorne. Aus der Biologie: Sehen ist mehr als „Licht empfangen“ Hast du schon einmal versucht einen Frosch im Teich zu entdecken? Du erkennst ihn nur, wenn du genau „hinsiehst“. Wer am Teich nur „Licht empfängt“, wird vieles übersehen. Sehen ist nämlich eine Tätigkeit, die oft Konzentration und Anstrengung erfordert. „Licht empfangen“ ist der physikalische Teil des Sehens. Wenn Licht ins Auge gelangt, findet noch die Informationsverarbeitung im Gehirn statt. Beim Betrachten von Bild 6 z. B. wirst du vielleicht auf Anhieb nur helle und dunkle Flecken sehen. Wenn du aber das Buch drehst, werden dir die Muster auf einmal bekannt vorkommen … An diesem Beispiel wird klar: Die mit dem Licht empfangenen Informationen müssen mit Hilfe des Gedächtnisses gedeutet werden. Erst dann erkennen wir, was wir sehen – und das hängt von unserem Vorwissen ab. Sehen ist also eine geistige Tätigkeit. 10 6 62166 Lichtquellen und Lichtausbreitung A1 Auf der vorhergehenden Doppelseite hast du im Bild 2 „Marios Supertrick“ gesehen. Erkläre ihn. Sonne beleuchtet. Die Lufthülle der Erde (unten im Bild) ist ebenfalls beleuchtet. Warum ist der Weltraum rechts und links tiefschwarz? Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. A2 Eine Frage zu Bild 3 der vorhergehenden Doppelseite: Nimm an, es befindet sich kein Körper (keine Hand, kein Rauch) in dem Lichtweg. Die Lampe wird eingeschaltet. Was kannst du sehen? Warum? A6 Wir können einen Gegenstand sehen, wenn von ihm aus Licht in unsere Augen fällt. Bestimmte Redewendungen widersprechen dieser physikalischen Erklärung des Sehvorgangs (z. B.: „Er wirft einen prüfenden Blick auf …“). Schreibe dazu weitere Beispiele auf. Gib auch an, welche Vorstellung vom Sehen dahinter steckt. A5 Beim „schwarzen Theater“ scheinen sich z. B. Füße und Hände der Schauspieler von alleine zu bewegen (Bild 8). Wie werden wohl diese Effekte erzielt? A7 Früher dachte man, dass die Augen „Sehstrahlen“ aussenden und dass diese die Gegenstände abtasten (Bild 9). Heute weiß man, dass es keine Sehstrahlen gibt. Beschreibe den Sehvorgang. Berücksichtige dabei auch die Rolle des Gehirns. A3 Wenn die Sonne untergegangen ist, kann man manchmal noch Flugzeuge im Sonnenlicht sehen. Wie ist das möglich? A4 Bild 7 zeigt einen Astronauten im Weltraum. Er wird von der 7 8 9 Verkehrserziehung: Licht kann Leben retten – und gefährden! Im Straßenverkehr müssen die Gegenstände und Personen gut zu sehen sein. Wenn sie nicht selbst eine Lichtquelle haben, ist zurückgeworfenes Licht sehr wichtig. Fußgänger sollten nachts helle Kleidung tragen, denn helle Kleidung streut mehr Licht als dunkle. Autofahrer können etwas Helles von weitem erkennen (Bild 10). Verkehrsschilder werden beim Autofahren auch nachts gut gesehen, wenn sie etwa in Fahrtrichtung aufgestellt sind. Die Schilder werfen nämlich das auftreffende Scheinwerferlicht zurück – vor allem in die Richtung, aus der sie 62167 10 11 beleuchtet werden. Auch Rückund Seitenstrahler von Fahrrädern werfen das Licht zurück. Licht kann aber auch störend wirken, z. B. bei einer nächtlichen Autofahrt im Schneetreiben oder Nebel (Bild 11). Wenn man dann das Fernlicht einschaltet, sieht man plötzlich vor sich nur noch eine „weiße Wand“. Von den Schneeflocken oder Nebeltröpfchen wird nämlich Licht in viele Richtungen gestreut. Die Autofahrer werden durch dieses Licht geblendet und können dadurch von der Fahrbahn abkommen. 11 Lichtquellen und Lichtausbreitung Zusammenfassung Lichtquellen und Lichtausbreitung Lichtquellen senden Licht nach allen Seiten hin aus (Bild 1). Das Licht breitet sich geradlinig aus. Wenn Licht einer Lichtquelle durch eine Lochblende fällt, entsteht ein Lichtkegel (Bild 2). 1 Randstrahl Ran dstr ahl 2 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Um einen Lichtkegel zu zeichnen oder die Lichtausbreitung darzustellen, verwendet man Lichtstrahlen. Lichtstrahlen gibt es nicht wirklich, sie sind eine Modellvorstellung. Wir können sie uns als sehr schmale Parallel-Lichtbündel vorstellen. m Licht breitet sich im Vakuum mit der Geschwindigkeit c = 299 792 458 – s aus. In Luft ist die Lichtgeschwindigkeit praktisch genauso groß, in anderen Medien ist sie geringer. Der Sehvorgang Wenn Licht in unsere Augen fällt, sehen wir den Körper, von dem das Licht herkommt. Kommt das Licht direkt von einer Lichtquelle (Bild 3), so sehen wir die Lichtquelle selbst. Beleuchtete Körper sehen wir dann, wenn das von ihnen gestreute Licht in unsere Augen gelangt (Bild 4). 3 4 Alles klar? 1. „Der Tag wurde länger, als die Menschen begannen künstliche Lichtquellen zu nutzen.“ Erläutere! kann man es kaum sehen. Mit Badesalz im Wasser wird das Licht sichtbar. Erkläre! 2. Der Mond selbst erzeugt kein Licht. Wieso können wir ihn dennoch sehen? Der Mond dient uns sogar als Lichtquelle in der Nacht. Erkläre diese Aussage! 4. Wie sollten nachts die Farben deiner Kleidung sein? Begründe! 3. Wenn Licht durch ein Glasgefäß mit Wasser fällt, 12 5. Welche Folgen hätte es für den Straßenverkehr, … a) wenn sich Licht mit 50 km/h ausbreiten würde? b) wenn die Lichtausbreitung nicht geradlinig wäre? 63600 Licht und Schatten Wie Schatten entstehen Die Silhouette eines Menschen zu zeichnen … … ist gar nicht so schwierig. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 1 2 Vorbereitende Aufträge 1. Probiert aus, welche Lichtquellen Schatten mit scharfen Rändern erzeugen (z. B. Taschenlampen mit und ohne Reflektor, Schreibtischlampe). Bei welchen Lichtquellen sind die Ränder unscharf? b) Die Schattenbilder aller Mitschüler der Klasse werden mit einer Nummer versehen und ausgehängt. Ordnet den Nummern die jeweiligen Namen zu. Welches Bild wird von den meisten erkannt? 2. Suche dir einen Partner oder eine Partnerin. a) Zeichnet voneinander Schattenbilder (Bild 2). 3. Mit den Händen kann man Schattenbilder erzeugen (Bild 3). Probiere es aus! Wolf 3 Indianer Fuchs Kaninchen Stier V1 Ein Brett wird 1–2 m vor der Wandtafel an einem Stativ befestigt. Davor wird in einigem Abstand eine Glühlampe mit Fassung gestellt (Bild 4). 1...2 m et mehrere M Glühlampe mit Fassung er Brett Wandtafel Stativ 4 63132 Die Lage des Schattenbilds soll vorhergesagt und auf die Tafel gezeichnet werden. Wie kannst du vorgehen? (Tipp: Lange Schnüre könnten dir helfen.) Was setzt du dabei über die Lichtausbreitung voraus? V2 Ein Stift wird zwischen eine Kerze oder Taschenlampe und eine Wand gestellt. Wo muss sich der Stift befinden, damit du ein großes (kleines) Schattenbild erhältst? Fertige dazu zwei Zeichnungen an. 13 Licht und Schatten Info: Schattenraum und Schattenbild Licht breitet sich geradlinig aus. In Bild 1 fällt Licht von der Lampe auf ein Brett. Von der Lampe gelangt kein Licht in den Raum hinter dem lichtundurchlässigen Lichtquelle Körper. Dieser lichtarme Raum heißt Schattenraum. Nur Streulicht aus der Umgebung kann ihn erhellen. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Auf einem Schirm hinter dem Körper entsteht ein Schattenbild. Der Schirm kann der Fußboden oder die Wand sein. 2 Wenn wir von Schatten sprechen, kann der Schattenraum oder das Schattenbild gemeint sein. Wenn man den Schirm vom Körper entfernt, wird das Schattenbild größer. Schattenbild lichtundurchlässiger Körper Schattenraum beleuchtete Fläche 1 3 4 A1 Welche drei Dinge sind erforderlich, damit Schattenbilder entstehen können? A5 In den Bildern 3–5 siehst du drei Cartoons, in denen Zeichner das Thema Schatten aufgegriffen haben. a) Gib an, was bei diesen Bildern nicht stimmt. b) Wie könnte man den Schatten in Bild 4 wirklich verschwinden lassen? c) In Bild 5 ist eine kleine Geschichte dargestellt. Schreibe sie in wenigen Sätzen auf. d) Welche Vorstellung von Schatten liegt wohl den Bildern 3–5 zugrunde? Warum ist diese Vorstellung physikalisch falsch? A2 Mit welcher Art Lichtquellen werden die Ränder eines Schattenbilds scharf, mit welcher werden sie unscharf ? A3 Erkläre die Begriffe „Schattenraum“ „Schattenbild“ anhand von Bild 2. und A4 Wenn wir vom Schatten sprechen, meinen wir mal den Schattenraum, mal das Schattenbild und mal etwas anderes. Was ist bei folgenden Redewendungen jeweils gemeint? „Das Ereignis wirft seine Schatten voraus.“ „Sie ruht sich im Schatten eines Baums aus.“ „Schatten fallen auf den Boden.“ „Er steht im Schatten seines Vorgängers.“ „Abends werden die Schatten länger.“ 14 Schattenbilder haben scharfe Ränder, wenn die Lichtquelle im Vergleich zum Körper, der den Schatten wirft, „punktförmig“ klein oder weit vom Körper entfernt ist. Bei ausgedehnten Lichtquellen entstehen Schattenbilder mit unscharfen Rändern. 5 63133 Licht und Schatten Farbige Schattenbilder Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Schattenbilder sind nicht immer grau oder schwarz! 6 V1 Mit farbigen Spotlampen werden Schatten eines Gegenstands auf einer weißen Wand erzeugt. a) Die rote Lampe soll eingeschaltet werden. Überlege vorher: Welche Farbe bekommt der Schatten? b) Statt der roten wird nun die grüne Lampe eingeschaltet. Was ändert sich, was bleibt gleich? c) Die Wand wird mit beiden Lampen gleichzeitig beleuchtet. Die Lampen sollen zunächst einen größeren Abstand voneinander haben (ca. 60 cm). Erläutere, wie jetzt die farbigen Schatten entstehen. d) Die Lampen werden zusammengerückt, sodass sich die farbigen Schatten überlappen. Erkläre, wie das dunkle Schattengebiet entsteht. V2 Auf einem Brett sind mehrere Lampen in einer Reihe montiert. Davor steht ein Gegenstand (Bild 7). a) Die Lampen werden nacheinander in ihren Fassungen festgedreht. Wie ändert sich das Schattenbild? b) Drehe das Brett so, dass die Lampenreihe senkrecht steht. Wie wird das Schattenbild aussehen? 7 Info: Kern- und Halbschatten Oft wird ein Körper von mehreren Lichtquellen beleuchtet. Dann überlappen sich die Schattenbilder. In Bild 8 fehlt im dunklen Bereich in der Mitte das Licht von beiden Lichtquellen. In den roten Bereich fällt nur das Licht der roten Lampe, dort fehlt das Licht der grünen Lampe. Im grünen Bereich fehlt das Licht der roten Lampe (Bild 9). Den Bereich, in den kein Licht fällt, nennt man Kernschatten. Die Bereiche, in die Licht von nur einer Lampe fällt, heißen Halbschatten. Licht von 1 u. 2 Halbschatten 1 2 lichtundurchlässiger Körper 8 Kernschatten 9 63134 lichtundurchlässiger Körper Halbschatten Licht von kein Licht von 1 2 Kernschatten kein Licht von und 1 2 Halbschatten Licht von kein Licht von 2 1 Licht von 1 u. 2 15 Licht und Schatten A1 Überlege, ob das Fußballspiel von Bild 1 um die Mittagszeit oder am Abend stattfindet. Begründe ! A3 Bild 4 zeigt die Fotografie einer Wand. Die Wand wurde gleichzeitig mit einer roten und einer grünen Lampe beleuchtet. Die Wand oben und unten im Bild erscheint dadurch gelb. Vor die Wand wurde beim Fotografieren ein Brett gehalten. Das Brett erzeugte den Kernschatten und die Halbschatten. Wie waren die Lampen, das Brett und die Wand angeordnet? Fertige eine Zeichnung an. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. A2 Im Wohnbereich wird oft eine indirekte Beleuchtung verwendet. Den Grund dafür erkennst du, wenn du die Bilder 2 u. 3 vergleichst: a) Bei welchem Bild ist die rech1 te Wand indirekt beleuchtet? b) Was geschieht dabei mit dem Licht der Lampe? c) Worin liegt der Vorteil dieser Beleuchtungsart? 2 3 4 Mondfinsternis und Sonnenfinsternis 5 6 7 Am 11. August 1999 war in Süddeutschland eine totale Sonnenfinsternis zu sehen. Der Mond schob sich am helllichten Tag langsam vor die Sonne, bis er die Sonne vollständig bedeckte (Bilder 5–7). Für kurze Zeit wurde es finster, dann gab der Mond die Sonnenscheibe langsam wieder frei (Bild 8). 10.30 Uhr UT Kilometer Nürnberg Strasbourg Reutlingen 50 0 Karlsruhe Pforzheim Stuttgart 150 10.40 Uhr UT Mitte Ulm llinie Linz München Satellitenbild (EUMETSAT), 11.8.1999, 10.40 Uhr UT 100 Regensburg Ingolstadt Augsburg Bahn des Kernschattens 10.45 Uhr UT Salzburg Bruck an der Mur Innsbruck www.cornelsen.de/physikextra 16 Mannheim DEUTSCHLAND Heidelberg 10.35 Uhr UT physikextra Als Videofilm kannst du die Sonnenfinsternis von 1999 sehen. 8 ÖSTERREICH 9 63653 Licht und Schatten Vorbereitende Aufträge 1. Modellversuch zur Sonnenfinsternis: a) Die Sonne wird durch eine kugelförmige Glühlampe (12 cm ˇ, mattiert) dargestellt, die 2 m von dir entfernt ist. Den Mond ersetzt du durch einen Tennisball. Halte ihn so vor das Auge, dass er die Lampe gerade verdeckt. Bewege den Kopf hin und her. Was beobachtest du? b) In welchem Teil des Schattens befand sich dein Auge, als du 10 die Lampe hinter dem Ball nicht mehr gesehen hast? Wo befand es sich, als sie teilweise verdeckt war? 2. Die Lampe in Bild 10 stellt die Sonne dar, der Globus die Erde und der Ball den Mond. Stelle Mondfinsternis und Sonnenfinsternis nach. Zeichne die Anordnungen in dein Heft, am besten zuerst Sonne und Mond und dann die Erde. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Info: Wie kommen Sonnenfinsternis und Mondfinsternis zustande? Erde und Mond werden ständig von der Sonne beschienen. Hinter der Erde und hinter dem Mond entstehen Kern- und Halbschattenräume, die weit in den Weltraum reichen. ■ Die Mondfinsternis (Bild 11) Der Mond braucht für eine Umrundung der Erde 27 Tage. Seine Bahn schneidet meist nicht den Schattenraum der Erde. Bei einer Mondfinsternis streift oder durchquert der Mond den Kernschatten der Erde. Man sieht den Erdschatten auf dem Mond. Bei einer partiellen (teilweisen) Mondfinsternis ist stets ein Teil des Mondes beleuchtet. Bei einer totalen Finsternis bedeckt der Erdschatten den Mond völlig. Im Jahr gibt es im Mittel zwei Mondfinsternisse. ■ Die Sonnenfinsternis (Bild 12) Bei einer Sonnenfinsternis steht der Mond zwischen Sonne und Erde. Sein Schatten fällt auf die Erde. Auf der Erde beobachtet man, dass sich der Mond vor die Sonne schiebt und sie verdunkelt. Wenn man sich auf der Erde im Halbschatten des Mondes aufhält, sieht man die Sonne als Sichel. Im Kernschatten ist die Sonne ganz verdeckt. Der Kernschatten des Mondes auf der Erde hat einen Durchmesser von 200 km. Nur wo er entlangwandert, kann man die totale Sonnenfinsternis sehen. Wo der Halbschatten entlangläuft, sieht man eine partielle Sonnenfinsternis. Durchschnittlich gibt es weltweit zwei Sonnenfinsternisse im Jahr. Die nächste in Deutschland sichtbare totale Sonnenfinsternis wird 2093 eintreten. Erdbahn Sonne Mondfinsternis Übergangsschatten der Erde Kernschatten der Erde Mondbahn 11 Kernschatten des Mondes Sonne 12 Sonnenfinsternis 63141 Übergangsschatten des Mondes 17 Licht und Schatten Zusammenfassung Schattenraum und Schattenbild Schatten entstehen, wenn Licht auf einen Körper trifft und ihn nicht durchdringen kann. Im Raum hinter dem Körper fehlt dann das Licht. Diesen Raum nennen wir Schattenraum. Lichtquelle Schattenbild lichtundurchlässiger Körper Ein Schattenbild entsteht, wenn ein Schirm in den Schattenraum gehalten wird (Bild 1). Punktförmige Lichtquellen erzeugen scharf begrenzte Schattenbilder. Bei ausgedehnten Lichtquellen sind die Ränder der Schattenbilder unscharf. 1 Schattenraum beleuchtete Fläche Kernschatten und Halbschatten Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Mehrere punktförmige Lichtquellen erzeugen mehrere Schatten (Bild 2). Halbschatten nennt man den Bereich des Schattens, in dem das Licht einer Lichtquelle fehlt. Im Kernschatten fehlt das Licht aller Lichtquellen. Halbschatten 2 Kernschatten Sonnen- und Mondfinsternis Bei seinem Lauf um die Erde schiebt sich der Mond gelegentlich zwischen Erde und Sonne. Auf der Erde entsteht ein Schattenbild des Mondes. Von diesem Schattengebiet aus sieht man, wie der Mond die Sonne verdeckt (Sonnenfinsternis). Wenn sich die Erde genau zwischen Sonne und Mond befindet, fällt der Schatten der Erde auf den Mond (Mondfinsternis). Die Mondfinsternis ist überall dort zu beobachten, wo der Mond oberhalb des Horizonts steht. Alles klar? 1. Welche Form hatte wohl die Lichtquelle in Bild 3? Wie war sie angeordnet? Zeichne! 2. Bild 4 zeigt die Erde von einem Satelliten aus. Die Aufnahmen wurden zu verschiedenen Zeitpunkten gemacht. Der Satellit drehte sich mit der Erde mit und befand sich immer über der angekreuzten Stelle. a) Wann stand die Sonne hinter dem Satelliten? b) Erkläre das unterschiedliche Aussehen der Erde. 3. Wie entsteht eine Mondfinsternis? Unter welchen Bedingungen sieht man eine Sonnenfinsternis? 13.55 Uhr 3 10.55 Uhr 7.55 Uhr 4.55 Uhr 4 18 63654 Die Reflexion des Lichts Licht wird gezielt zurückgeworfen Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 1 2 Funkelnder Schmuck Festliche Tafel mit glänzenden Gegenständen 3 Glanz als Zeichen für Sauberkeit „Spiegelblanke“ Musikinstrumente 4 Die Ursache für das Glänzen und Spiegeln ist die Reflexion von Licht. Vorbereitende Aufträge 1. Lege in einem verdunkelten Raum (Keller, Flur …) einen Taschenspiegel flach auf den Boden. a) Leuchte den Spiegel mit einer Taschenlampe an. Was geschieht mit dem Licht, das auf den Spiegel trifft? b) Suche dir an der Wand oder an der Zimmerdecke „Ziele“ aus. Sie sollen mit dem Licht, das vom Spiegel zurückgeworfen wird, getroffen werden. Überlege jeweils vorher, wie du die Taschenlampe halten musst. 62169 2. Für diesen einfachen Versuch brauchst du eine Taschenlampe mit einem Spalt (Bild 5). Klebe deshalb ihre Öffnung mit Klebeband ab. 5 a) Lege die Taschenlampe auf ein Blatt Papier (wie in Bild 5) und halte einen Taschenspiegel in den Lichtweg. Sieh dir an, wie das Licht von dem Taschenspiegel zurückgeworfen wird. b) Verändere auch den Winkel, unter dem das Licht auf den Spiegel trifft (die Lampe oder den Spiegel bewegen!). c) Das Licht wird immer nach einer bestimmten Gesetzmäßigkeit abgelenkt. Welche vermutest du? 19 Die Reflexion des Lichts Gruppenexperiment Versuchsdurchführung: Die optische Scheibe wird so gedreht, dass das Licht unter verschiedenen Einfallswinkeln (e, in Bild 2 rot) auf den Spiegel fällt. Dann wird jeweils der Reflexionswinkel (e H, in Bild 2 blau) abgelesen. Trage die Beobachtungen in eine Tabelle ein. V1 Wir untersuchen, nach welcher Gesetzmäßigkeit das Licht von einem Spiegel zurückgeworfen wird. Versuchsmaterialien: Experimentierleuchte mit Stativfuß, optische Scheibe mit Stativ, Aufsteckspiegel für die optische Scheibe, Schlitzblende Versuchsaufbau: Siehe Bild 1. Das Licht muss genau durch die Mitte der optischen Scheibe verlaufen. Einfallslot (steht senkrecht auf dem Spiegel) optische Scheibe eH ebener Spiegel e Schlitzblende Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Experimentierleuchte drehen optische Scheibe mit Stativ 1 V2 Lege einen Spiegel flach auf den Tisch. Beleuchte den Spiegel schräg von oben. Dann wird ein Karton so in den Lichtweg gehalten, dass er vom Licht streifend getroffen wird (Bild 3). 2 Experimentierleuchte Papierblatt liegender Spiegel 3 Dadurch werden das einfallende Licht und das reflektierte Licht gleichzeitig sichtbar. Wie hängt die Richtung des reflektierten Lichtbündels von der Richtung des einfallenden Lichtbündels ab? Info: Wenn Licht reflektiert wird … Licht, das auf einen Spiegel fällt, wird umgelenkt; es wird reflektiert (lat. reflectere: zurückbiegen). Reflexion von Licht tritt an glatten Oberfächen auf, z. B. bei Metallen, Glas oder Flüssigkeiten. Als Einfallslot wird die Senkrechte auf der Spiegelfläche im Auftreffpunkt des Lichtstrahls bezeichnet (Bild 4). Der Winkel zwischen einfallendem Strahl und Einfallslot heißt Einfallswinkel e, der zwischen Einfallslot und reflektiertem Strahl Reflexionswinkel eH. Für alle reflektierenden Flächen gilt das Reflexionsgesetz: 20 Einfallslot Reflexionsebene Lichtquelle Einfallswinkel Reflexionswinkel e eH 4 Spiegel diffuse Reflexion 5 Der Einfallswinkel ist so groß wie der Reflexionswinkel. e = e H. Einfallender Lichtstrahl, Einfallslot und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene. Vertauscht man einfallenden und reflektierten Strahl, beschreibt das Licht denselben Weg in umgekehrter Richtung. Bei der Reflexion ist der Lichtweg umkehrbar. Bei Spiegeln spricht man von gerichteter Reflexion. Von diffuser Reflexion redet man, wenn Licht auf eine raue Oberfläche fällt (Bild 5). Für kleine Teilbereiche gilt das Reflexionsgesetz, insgesamt wird aber Licht in alle möglichen Richtungen umgelenkt. 63655 Die Reflexion des Lichts Verkehrserziehung: Reflektoren und Spiegel für die Sicherheit Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Reflektoren (Rückstrahler) sind für alle Fahrzeuge vorgeschrieben. Selbst Schultaschen werden oft damit ausgestattet (Bild 6). Reflektoren werfen das Licht zurück – und zwar vor allem in die Richtung, aus der sie angestrahlt werden. Autofahrer können deshalb z. B. den Reflektor eines Fahrrads gut erkennen. Ein Reflektor, der von einem Autoscheinwerfer beleuchtet wird, ist heller als das Fahrradrücklicht. Sieh dir einmal einen Reflektor etwas genauer an. Du wirst an ihm viele kleine Ecken erkennen (Bild 7). In jeder dieser Ecken stehen drei Spiegelflächen senkrecht zueinander. Wie eine solche „Spiegelecke“ wirkt, zeigt Bild 8: Auftreffendes Licht wird dreimal reflektiert. Dann fällt es genau in die Richtung zurück, aus der es kommt. Rückspiegel helfen Autofahrern, von hinten kommende andere Verkehrsteilnehmer zu sehen. Sie können aber nicht alles sehen, was sich hinter oder neben ihnen abspielt: Der Radfahrer von Bild 9 befindet sich im „toten Winkel“; er ist im Rückspiegel nicht zu sehen. Hoffentlich biegt der Lastwagen nicht nach rechts ab … Daher solltest du in solchen Situationen rechtzeitig anhalten – und zwar hinter dem Lastwagen und nicht neben ihm. Lichtkegel 6 7 8 9 A1 Nicht nur Spiegel „spiegeln“: So „funkeln“ z. B. Schmuckstücke und die Instrumente einer Musikkapelle sind „spiegelblank“. Was ist jeweils die Ursache dafür? Suche weitere Beispiele. müsste man stehen um geblendet zu werden? c) Auch die anderen Gegenstände von Bild 12 werfen Licht zurück – nicht nur der Spiegel. Nenne den Unterschied. A2 Welcher Winkel in Bild 10 ist der Einfallswinkel, welche der Halbgeraden in Bild 11 das Einfallslot? A4 Licht wird von einem Spiegel reflektiert (Einfallswinkel: 40°). Fertige dazu eine Zeichnung an. A3 Bild 12 zeigt beleuchtete Gegenstände. a) Warum sieht der Spiegel schwarz aus? b) Durch den Spiegel wird das Licht reflektiert. Wie A5 Bild 13 zeigt einen Versuch mit einer optischen Scheibe. Auf welchen Punkt (A, B oder C) fällt das Licht? Einfallslot Experimentierleuchte 2 A B C 1 Schirm 2 3 1 4 Spiegel 10 63656 11 Spiegel 12 13 optische Scheibe 21 Die Reflexion des Lichts Spiegelbilder – wo liegen sie eigentlich? Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 1 2 Kathrin sieht das Becherglas 1 und dessen Spiegelbild. Sie gibt Michael Anweisungen: Er soll das Becherglas 2 genau über das Spiegelbild halten und dort abstellen. Jetzt sieht Kathrin Becherglas 2 nicht mehr. Es ist hinter dem Spiegel verschwunden. Sie gießt nun Wasser hinter den Spiegel, genau „in das Spiegelbild hinein“ … Vorbereitende Aufträge 1. Stell dich vor einen Spiegel. Male mit ausgestrecktem Arm den Umriss deines Kopfes auf den Spiegel (Bild 3). Miss dann die Höhe des gezeichneten Kopfes. Vergleiche sie mit den tatsächlichen Maßen. Streifen auf dem Spiegel mit dem Streifen auf der Stirn deines Spiegelbilds. Was fällt dir auf, wenn du den Abstand zum Spiegel änderst? 3. Nimm einen Taschenspiegel. Halte ihn mit einer Hand so, dass du das Spiegelbild deiner anderen Hand sehen kannst, während du schreibst. Schreibe deinen Namen so, dass er im Spiegel normal lesbar ist. 2. Klebe einen 5 cm breiten Papierstreifen auf einen Spiegel. Auf deine Stirn heftest du einen 10 cm breiten Streifen. Vergleiche durch Peilen den 5 cm langen 3 Gruppenexperiment V1 Wir ermitteln die Lage des Spiegelbilds. Versuchsmaterialien: Glas- oder Plexiglasplatte (dünn), zwei Teelichte, Karopapier, Geodreieck Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung: Siehe Bild 4. Zünde die Kerze vor der Glasplatte an. Schiebe die andere Kerze an 22 2 Glasplatte 1 Papier 4 die Stelle, an der sie zu brennen scheint. Markiere auf dem Papier die Spiegelebene und die Positionen der Kerzen (Mittelpunkte). Zeichne die Verbindungslinie Kerze–Spiegelbild ein. Miss dann die Abstände zur Spiegelebene. Wiederhole den Versuch für mehrere Positionen. 62173 Die Reflexion des Lichts physikextra www.cornelsen.de/physikextra Info: Spiegelbilder – erklärt mit dem Reflexionsgesetz Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Wir sehen einen Gegenstand, wenn von ihm Licht ins Auge fällt. Unser Gehirn geht aufgrund der Erfahrung davon aus, dass das Licht geradlinig vom Gegenstand ins Auge gelangt. Bei der Reflexion am Spiegel ändert sich aber die Richtung des Lichts (Bild 5). Die Umlenkung des Lichts am Spiegel wird uns nicht bewusst. Unser Gehirn „verlegt“ den Ort des Gegenstands in die Richtung, aus der das Licht ins Auge fällt. Das Licht scheint von einem Punkt hinter der Spiegelfläche herzukommen. Man spricht von einem virtuellen (scheinbaren) Bild. Auge Spiegel eH e 5 Das Spiegelbild ist genauso weit von der Spiegelfläche entfernt wie der Gegenstand. Die Gerade durch einen Gegenstandspunkt und seinen Bildpunkt ist senkrecht zur Spiegelfläche (Bild 6). B dH e d 6 G 7 A1 Spiegelbilder sehen wir hinter der Spiegelebene. Erkläre, warum das so ist. b) In welche Höhe musst du die Oberkante des Spiegels hängen? Tipp: Übertrage Bild 9 in dein Heft. Zeichne zuerst die Strahlen von AH und BH zum Auge. Ergänze dann die Lichtwege für die Punkte A und B zum Auge. A2 Übertrage das Bild 8 vergrößert in dein Heft. Konstruiere den Lichtweg für die Punkte A und B. Tipp: Zeichne zuerst die Strahlen von den Punkten AH und BH zum Auge. A4 Auf einem Billardtisch liegen zwei Kugeln (Bild 10). Die weiße Kugel soll an der oberen und an der rechten Bande reflektiert werden und dann die rote Kugel treffen. Wie muss sie angestoßen werden? Zeichne in deinem Heft in doppelter Größe. A3 Du willst in deinem Zimmer einen Spiegel aufhängen, in dem du dich von Kopf bis Fuß siehst. a) Wie hoch muss der Spiegel mindestens sein? Spiegel Mit diesem Wissen lässt sich der Strahlengang bei der Reflexion konstruktiv verfolgen. In Bild 7 ist ein Gegenstandspunkt G und sein Spiegelbild B gezeichnet. Für das Auge A scheint das Licht von B auf geradem Weg herzukommen. Die Gerade BA schneidet die Spiegelebene im Punkt R, in dem der Lichtstrahl reflektiert wird. Das Licht verläuft R von G über R nach A. Die KonSpiegelebene struktion steht in ÜbereinstimeH mung mit dem Reflexionsgesetz, denn das Lot in R halbiert den WinEinfallslot A kel GRA. a ? A AH b Original Spiegelbild A AH B 8 63657 BH B 9 ? BH 10 23 Die Reflexion des Lichts Zusammenfassung Das Reflexionsgesetz Licht wird an spiegelnden Flächen reflektiert. Dabei gilt immer das Reflexionsgesetz (Bild 1): Lichtquelle Einfallswinkel Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß. Dabei liegen einfallender Strahl, Einfallslot und reflektierter Strahl in einer Ebene. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Einfallslot e Reflexionsebene Reflexionswinkel eH Spiegel 1 Warum wir Spiegelbilder sehen Eigenschaften von Spiegelbildern Wir sehen Spiegelbilder, weil Licht am Spiegel umgelenkt und ins Auge geworfen wird (Bild 2). Das Auge nimmt die Umlenkung nicht wahr. Daher liegen Spiegelbilder hinter dem Spiegel, also an einem Ort, von dem kein Licht ausgeht. Man nennt sie virtuelle (scheinbare) Bilder. Spiegelbild und Gegenstand haben den gleichen Abstand von der Spiegelebene. Spiegelbilder sind „tiefenverkehrt“, vorne und hinten sind vertauscht. Richtungen senkrecht zum Spiegel werden umgekehrt, Richtungen parallel zur Spiegelebene bleiben erhalten (Bild 3). 2 3 Alles klar? 1. Reflektoren schützen bei Dunkelheit Fußgänger und Radfahrer. Wie funktionieren sie? 4. Tina sieht Martins Spiegelbild. Übertrage Bild 6 ins Heft. Markiere Martins Standort. Zeichne den Lichtweg von Martins Nasenspitze in Tinas Auge. 2. Was sieht das Mädchen in Bild 4? 3. In Bild 5 siehst du einen „Zaubertrick“, den du selber vorführen kannst: Die Kerze scheint unter der Wasseroberfläche zu brennen. Erkläre diesen Trick. 5. Ein Denkmal spiegelt sich in der 10 m entfernten Glaswand eines Hauses. Eine Frau steht direkt neben dem Denkmal und will das Spiegelbild aufnehmen. Auf welche Entfernung wird die Kamera eingestellt? Spiegelbild von Martin spiegelnde Schaufensterscheibe 4 5 24 6 Tina 63183 Brechung und Totalreflexion Licht wird gebrochen Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. In eine Tasse wird nur etwas Wasser gegossen, … 1 … aber jetzt ist nicht nur Wasser in der Tasse zu sehen! 2 Vorbereitende Aufträge 1. Lege eine Münze in eine Tasse. Blicke so über den Rand, dass du sie nicht siehst. Behalte die Position bei, während du Wasser hineingießt (Bild 1). 2. Fülle in eine zweite Tasse gleich viel Spiritus (Achtung, Feuergefahr!). Lege in beide Tassen ein Geldstück an die gleiche Stelle. Sieh in beiden Tassen gleichzeitig auf das Geldstück; gehe dabei allmählich mit dem Kopf tie- V1 Wie verläuft das Licht beim Übergang von Luft in Wasser? a) Richte das Glasrohr (Bild 3) so aus, dass du die Münze siehst, wenn du hindurchschaust. b) Lass einen langen Stab durch das Glasrohr gleiten. Trifft er die Münze? Beschreibe, was du siehst. c) Schicke ein feines Lichtbündel durch das Glasrohr, z. B. mit einem „Laserpointer“. Triffst du die durchbohrter Gummistopfen als Blende Glasrohr, drehbar am Stativ befestigt Münze 3 4 63190 fer. Die Geldstücke verschwinden hinter dem Rand. a) Bei welcher Flüssigkeit geschieht das zuerst? b) Durch welche der Flüssigkeiten erscheint das Geldstück stärker angehoben? 3. Fülle ein Schälchen mit Wasser. Stelle ein Lineal senkrecht hinein. Schaue darauf – zuerst schräg, dann beinahe parallel zur Wasseroberfläche. Was fällt dir an der Skala des Lineals auf ? Münze? (Achtung, Laser nie aufs Auge richten!) d) Stelle das Glasrohr nun steiler oder flacher ein und wiederhole den Versuch. V2 Bei dem Trick der Bilder 1 u. 2 musste Licht von der Münze in unsere Augen gelangen; nur deshalb war die Münze für uns zu sehen. Der Lichtweg verlief also aus dem Wasser heraus in die Luft. Wir untersuchen deshalb den Weg des Lichts Experimentierbeim Übergang von Wasser in Luft. leuchte a) Bild 4 zeigt den VersuchsaufSchlitzblende bau. Wie verläuft das Licht, wenn Schirm (z.B. weiße es (über den Spiegel) von Wasser Metallplatte), damit das Licht zu in Luft übergeht? sehen ist b) Das Licht soll nun flacher von Wasser mit Badesalz unten auf die Oberfläche treffen. Spiegel (z.B. an Ändere die Spiegelstellung. einer Stativstange befestigt) Wie verläuft der Lichtweg jetzt? 25 Brechung und Totalreflexion Info: Die Brechung des Lichts schen gebrochenem Strahl und Einfallslot heißt Brechungswinkel b. Die Bilder 1–4 zeigen die Brechung an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser. In Bild 1 durchläuft das Licht den gleichen Weg wie in Bild 2, allerdings in umgekehrter Richtung. Auch bei der Brechung ist also der Lichtweg umkehrbar. Wenn Licht die Grenzfläche zwischen zwei Medien schräg durchdringt, wird es aus seiner Richtung abgelenkt. Es wird gebrochen. Bei der Brechung liegen einfallender und gebrochener Strahl sowie das Einfallslot in einer Ebene. Den Winkel zwischen einfallendem Strahl und Einfallslot nennen wir Einfallswinkel e. Der Winkel zwiEinfallslot e e b Luft Wasser b e b Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Spiegel 2 1 Fällt das Licht aus der Luft ins Wasser, wird es zum Lot hin gebrochen. 3 Beim Übergang von Wasser in Luft wird es vom Lot weg gebrochen. 4 Je größer der Einfallswinkel ist, desto größer ist der Brechungswinkel. Wenn das Licht senkrecht einfällt, wird es nicht abgelenkt. Aus dem Alltag: „Trugbilder“ durch Brechung Die Münze in der Tasse sehen wir nur, wenn die Tasse mit Wasser gefüllt ist (Bilder 1 u. 2 der Vorseite). Ohne Wasser fällt kein Licht von der Münze ins Auge. Bei der gefüllten 5 Tasse gelangt von der Münze ausgehendes Licht durch die Brechung ins Auge (Bild 6). Die Münze in der Tasse erscheint uns 6 angehoben. Unser Gehirn geht nämlich davon aus, dass sich das Licht geradlinig ausbreitet. Es verlegt den Ausgangspunkt dorthin, wo das Licht ohne Brechung herkäme. Wenn man nach einem Gegenstand im Wasser greift, wird leicht der Ärmel nass (Bild 7). Auch der Boden von Gewässern erscheint uns nämlich angeho- 7 8 26 ben. Das Wasser sieht dadurch nicht so tief aus, wie es tatsächlich ist. Die scheinbare Hebung ist umso stärker, je flacher wir auf die Wasseroberfläche blicken (Bild 8). In Schwimmbecken mit gleich bleibender Wassertiefe scheinen die Wettkampflinien am entfernten Beckenende dichter unter der Oberfläche zu liegen als an dem Ende, an dem du stehst. Wenn du um das Becken herumgehst, scheinen die Wassertiefen geradezu vertauscht zu sein. Verlasse dich daher nie darauf, dass du eine Wassertiefe richtig geschätzt hast! Den Stab von Bild 9 sehen wir unter Wasser angehoben. Er sieht daher verkürzt und geknickt aus. 9 63658 Brechung und Totalreflexion Brechung – genauer betrachtet Gruppenexperiment Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. V1 Wir ermitteln den Zusammenhang zwischen Einfallswinkel e und Brechungswinkel b für Plexiglas. Versuchsmaterialien: Experimentierleuchte, Schlitzblende, optische Scheibe, Halbzylinder aus Plexiglas Versuchsaufbau und -durchführung: Bild 10 zeigt den Aufbau. Vergrößert schrittweise den Einfallswinkel e und messt den Brechungswinkel b (Tabelle). Versuchsauswertung: Tragt die Messwerte in ein Diagramm ein (waagerechte Achse: e, senkrechte Achse: b). Wie groß ist der Brechungswinkel höchstens? Das Licht muss genau im Mittelpunkt der optischen Scheibe auf das Plexiglas treffen. Hier keine Brechung, da das Licht senkrecht auftrifft. 10 Info: Der Zusammenhang zwischen Einfalls- und Brechungswinkel Wie stark das Licht bei einem bestimmten Einfallswinkel gebrochen wird, hängt davon ab, aus welchem Medium es kommt und in welches es eintritt. In Bild 11 ist der Brechungswinkel b in Abhängigkeit vom Einfallswinkel e für den Übergang von Luft in verschiedene andere Medien aufgetragen. Anfangs wächst der Brechungswinkel fast in gleichem Maße wie der Einfallswinkel, bei größeren Einfallswinkeln nimmt er weniger rasch zu. Außerdem erkennt man: Glas bricht Licht stärker als Wasser. Bei gleichem Einfallswinkel ist nämlich der Brechungswinkel beim Übergang Luft Á Glas kleiner als beim Übergang Luft Á Wasser. Damit ist die Ablenkung aus der ursprünglichen Richtung größer. Etwas Ähnliches wie die Brechung kann man bei einer Platte mit zwei verschiedenen Oberflächen be- obachten (Bild 12). Auf den beiden Unterlagen erreicht ein Holzzylinder beim Herabrollen jeweils verschiedene Geschwindigkeiten. Beim Übergang wird der Zylinder aus seiner Richtung abgelenkt. Entsprechende Erfahrungen kann man beim Schlittenfahren machen, wenn sich der Untergrund plötzlich ändert. Die Brechung des Lichts beruht auf unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den verschiedenen Medien. Man sagt, Medium 1 ist optisch dichter als Medium 2, wenn die Lichtgeschwindigkeit in Medium 1 kleiner ist als in Medium 2. Im optisch dichteren Medium kommt das Licht langsamer vorwärts. Wasser und Glas sind optisch dichter als Luft. Beim Übergang in ein optisch dichteres Medium wird Licht zum Lot hin gebrochen. b 12 Lot 40° uft 30° L ft er ss Wa s Gla Holzzylinder Holzbrett Lu ant 20° Luft Diam Teppichbelag Abhängigkeit des Brechungswinkels b vom Einfallswinkel e 10° physikextra www.cornelsen.de/physikextra 0° 0° 11 63659 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90° e Ein kleines Spiel zeigt, dass Brechung und Lichtgeschwindigkeiten zusammenhängen. 27 Brechung und Totalreflexion Aus der Umwelt: Die Abendsonne ist nicht rund! Für Interessierte zum Weiterlesen Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Wenn die Sonne knapp über dem Horizont steht, erscheint sie uns etwas „platt gedrückt“ (Bild 1). Und das hat mit der Brechung zu tun: Das Weltall, aus dem das Sonnenlicht zu uns kommt, ist luftleer. Die Erde aber ist von einer Lufthülle umgeben, die nach unten hin immer dichter wird. Wenn nun das Sonnenlicht in die Lufthülle dringt, wird es gebrochen – nicht 1 nur einmal, sondern zunehmend stärker, je dichter die Lufthülle wird. Deshalb verläuft das von der Sonne kommende Licht auf einem gekrümmten Weg. Einen solchen gekrümmten Lichtweg zeigt Bild 2 in einem Versuch. Über eine gesättigte Zuckerlösung wurde Wasser „geschichtet“: In der Grenzschicht änderte sich dadurch die Zuckerkonzentration – ähnlich wie sich die Luftkonzentration in der Atmosphäre ändert. Zurück zur Abendsonne (Bild 3): Ohne die Lufthülle würde die Sonne den Horizont gerade berühren und gerade untergehen. Wir sehen sie aber noch länger, weil uns ihr Licht auf einem wegen der Brechung gekrümmten Weg erreicht. Dabei wird das Licht des unteren Sonnenrands stärker gebrochen als das des oberen. Der untere Rand erscheint somit stärker angehoben als der obere. Daher sehen wir die abgeplattete Abendsonne. scheinbarer Sonnenstand Wasser wird schwächer abgelenkt Luf thü Zuckerlösung lle wird stärker abgelenkt de r wahrer Sonnenstand 3 A1 In Bild 4 fällt ein Lichtbündel durch eine Glasscheibe. Warum behält es seine Richtung bei und wird nur parallel versetzt? tige dabei die Brechung an den Grenzflächen. Die Brechungswinkel kannst du aus dem Diagramm auf der vorigen Doppelseite ablesen. Aus welchem Grund brauchst du für die Brechung an der Plattenunterseite keine zusätzlichen Angaben über den Übergang Glas Á Luft? A2 Licht, das ein Prisma durchläuft, wird zweimal gebrochen (Bild 5). Wieso wird es besonders stark aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt? A4 Bild 7 zeigt ein Prisma aus Glas. Wie verläuft der eingezeichnete Strahl im Prisma und wie nach dem Prisma? Übertrage die Abbildung vergrößert in dein Heft und konstruiere den Lichtweg. A3 In Bild 6 trifft Licht auf eine 1 cm dicke Glasplatte. Übertrage die Abbildung in dein Heft und zeichne den weiteren Verlauf der Lichtstrahlen. Berücksichplanparallele Platte de Er 2 1 Prisma 3 2 e1 = 45° e2 = 60° e3 = 30° Luft Glas 60° 1 cm 4 5 28 6 60° 7 63660 Brechung und Totalreflexion Die Totalreflexion Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Kann klares Wasser undurchsichtig sein? 8 V1 Fülle ein Glas mit Wasser und halte einen Finger dicht über die Wasseroberfläche. a) Blicke schräg von unten her auf die Wasseroberfläche. Siehst du deinen Finger? b) Tauche nun den Finger in das Wasser. Welche Teile des Fingers siehst du, welche nicht? V2 Wir lassen Licht vom Wasser in die Luft fallen (Bild 9). Das Lichtbündel wird immer flacher auf die Wasseroberfläche gerichtet (der Einfallswinkel wird vergrößert). Was geschieht? V3 Bei dem Versuchsaufbau von Bild 10 fällt Licht schräg auf eine ebene Grenzfläche zwischen Glas und Luft. a) Ab welchem Winkel kann das Licht das Glas nicht mehr durchdringen? b) Was geschieht stattdessen mit dem Licht? 10 9 physikextra Info: Licht wird an Grenzflächen auch reflektiert Licht wird an einer Grenzfläche nicht nur gebrochen. Ein Teil des Lichts wird dort auch reflektiert. Der reflektierte Anteil ist umso größer, je größer der Einfallswinkel ist (je flacher das Licht einfällt). Beim Übergang des Lichts z.B. von Wasser oder Glas in Luft kann man etwas Besonderes beobachten (Bild 11): Wenn Licht aus einem optisch dichteren Medium kommt und sehr flach auf die Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium trifft, wird es vollständig reflektiert (Totalreflexion). 63661 Einfallslot 49° Grenzwinkel der Totalreflexion 11 Luft Wasser www.cornelsen.de/physikextra Totalreflexion tritt auf, wenn der Einfallswinkel einen bestimmten Wert überschreitet, den Grenzwinkel der Totalreflexion bG. Durch Totalreflexion kann eine Wasser- oder Glasfläche wie ein Spiegel wirken. In Ferngläsern verwendet man Glaskörper (Prismen) um das Licht durch Totalreflexion umzulenken (Bild 12). Übergang von … Grenzwinkel bG 12 Wasser in Luft Plexiglas in Luft Flintglas in Luft Diamant in Luft 48,5° 42° 38° 24° 29 Brechung und Totalreflexion Aus der Medizin: Blick in den Magen – durch Totalreflexion Manchmal müssen Ärzte einen Blick in unseren Körper werfen, z. B. in den Magen oder den Darm. Dazu benutzen sie ein Endoskop. Das ist ein schlauchartiges Instrument, das in den Körper eingeführt wird. Ein Endoskop besteht im Wesentlichen aus zwei Glasfaserkabeln (Bild 1). Durch das äußere Kabel wird Licht z. B. in den Magen geleitet (1). Vor dem Ende des inneren Kabels befindet sich ein Objektiv (2). Dieses erzeugt auf dem Ende des inneren Kabels (3) Magenwand Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 1 Faserbündel zur Beleuchtung Faserbündel zur Bildübertragung 2 2 Objektiv (Linsen) 3 biegsamer Kunststoffmantel Faserbündel zur Bildübertragung Betrachterauge Lupe Faserbündel zur Beleuchtung Zange Mit einer kleinen Zange werden die Münzen entfernt. Lichtquelle 1 3 ein Bild vom beleuchteten Teil des Magens. Das Bild wird durch das Glasfaserkabel nach außen übertragen und mit einer Lupe, dem Okular, betrachtet. Es kann auch fotografiert oder auf einen Bildschirm übertragen werden. Glasfaserkabel sind aus vielen Fasern zusammengesetzt, deren Durchmesser nur Bruchteile eines Millimeters betragen. Jede einzelne Faser besteht aus einem Kern und einem Mantel (Bild 2). Licht, das auf die Grenzfläche zwischen Kern Glasfasermantel und Mantel fällt, wird vollständig Glasfaserkern reflektiert. Es kann daher die Faser nicht verlassen und wird trotz der Biegungen des Kabels bis zu dessen Ende weitergeleitet. Jede einzelne Faser überträgt das Licht Zwei verklebte eines einzelnen Bildpunkts. Münzen im Magen eines Kindes Aus den Bildpunkten sämtlicher Fasern ist das Bild zusammengesetzt, das am anderen Ende des Kabels zu sehen ist. Neben den Glasfaserkabeln können durch den Schlauch zusätzlich kleine Geräte eingeführt werden. Bild 3 zeigt, wie mit einer Zange Münzen aus dem Magen eines Kindes entfernt werden. Aus der Technik: Nachrichtenübertragung mit Glasfasertechnik Glasfaserkabel haben große Bedeutung erlangt. Sie sind Teil eines weltumspannenden Netzwerks, in dem z. B. Telefongespräche und Bilder übertragen werden. Das Telefonieren über Glasfaserkabel funktioniert so: Die Sprache wird zunächst in elektrische Signale und dann von einer Lichtquelle in Lichtblitze umgewandelt. (Für die Sprachübertragung sind ca. 30 000 Lichtblitze pro Sekunde notwendig.) Das Licht durchläuft eine Glasfaser, an deren Ende aus den Lichtblitzen wieder die ursprüngliche Sprache „hergestellt“ wird. 4 30 Man kann Licht durch Glasfasern 20 km weit übertragen. Bei größeren Entfernungen müssen die Lichtblitze unterwegs mit Hilfe weiterer Lichtquellen „erneuert“ werden. Eine große Anzahl von Glasfasern kann zu einem Kabel zusammengefasst werden (Bild 4). Mit einer einzigen Glasfaser lassen sich z. B. Zehntausende von Telefongesprächen störungsfrei gleichzeitig übertragen. Im selben Leitungsnetz kann man außer Telefonaten auch Computerdateien und ganze Fernseh- und Rundfunkprogramme übertragen. 63194 Brechung und Totalreflexion Zusammenfassung Die Brechung Wenn Licht die Grenzfläche zwischen zwei durchsichtigen Medien schräg durchdringt, wird es gebrochen. Beim Übergang in ein optisch dichteres Medium (z. B. von Luft in Wasser) wird das Licht zum Lot hin gebrochen. Beim Übergang in ein optisch dünneres Medium (z. B. von Wasser in Luft) erfolgt die Brechung vom Lot weg. 5 Luft Glas 6 Die Reflexion des Lichts an durchsichtigen Grenzflächen Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. An Grenzflächen wird immer nur ein Teil des auftreffenden Lichts gebrochen. Der andere Teil wird reflektiert (Bild 7). Der reflektierte Anteil des Lichts nimmt zu, je größer der Einfallswinkel ist. An der Grenzfläche von einem optisch dichteren Medium (z. B. Wasser) zum optisch dünneren (z. B. Luft) wird ab einem bestimmten Winkel (Grenzwinkel) das gesamte Licht reflektiert. Man spricht von Totalreflexion. 7 Alles klar? 1. Wie viele Fische befinden sich im Aquarium von Bild 8? Erkläre! de etwas vergrößert. Wie kommt das wohl? 2. Mit Hilfe einer Taucherbrille (Bild 9) sieht man alle Gegenstän- 3. Warum ist es gefährlich, in ein Wasserbecken zu springen, von dem man den Grund zwar sieht, die Tiefe aber nicht kennt? 6. Durch eine Glasplatte wird schräg einfallendes Licht parallel versetzt. Erkläre anhand einer Skizze, warum die Schrift in Bild 12 angehoben erscheint. 4. Bild 10 zeigt eine Glasfaserleuchte. Die Glasfasern bleiben weitgehend dunkel, sie leuchten nur an ihren Enden. Zeichne den Lichtweg in einer Glasfaser. 10 5. Mit einem gekrümmten Glasstab kann man um die Ecke sehen (Bild 11). Auf welche Weise wird das Licht umgelenkt? 8 Taucherbrille Bild der Muschel 9 11 63195 12 31 Dispersion Licht steckt voller Farben 1 V1 Wir lassen das Licht der Sonne durch ein Prisma fallen (Bild 2). Was siehst du auf dem Schirm? Ein zweites Prisma wird in den Lichtweg gehalten und so gedreht, dass eine Farbe „herausgelenkt“ wird. Was stellst du fest? weißer Schirm kippen V3 Hört das Spektrum bei Rot oder Violett auf ? a) Das Spektrum aus V 2 fangen wir auf ungebleichtem Papier auf. Mit einem Markierungsstift (fluoreszent-grün) wird ein Strich über das Spektrum gezogen – auch über das violette Ende hinaus … b) Wir führen eine kleine Solarzelle durch das Spektrum – und über das rote Ende hinaus. Was schließt du aus der Anzeige des Spannungsmessers, der an die Solarzelle angeschlossen ist? Prisma aus Glas Sonnenlicht 2…4 m 2 V2 Den Versuchsaufbau zeigt dir Bild 3. Der Projektor wird so eingestellt, dass ein scharfes Bild des Spalts entsteht, wenn sich der Schirm in Position 1 befindet. a) Wenn der Schirm in Position 2 gehalten wird, siehst du ein farbiges Lichtband – ein „Spektrum“. Dessen einzelne Farben nennt man „Spektralfarben“. Notiere sie in richtiger Reihenfolge. b) Wird das Licht durch das Prisma „eingefärbt“? Halte ein Blatt weißes Papier hinter das Prisma und bewege es auf den Schirm zu. Was schließt du aus deiner Beobachtung? c) Ob man die Farben des Spektrums weiter „auffächern“ kann? ursprüngliches Bild des Spalts V4 Die Farben des Spektrums lassen sich wieder vermischen (Bild 4). Dazu wird das ganze Spektrum mit einem dünnen Glas- oder Metallspiegel an eine weiße Wand reflektiert. Mit den Händen kann man den Spiegel leicht biegen, sodass die Spektralfarben aufeinander fallen. 1 Wand minimale Ablenkung Schirm Prisma wa 3 m Spalt (Schlitzblende) et Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. An geschliffenen Glaskörpern kann man bei günstigem Lichteinfall Farben erkennen, wie sie vom Regenbogen bekannt sind. Wenn Licht von der Sonne oder von einer Halogenlampe (Bild 1) auf eine solche Glaskante fällt, kann dahinter in einiger Entfernung ein farbiges Lichtband entstehen. Arbeitsprojektor Schirm 3 32 ? Spiegel 2 4 63662 Dispersion Info: Weißes Licht wird zerlegt Infrarot Ultraviolett Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 5 Wenn weißes Licht auf ein Prisma fällt, wird es zweimal gebrochen. Dadurch wird das Lichtbündel aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt. Außerdem wird das Lichtbündel „gespreizt“: Dicht hinter dem Prisma hat das Bündel bunte Ränder. Mit zunehmender Entfernung werden sie immer breiter, während die weiße Mitte schmaler wird. Auf dem Schirm entsteht ein buntes Lichtband (Bilder 5 u. 6). Man nennt es kontinuierliches Spektrum (zusammenhängendes Spektrum). Die farbigen Lichter des Spektrums heißen Spektralfarben. Blendet man einzelne Farben des kontinuierlichen Spektrums aus und lässt sie wieder durch ein Prisma fallen, so werden die farbigen Lichter nur abgelenkt, aber nicht weiter zerlegt. Die Spektralfarben bestehen also nicht aus mehreren Farben, man nennt sie auch monochromatische Lichter (einfarbige Lichter). 6 Wenn man alle Farben des Spektrums der Sonne z. B. mit einem Hohlspiegel zusammenführt („mischt“), ist der Farbeindruck des Mischlichts weiß. Weißes Licht setzt sich aus farbigen Lichtern zusammen. Durch ein Prisma werden die verschiedenen Farben unterschiedlich stark gebrochen. Blaues Licht wird stärker gebrochen als grünes oder rotes Licht. Die Abhängigkeit der Brechung von der Farbe des Lichts heißt Dispersion. Auch hier bestätigt sich, dass die Brechung mit der Lichtgeschwindigkeit zusammenhängt: In Glas breitet sich blaues Licht langsamer aus als grünes oder rotes. Das Spektrum des Sonnenlichtes ist bei Rot und Violett nicht zu Ende: Auf der einen Seite schließt sich infrarote Strahlung an, auf der anderen Seite folgt ultraviolette Strahlung. Beide Strahlungsarten können wir mit unseren Augen nicht wahrnehmen. Aus der Geschichte: Newtons Untersuchung der Farben Der englische Physiker Isaac Newton (1643–1727) untersuchte als Erster systematisch die Entstehung der Spektralfarben. Bild 7 zeigt seine Versuchsanordnung: In das verdunkelte Arbeitszimmer fällt durch ein Loch im Vorhang ein schmales Lichtbündel von der Sonne. Dieses Bündel wird durch ein Prisma zu einem kontinuierlichen Spektrum aufgefächert. In einer ganzen Reihe von Experimenten untersuchte Newton die Spektralfarben. Er stellte fest, dass sie sich nicht weiter „zerlegen“ lassen und dass alle Farben des Spektrums zusammen wieder weißes Licht ergeben. Newtons Erklärung für die Farbentstehung hat sich bis auf den heutigen Tag bewährt. Wir können sie in zwei Punkten zu7 sammenfassen: 63663 1. Durch das Prisma wird das Licht nicht eingefärbt; das farbige Licht ist vielmehr schon im weißen Licht „verborgen“. Weißes Licht setzt sich aus farbigen Lichtern zusammen. 2. Das Spektrum kommt dadurch zustande, dass die im weißen Licht enthaltenen Farben verschieden stark gebrochen werden. Die Idee, dass sich weißes Licht aus farbigen Lichtern zusammensetzt, war zur Zeit Newtons umstritten. Weiß galt als Sinnbild für Reinheit und Vollkommenheit. Zu dieser Anschauung passte nicht, dass weißes Licht die „weniger reinen“ Farben und sogar so „finstere“ Farbtöne wie Violett enthalten soll. Noch hundert Jahre später bekämpfte Johann Wolfgang von Goethe die Lehre Newtons aufs Heftigste. 33 Dispersion Aus der Natur: Der Regenbogen Du hast bestimmt schon einmal die Farben eines Regenbogens bewundert. Wenn du gegen eine Regenwand blickst und die tief stehende Sonne hinter dir hast, ist der Regenbogen zu sehen (Bild 1). Wie kann man sich die Entstehung eines Regenbogens erklären? Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Wassertropfen zerlegen das Sonnenlicht Auf jeden einzelnen Regentropfen fällt Sonnenlicht (Bild 2). Das Licht wird beim Eintritt in den Tropfen (1) teils gebrochen, teils reflektiert. Der gebrochene Anteil wird an der Tropfenrückseite (2) reflektiert. Er tritt größtenteils an der Vorderseite wieder heraus (3); dabei wird er erneut gebrochen. Durch die zweimalige Brechung wird das Sonnenlicht in seine Farben „aufgefächert“. Nur die in Bild 2 hervorgehobenen schmalen Lichtbündel führen zu der Farberscheinung des Regenbogens. Dieses Licht wird am stärksten abgelenkt (etwa 40 bis 42°). Das Licht, das weiter außen und weiter innen auf den Tropfen trifft, wird weniger stark abgelenkt und tritt auf der Seite des violetten Randes aus. Weil dabei alle Farben in die unterschiedlichen Richtungen abgelenkt werden, mischen sie sich wieder zu Weiß. Der Regenbogen – Licht von vielen Tropfen Von jedem Tropfen nehmen wir nur jeweils die Farbe wahr, die genau in unser Auge fällt. Die stark abgelenkten, farbigen Lichtbündel bilden mit dem einfallenden Sonnenlicht einen Winkel von 40 bis 42°. Sämtliche Tropfen, die wir unter diesem Winkel sehen, liegen auf einem Kreisbogen. Von So lich nnent den einzelnen Tropfen fällt jeweils nur eine Spektralfarbe in unsere Augen: Von den höher gelegenen sehen wir das Rot, von den tiefer gelegenen das Violett. Unter kleineren Winkeln fällt das weiße Mischlicht in unsere Augen. Deshalb ist unterhalb des Regenbogens die Regenwand heller als oberhalb. Bild 3 zeigt einen Versuch zum Regenbogen: Wenn du den Rundkolben in verschiedene Höhen hältst und schräg von unten hineinblickst, nimmst du die verschiedenen Farben des Regenbogens wahr. Haupt- und Nebenregenbogen Außer dem hellen Hauptregenbogen ist in Bild 1 auch noch ein lichtschwacher Nebenregenbogen zu erkennen. Beim Hauptregenbogen wird das Licht einmal an der Tropfenrückseite reflektiert. Der Nebenregenbogen entsteht durch Licht, das in den Tropfen zweimal reflektiert wird (Bild 4). Er ist innen rot und außen violett – umgekehrt wie der Hauptregenbogen. Diesen „Wassertropfen“ sieht das Auge rot. So nn 1 40° 1 S lic onne ht n en lich - t So nn en 42° Regentropfen lich t Regentropfen 51° 2 Aufhellung „unter“ dem Regenbogen Wasser 3 Regenbogen 2 Nebenregenbogen Auge 3 Diesen „Wassertropfen“ sieht das Auge violett. 4 34 63664 Dispersion Aus Umwelt und Technik: Unsichtbare Strahlung Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 5 6 Wir können weder Infrarot- noch Ultraviolettstrahlung sehen. Infrarotstrahlung können wir mit unserem Temperatursinn wahrnehmen: Sie wird nämlich von der obersten Hautschicht absorbiert. Infrarotstrahlung besitzt eine wohltuende, heilende Wirkung. Sie fördert durch die Erwärmung der Haut deren Durchblutung (Bild 5). Eine Wirkung von Ultraviolettstrahlung ist dir bestimmt auch bekannt: Auf ungeschützter Haut ruft sie rasch einen Sonnenbrand hervor. Zwar absorbiert die Lufthülle der Erde den größten Teil der Ultraviolettstrahlung der Sonne – im Gebirge und bei klarem Wetter ist aber noch viel Ultraviolettstrahlung vorhanden. Das wirkt sich besonders dann aus, wenn Schnee- oder Wasserflächen die Strahlung reflektieren. Zum Schutz der Augen sollte man in solchen Fällen eine Sonnenbrille tragen. Sonst besteht die Gefahr von Bindehautentzündung oder Schneeblindheit. A1 Im Versuch 1 wurde das Spektrum des Sonnenlichts erzeugt. a) Beschreibe die Versuchsdurchführung. b) Erkläre die Entstehung des Spektrums. c) Wodurch unterscheidet sich das weiße Licht von den einzelnen Farben des Spektrums? A2 Spektralfarben sieht man nicht nur beim Blick durch ein 7 Über manchen Gebieten der Erde wird die Luft immer durchlässiger für ultraviolette Strahlung („Ozonloch“). Da die Strahlung Hautkrebs auslösen kann, müssen sich die Menschen in diesen Gebieten vor übermäßiger Strahlung besonders schützen. Auch beim Schweißen entsteht ultraviolette Strahlung (Bild 6). Man darf daher nur mit speziellem Augenschutz auf die grell weiße Schweißstelle blicken. Ultraviolettstrahlung regt bestimmte Stoffe zum Leuchten an. Diese wandeln nämlich die unsichtbare Ultraviolettstrahlung in sichtbares Licht um (man bezeichnet diesen Vorgang als Fluoreszenz). Darauf beruht auch die „gespenstische Wirkung der Schwarzlichtlampen“ (Bild 7). Genau genommen leuchten nicht die Kleidungsstücke, sondern die optischen Aufheller („Weißmacher“), die aus den Waschmitteln stammen. Diese Stoffe wandeln ultraviolette Strahlung in sichtbares Licht um – daher erscheinen weiße Kleidungsstücke „weißer als weiß“. Glasprisma. Wo kann man Spektralfarben außerdem finden? A3 Beschreibe, unter welchen Bedingungen ein Regenbogen zu sehen ist. A4 Bild 3 zeigt einen Modellversuch zur Entstehung des Regenbogens. Was wird durch diese Darstellung verdeutlicht? 35 63665 Dispersion Aus der Geschichte: Goethes Farbenlehre Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Licht und Finsternis Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832) hat lange auf dem Gebiet der Farbenlehre geforscht. Seine Erklärungen sind nicht von der Art, wie sie heute in der Physik gefordert werden. Sie bieten keine Grundlage, um den Ablauf der Naturvorgänge zu berechnen. Nach Goethes Meinung ist die Natur von Gegensätzen bestimmt. Licht und Finsternis stellen einen solchen Gegensatz dar. Farbige 1 Erscheinungen sind das Ergebnis eines „Kampfes“ zwischen Licht und Finsternis. Die Farben Weiß und Schwarz stellen für ihn Vertreter des Lichts und der Finsternis dar. Dazwischen liegen die bunten Farben; sie enthalten Anteile von Licht und von Finsternis. Pflanzen vorkommt. In der Farbenlehre sind es das Abendrot und das Himmelsblau, die das „Urphänomen“ in seiner reinen Form deutlich machen. Goethe erklärte die Entstehung der Farben so: Bringt man vor ein weißes Licht eine schwache „Trübung“, so wird das Licht verdunkelt und verfärbt sich gelb. Bei stärkerer Trübung wird das Gelb dunkler; es entstehen Orange und schließlich Rot. Du kannst dies beobachten, wenn du vor eine Glühlampe einen Stapel Butterbrotpapier hältst. Auch Rauch vor hellem Hintergrund erscheint gelblich. Wenn die Trübung erleuchtet ist und sich vor einen dunklen Hintergrund schiebt, entsteht Blau. Je zarter die Trübung ist und je dunkler der Hintergrund, desto mehr verdunkelt sich das Blau bis hin zum Violett. Ein Beispiel für eine beleuchtete Trübung ist die von der Sonne erhellte Atmosphäre. Da der Hintergrund – das Weltall – schwarz ist, erscheint der Himmel blau, in großer Höhe sogar violett. Rauch vor dunklem Hintergrund sieht ebenfalls bläulich aus. Gelb und Blau sind nach Goethe die beiden Grundfarben, Rot und Violett deren Steigerungen. Die Grundlage von Goethes Farbenlehre, das „Urphänomen“, ist im Kasten 3 zusammengefasst. Entstehung der Farben Das Abendrot und das Himmelsblau (Bilder 1 u. 2) sind für Goethes Farbenlehre von grundlegender Bedeutung. Solche Erscheinungen, die man mit den Sinnen wahrnimmt, werden Phänomene genannt. Goethe war überzeugt, dass sich die vielfältigen Phänomene der Natur auf wenige einfache „Urphänomene“ zurückführen lassen. So glaubte er, die „Urpflanze“ entdeckt zu haben, deren Bauprinzip in allen Das „Urphänomen“ der Farbenlehre – Dunkles vor hellem Hintergrund erzeugt Gelb. Je mehr die Finsternis dabei zur Geltung kommt, desto stärker verschiebt sich das Gelb zu Rot. – Helles vor dunklem Hintergrund erzeugt Blau. Wird die Finsternis nur wenig geschwächt, entsteht Violett. Die übrigen Farben erklärte Goethe aus dem Zusammenwirken dieser Farben. 2 3 A1 Was ist mit „blauem Dunst“ gemeint. Wie kommt nach Goethe dieses Blau zustande? A2 (Versuch) Gib einen Tropfen Milch in ein Glas Wasser und rüh36 re um. Halte das Glas vor eine Lampe. Wie ändert sich die Farbe der Lampe durch die Trübung? Beleuchte das Glas auch von der Seite. Betrachte die getrübte Flüssigkeit vor dunklem Hintergrund. 63666 Dispersion Zusammenfassung Das Spektrum und die Spektralfarben Prisma schwarzes Papier Schlitz Arbeitsprojektor 4 Schirm Wenn weißes Licht auf ein Prisma fällt, wird das Licht zweimal gebrochen. Dabei spreizt sich das Lichtbündel auseinander. Auf dem Schirm ist ein kontinuierliches Spektrum zu beobachten (Bilder 4 u. 5). Die farbigen Lichter des Spektrums lassen sich nicht weiter zerlegen. Man nennt sie Spektralfarben oder monochromatische Lichter. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 5 Infrarotstrahlung sichtbares Licht Ultraviolettstrahlung Im Spektrum des Sonnenlichts schließen sich an den Bereich des sichtbaren Lichts auf der einen Seite die Infrarotstrahlung, auf der anderen die Ultraviolettstrahlung an. Weißes Licht und Dispersion Man kann die Spektralfarben z. B. durch einen Hohlspiegel wieder zu weißem Licht zusammenfügen (Bild 6). Weißes Licht setzt sich aus den Spektralfarben zusammen. Das Prisma erzeugt also nicht das farbige Licht. Vielmehr bricht es die im weißen Licht enthaltenen Spektralfarben unterschiedlich. Rotes Licht wird am wenigsten abgelenkt, violettes am stärksten. Die unterschiedliche Brechung der einzelnen Spektralfarben bezeichnet man als Dispersion. 6 Alles klar? 1. Wenn Licht von der Sonne auf ein Prisma fällt, sieht man auf einem Schirm dicht hinter dem Prisma eine weiße Fläche mit farbigen Rändern. Gib eine Erklärung dafür. 2. Nenne Gründe für die Annahme, dass ein Prisma das weiße Licht nicht „einfärbt“. 3. Wie bezeichnet man die unsichtbare Strahlung, die sich im Spektrum des Sonnenlichts an Rot bzw. Violett anschließt? 63667 Beschreibe für jede dieser beiden Strahlungsarten, wie man sie in einem Versuch nachweisen kann. 3. Im Jahr 1670 schrieb Isaac Newton: „Die wundervollste Farbzusammenstellung ist aber die von Weiß. Es ist immer zusammengesetzt. … Ich habe oft mit Erstaunen gesehen, wie alle Spektralfarben, wenn sie wieder vereinigt und so gemischt wurden, wie sie im Lichte vor dem Prisma enthalten waren, vollkommen weißes Licht hervorbrachten.“ Beschreibe einen Versuch, der diese Sätze bestätigt. 37 Optische Linsen Die Sammellinse Die Glaskugel erzeugt ein verkleinertes, auf dem Kopf stehendes Bild des Fachwerkhauses. Wie ist das möglich? Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Vorbereitende Aufträge 1. Schaue durch eine Glaskugel (oder ein mit Wasser gefülltes, kugelförmiges Weinglas) auf ein Fenster. Achte darauf, wie Fensterrahmen oder gerade Linien aussehen. Versuche herauszufinden, wo das Bild liegt. Tipp: Verwende ein Blatt Papier als Schirm. 2. Tauche einen Kamm (Zinkenabstand ca. 1 cm) in Wasser. Halte die entstehende „Tropfengirlande“ (Bild 2) in den Lichtkegel einer Lampe. Was siehst du? 2 1 V1 Bild 3 zeigt den Aufbau. a) Ein schmales Lichtbündel fällt parallel zur optischen Achse ein. Verringere schrittweise seinen Abstand zur Achse. Wo schneidet es jeweils die optische Achse? 1 3 2 3 optische Achse 4 optische Scheibe Glaskörper b) Mit einer Schlitzblende werden schmale Lichtbündel erzeugt, die von ein und demselben Punkt (der Lampenwendel) ausgehen. c) Wiederhole die Versuche mit einem linsenförmigen Glaskörper. Info: Von der Glaskugel zur Sammellinse An der Oberfläche einer Glaskugel wird das Licht gebrochen. Am Rand wird es stärker aus der ursprünglichen Richtung abgelenkt als in der Mitte. Die Strahlen in Bild 4 verlaufen vor der Kugel parallel. Sie schneiden sich hinter der Kugel nicht alle im gleichen Punkt. Bei Linsen für optische Geräte müssen sich aber parallel einfallende Strahlen in einem Punkt 5 optische Achse 4 6 38 schneiden. Bei der Glaskugel ist diese Bedingung nur für Strahlen in der Nähe der Achse erfüllt, die Strahlen im Randbereich stören. Um die Randstrahlen zu vermeiden, lässt man die äußeren Teile der Glaskugel weg (Bild 5). Der Mittelteil der Kugel trägt nicht zur Brechung bei. Man kann ihn daher ebenfalls weglassen. Übrig bleiben zwei Teile, die zusammen die Form einer Linse haben. Nicht alle Sammellinsen haben die typische Linsenform (Bild 6). Gemeinsam ist allen Sammellinsen, dass sie in der Mitte dicker sind als am Rand. 63668 Optische Linsen Die Wirkung von Sammellinsen auf Lichtbündel Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Gruppenexperiment V1 Wir untersuchen, wie eine Sammellinse Lichtbündel verändert. Versuchsmaterialien: Experimentierleuchte, optische Scheibe, unterschiedliche Linsenkörper, Mehrfachschlitzblende Versuchsaufbau und -durchführung: a) Erzeugt mit der Experimentierleuchte Lichtbündel, deren Randstrahlen auseinander laufen, parallel sind und zusammenlaufen. Untersucht mit einem Blatt Papier, wie das Licht hinter der Linse verläuft. b) Stellt mit Hilfe der optischen Scheibe und eines Linsenkörpers die Veränderungen der verschiedenen Lichtbündel dar. Fertigt jeweils Zeichnungen an. c) Bild 7 zeigt den Aufbau. Erzeugt mit der Schlitz- Mehrfachschlitzblende optische Scheibe mit Linsenkörper 7 blende schmale Lichtbündel, die parallel zur optischen Achse verlaufen. Lasst sie auf unterschiedlich gewölbte Linsenkörper fallen. Was ist zu beobachten? d) Was ändert sich, wenn das Licht von der anderen Seite auf die Linsenkörper fällt? Info: Sammellinsen und ihre Brennweite 8 Konvergente Lichtbündel sind hinter der Sammellinse stärker konvergent. Parallellichtbündel werden zu konvergenten Lichtbündeln. Divergente Lichtbündel sind nach der Sammellinse konvergent bzw. weniger divergent. Nach dem Verlauf der Randstrahlen teilt man Licht- Achsenparallele Lichtbündel werden so gebrobündel in drei Gruppen ein: Wenn die Randstrahlen chen, dass sie nach Durchgang durch die Sammelauseinander laufen, spricht man von einem divergie- linse alle durch einen Punkt auf der optischen Achrenden Lichtbündel. Sind sie parallel, spricht man se, den Brennpunkt F, verlaufen (Bild 10). von einem Parallellichtbündel. Laufen sie zusamDen Abstand des Brennpunkts von der Hauptmen, heißt das Lichtbündel konvergent. Wie Licht- ebene der Linse bezeichnet man als Brennweite f. bündel durch eine Sammellinse Das Licht von ParallellichtbünGlaskörper verändert werden, zeigt Bild 8. deln, die schräg zur optischen Man kann sich die Sammellinse Achse einfallen, wird in einem aus schmalen Glaskörpern mit Punkt der Brennebene gesammelt. ebenen Flächen zusammengeDie Brennebene steht senkrecht 9 setzt denken (Bild 9). Die Prismenauf der optischen Achse und verteile am Rand lenken das Licht läuft durch den Brennpunkt. Hauptebene Brennebene stärker nach innen als die in AchKonvergierende Lichtbündel sennähe. werden vor der Brennebene vereiBrennpunkt F Licht wird an beiden Obernigt, nicht zu stark divergierende flächen der Linse gebrochen. Zur dahinter. Vereinfachung zeichnet man in Sammellinsen mit kleiner der Regel nur eine Brechung an Brennweite sind stärker gewölbt Brennweite f 10 der Hauptebene der Linse. als solche mit großer Brennweite. 63669 39 Optische Linsen Nicht alle Linsen sammeln Licht Vorbereitende Aufträge 1. Lass das Licht der Sonne durch verschiedene Brillengläser fallen. Beobachte auf einem Blatt Papier, wie das Licht hinter den Gläsern verläuft. 2. Fühle, wie dick Brillengläser am Rand und in der Mitte sind. Man teilt die Linsen in zwei Gruppen ein: Sammellinsen und Zerstreuungslinsen. Nenne die Merkmale beider Gruppen. Gruppenexperiment Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. V1 Wie verändert ein Linsenkörper, der in der Mitte dünner ist als am Rand, verschiedene Lichtbündel? 1 Versuchsmaterialien: Experimentierleuchte, optische Scheibe, Linsenkörper, Mehrfachschlitzblende Versuchsaufbau und -durchführung: a) Lasst von einer Experimentierleuchte Lichtbündel verschiedener Form auf den Linsenkörper fallen. Wie verlaufen die Bündel hinter der Linse? b) Bild 1 zeigt den Aufbau. Wie verlaufen einzelne schmale Lichtbündel, die achsenparallel auf den Linsenkörper fallen? Fertigt Zeichnungen an. Verlängert die durch die Linse abgelenkten Lichtstrahlen in Richtung der Lichtquelle. Info: Zerstreuungslinsen Konvergente Lichtbündel sind hinter der Zerstreuungslinse weniger stark konvergent oder divergent. Parallellichtbündel werden zu divergenten Lichtbündeln. Divergente Lichtbündel verlassen die Zerstreuungslinse stärker divergent. 2 Zerstreuungslinsen sind in der Mitte dünner als am Rand. Sie weiten einfallende Lichtbündel auf (Bild 2). Auch an der Zerstreuungslinse wird das Licht an beiden Oberflächen gebrochen. Die Randstrahlen eines achsenparallelen Lichtbündels laufen hinter der Zerstreuungslinse auseinander (Bild 3). Verlängert man die Strahlen rückwärts, so schneiden sich die Verlängerungen in einem Punkt F auf der optischen Achse. Man kann sich vorstellen, dass das divergente Lichtbündel von diesem Punkt aus „zerstreut“ Brennweite wird. Daher heißt der Punkt Zer- 3 40 streuungspunkt. Man spricht auch von einem virtuellen Brennpunkt F. Den negativen Wert der Entfernung Brennpunkt –Linsenhauptebene bezeichnet man als Brennweite der Zerstreuungslinse. Zerstreuungslinsen haben also stets eine negative Brennweite (z. B. f = –10 cm). A1 Eine mit Luft gefüllte Linse befindet sich in Wasser. Übertrage die Skizze (Bild Wasser 4) in dein Heft und skizziere Luft den Verlauf der Lichtstrahlen. 4 63670 Optische Linsen Sammellinsen erzeugen Bilder Vorbereitende Aufträge 1. Mit einer Sammellinse kannst du scharfe Bilder erzeugen. Als Linse ist z. B. eine Lupe geeignet. a) Stelle dich mit der Linse in einigen Metern Abstand vor ein helles Fenster. Halte direkt hinter die Linse ein Blatt weißes Papier als Schirm (Bild 6). b) Entferne den Schirm langsam von der Linse, bis du ein scharfes Bild des Fensters erhältst. Beschreibe die Eigenschaften des Bildes. Umlenkspiegel Objektivlinse Projektionsfläche 2. Gehe mit der Lupe nahe an einen Gegenstand heran. Beschreibe das Bild, das du siehst. Transparent Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Kondensor (Fresnel-Linse) Lichtquelle Lupe Fenster Hohlspiegel 5 Bild 5 zeigt das „Innenleben“ eines Tageslichtprojektors. Für welche Teile kannst du die Aufgabe beschreiben? Blatt Papier als Schirm 6 V1 Wir untersuchen, wo eine Sammellinse ein Bild erzeugt. a) Eine Kerze wird ca. 1 m vor der Linse aufgestellt. Suche mit einem Schirm die Stelle, an der hinter der Linse ein scharfes Bild der Kerzenflamme entsteht. Miss dann den Abstand zwischen Schirm und Linse. Dieser Abstand heißt „Bildweite“. b) Vergrößere nun den Abstand der Kerze von der Linse (die „Gegenstandsweite“). Wie ändert sich die Bildweite? c) Entferne die Kerze allmählich immer weiter von der Linse. Wie groß ist die kleinste Bildweite, die bei der von dir verwendeten Linse möglich ist? d) Wie weit darf die Kerze an die Linse herangerückt werden, wenn noch ein Bild entstehen soll? Lichtquelle (punktförmig) V2 Wir erzeugen das Bild einer kleinen Glühlampe. Sie stellt praktisch eine punktförmige Lichtquelle dar. a) Der Schirm wird dicht hinter die Linse gestellt (Bild 7) und langsam weggeschoben. Beobachte den Lichtfleck auf dem Schirm. Wo wird er am kleinsten? b) Denke dir einen Strahl, der von der Lampenmitte zur Mitte des kleinsten Lichtflecks verläuft. Durch welchen Punkt der Linse geht dieser Strahl? Überprüfe das mit einer Schnur. c) Übertrage Bild 7 vergrößert ins Heft. Zeichne den Lichtstrahl, der von der Lampenmitte durch die Linsenmitte verläuft. Setze dann die beiden Randstrahlen fort. Sammellinse Schirm ? 50 cm 7 63671 41 Optische Linsen Gruppenexperiment V3 Wir untersuchen, wie Bildweite, Bildgröße und Gegenstandsweite zusammenhängen. Versuchsmaterialien: 2 Glühlämpchen, Sammellinse (f = 10 cm) mit Halter, Schirm, Maßstab Versuchsaufbau und -durchführung: Siehe Bild 1. Tragt die Messwerte in eine solche Tabelle ein: Gegenstandsweite g Bildweite b Bildgröße B ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 150 cm 100 cm 50 cm 20 cm 15 cm 12 cm 1. Die Lämpchen sollen so stehen, dass ihr Bild auf dem Schirm aufgefangen werden kann. 2. Stellt die Linse in der jeweiligen Gegenstandsweite g auf. Schiebt den Schirm, bis ihr das Bild der Lämpchen seht. Messt jeweils die Bildweite b und die Bildgröße B. g b G Schirm Der Abstand der zwei Lämpchen stellt die Gegenstandsgröße G dar. Sie bleibt unverändert. Linse (Lupe) 1 Info: Abbildung durch Sammellinsen b in cm Bildebene Linse P1 Abhängigkeit der Bildweite von der Gegenstandsweite, f = 25 cm Q2 100 Gegenstand Bild 50 Q1 P2 Gegenstandsweite g Mittelpunktstrahl 2 3 Wir stellen uns einen Gegenstand aus Gegenstandspunkten zusammengesetzt vor (Bild 2). Von jedem Gegenstandspunkt fällt ein Lichtbündel durch die Sammellinse und läuft dann im Bildpunkt zusammen. Jeder Gegenstandspunkt wird als Bildpunkt abgebildet. Die Bildpunkte sind Schnittpunkte von Lichtbündeln. Bilder, die aus solchen Punkten bestehen, heißen reelle Bilder. Die Richtung, in der der Bildpunkt entsteht, ergibt sich durch den Strahl, der vom Gegenstandspunkt durch die Linsenmitte verläuft. Brennebene F g f 5 42 scheinbares Bild Bildweite b 4 0 0 50 100 150 200 g in cm Den Abstand des Bildes von der Linse nennt man Bildweite b. Der Abstand Gegenstand–Linse heißt Gegenstandsweite g (Bild 3). Die Bildweite ist von der Gegenstandsweite abhängig (Bild 4). Je weiter der Gegenstand von der Sammellinse entfernt ist, desto näher liegt das Bild an der Linse und desto kleiner ist das Bild. Die kleinstmögliche Bildweite ist die Brennweite. Liegt der Gegenstand zu nahe an der Linse (g ≤ f ), so erhalten wir keine Bildpunkte. Die Linse schafft es nicht, die Lichtbündel zusammenlaufen zu lassen (Bild 5). Fällt ein solches Bündel ins Auge, so verlegt das Gehirn den Ausgangspunkt des Lichts dorthin, wo sich die rückwärtig verlängerF ten Randstrahlen schneiden. In Wirklichkeit geht von diesem Auge Punkt kein Licht aus. Wir sehen ein virtuelles (scheinbares) Bild. 63672 Optische Linsen Zusammenfassung Eigenschaften von optischen Linsen Sammellinsen sind in der Mitte dicker als am Rand, Zerstreuungslinsen sind in der Mitte dünner. Sammellinsen machen divergente Lichtbündel weniger stark divergent oder sogar konvergent. Bei Sammellinsen ist die Brennweite die kleinstmögliche Bildweite. Ein achsenparalleles Lichtbündel verläuft nach der Brechung durch den Brennpunkt. Zerstreuungslinsen machen konvergente Lichtbündel weniger stark konvergent oder sogar divergent. Ein achsenparalleles Lichtbündel wird so aufgeweitet, als ob es vom virtuellen Brennpunkt herkommt. Zerstreuungslinse Sammellinse F Brennweite f (kleinstmögliche Bildweite) Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 6 Brennweite 7 Optische Abbildung durch Sammellinsen Von jedem Gegenstandspunkt fällt ein Lichtbündel auf die Sammellinse. Es läuft nach der Brechung an der Linse wieder in einem Punkt, dem Bildpunkt, zusammen. F f Je größer die Gegenstandsweite, desto kleiner ist die Bildweite. Gegenstandsweite g>2f Bildweite Bildeigenschaften g=2f b=2f f < g< 2f b> 2f g=f g<f – – 8 g b 2f> b > f verkleinert, umgekehrt, seitenverkehrt, reell gleich groß, umgekehrt, seitenverkehrt, reell vergrößert, umgekehrt, seitenverkehrt, reell kein reelles Bild kein reelles Bild (Auge sieht virtuelles Bild, aufrecht und vergrößert) Alles klar? 1. Wie findest du unter Sammellinsen mit gleichem Durchmesser die mit der geringsten Brennweite heraus? Begründe! parats. Warum ist es physikalisch falsch zu sagen, dass das Licht 4. Wo muss der Gegenstand stehen, damit eine Sammellinse nur als Umkehrlinse wirkt und Bild und Gegenstand gleich groß sind? 2. Ergänze: „Das mit Hilfe einer Sammellinse erzeugte Bild wird größer (kleiner), wenn die Gegenstandsweite …“ 3. Von den Sternen in Bild 9 fiel Licht auf die Linse des Fotoap63673 der Sterne „im Brennpunkt gebündelt“ wurde? 9 5. Eine Sammellinse soll ein vergrößertes reelles Bild liefern. Wie muss man die Gegenstandsweite wählen? 43 Auge und Sehvorgang Das Auge erzeugt Bilder Bild 1 zeigt, wie das Bild auf der Netzhaut aussieht. Es entsteht ähnlich wie das Bild hinter einer Glaskugel (Bild 2). Das Auge wirkt nämlich trotz seines komplizierten Aufbaus (Bild 3) ähnlich wie eine Glaskugel. 1 Glaskörper Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Ringmuskel Pupille Hornhaut Kammerwasser (weiß umrandeter Bereich) Linse Iris 2 Netzhaut Doch bei der Bildentstehung im Auge spielen noch weitere Teile eine Rolle … blinder Fleck Sehnerv 3 Vorbereitende Aufträge 1. An einer klaren Glasmurmel kannst du sehen, wie an der Rückseite Bilder entstehen. (Wenn die Glasmurmel ca. 25 mm Durchmesser hat, entstehen Bilder, die etwa so groß sind wie die Bilder auf der Netzhaut deiner Augen.) Richte die Murmel z. B. gegen ein helles Fenster oder eine Kerzenflamme. 2. Blicke jemandem ins Auge, der erst auf einen dunklen Gegenstand und dann in eine leuchtende Lampe sieht. Was fällt dir auf ? V1 Der Versuchsaufbau von Bild 7 stellt das Auge dar. a) Entferne die Kerze so weit von der Blende, dass auf dem Schirm ein scharfes Bild entsteht. b) Der Abstand Linse–Netzhaut ist beim menschlichen Auge unveränderlich. In unserem Aufbau dürfen wir also die Bildweite nicht mehr verändern. Die Kerze wird nun weiter von der Linse entfernt. Überlege: Wie kann man trotzdem ein scharfes Bild erhalten? Probiere deinen Vorschlag aus. 44 3. Die Sehfähigkeit unserer Augen ist nur begrenzt. Sehr kleine Gegenstände können wir ohne Hilfsmittel nicht unterscheiden. Das gilt auch für die Punkte, aus denen die Bilder in einem gedruckten Buch zusammengesetzt sind. Bei welcher der folgenden Farbflächen (Bilder 4–6) kannst du die Punkte noch aus einem Abstand von 30 cm unterscheiden? 4 5 Gegenstand 6 „Pupille“ „Augenlinse“ „Netzhaut“ Sammellinse Blende 7 Schirm Kerze 62222 Auge und Sehvorgang Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Info: Wie unser Auge das Bild scharf stellt Im menschlichen Auge trifft das Licht zuerst auf die lichtdurchlässige Hornhaut (Bild 8). Sie bricht Lid das Licht und hat eine ähnliche Iris Wirkung wie eine Sammellinse. Linse Pupille GlasAnschließend fällt das Licht auf Hornkörper die Pupille – ein Loch, das von der haut Iris umgeben ist. Iris und Pupille stellen zusammen eine Blende dar. Der Durchmesser der Pupille 8 beträgt bei geringem Lichteinfall bis zu 7 mm, bei starkem Lichteinfall 1 bis 2 mm. Hinter der Pupille trifft das Licht auf die Augenlinse. Durch die Brechung an Hornhaut und Augenlinse entsteht (unter Mitwirkung des Glaskörpers) auf der Netzhaut ein verkleinertes Bild. Der Abstand Linse–Netzhaut (die Bildweite) ist im Auge immer gleich groß. Um unterschiedlich weit entfernte Gegenstände scharf abzubilden, verändert man die Brennweite der Augenlinse. 9 Die Augenlinse ist nämlich elastisch und kann ihre Form veränskel dern. Beim Blick in die Ferne ist die Netzhaut Augenlinse nur schwach gewölbt, die Brennweite entspricht dem Sehn blinder erv Augendurchmesser (Bild 9). Fleck Wenn man einen nahen Gegenstand betrachtet, wölbt sich die Augenlinse stärker (Bild 10). Die Brennweite ist kleiner. Es entsteht wieder ein scharfes Bild auf der Netzhaut. Ein Netzhautbild ist nicht so gut wie ein Foto. Wichtig für das Sehen ist die Rolle des Gehirns. Es verarbeitet die Signale, die es von den Sinneszellen über den Sehnerv erhält. Das Gehirn beseitigt weitgehend die Mängel und sorgt für ein aufrecht stehendes Bild. Auch macht es aus den zwei Netzhautbildern unserer Augen ein einziges, räumliches Bild. Auge nmu 10 A1 Wie ist deine Augenlinse gewölbt, wenn du weit entfernte Gegenstände siehst? Und wie ist sie bei nahen Gegenständen gewölbt? A5 Beim Fotoapparat wird das Bild scharf gestellt, indem man das Objektiv verschiebt. Wie stellt das menschliche Auge ein Bild scharf ? A2 Aus einer Beschreibung: „Das Auge ist sehr vielseitig. Es kann einen Golfball in 300 m Entfernung erkennen und gleich danach einen Text in nächster Nähe lesen. Es kann sich auch mit größter Geschwindigkeit einer wechselnden Helligkeit anpassen.“ Welche Augenteile leisten das? A6 Lege zwei Münzen im Abstand von 6 cm vor dich auf ein Blatt Papier. Schließe dann das linke Auge und sieh mit dem rechten auf die linke Münze. Nähere dein Auge langsam den Münzen. Was geschieht? A3 Welchen Einfluss hat die Größe der Pupille auf das Netzhautbild? A4 Du siehst von ein und demselben Standort aus einen Gegenstand so wie in Bild 11 und dann wie in Bild 12. Was hat sich dabei in deinen Augen geändert? 62223 11 A7 Die Netzhaut hat einen Bereich ohne lichtempfindliche Zellen (den „blinden Fleck“). Warum nehmen wir trotzdem einwandfreie Bilder wahr? 12 45 Auge und Sehvorgang Aus der Biologie: Die Scharfstellung bei Tieraugen Einen Gegenstand aus der Ferne und aus der Nähe scharf zu sehen – für dieses Problem gibt es in der Tierwelt verschiedene Lösungen: Bei Säugetieren und Vögeln wird die Augenlinse verformt um das jeweilige Bild scharf zu stellen – ge- nauso wie beim Menschen. Bei vielen niederen Wirbeltieren hingegen wird das Bild durch eine Veränderung der Bildweite scharf gestellt – ähnlich wie im Fotoapparat. Die Linse wird also im Auge verschoben (Bilder 1–3). Muskel Muskel Netzhaut Muskel Linse Netzhaut Netzhaut Linse Glaskörper Linse Glaskörper Glaskörper Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Muskel 1 Damit Schlangen ihre Beute in der Nähe scharf sehen, wird die Bildweite zwischen Linse und Netzhaut vergrößert. Ein Muskel drückt auf den Glaskörper im Innern des Auges und schiebt so die Linse von der Netzhaut weg. 2 Muskel Muskel Auch die Augen der Frösche sind zunächst auf die Ferne eingestellt. Um z. B. eine Fliege vor ihrem Kopf zu erwischen, muss die Bildweite in ihrem Auge vergrößert werden. Dazu zieht ein Muskel die Linse nach vorne. Hechte müssen im trüben Wasser in der Nähe scharf sehen; darauf ist ihr Auge im entspannten Zustand eingestellt. Zur Einstellung auf die Ferne zieht ein Muskel die Linse nach hinten; dadurch wird die Bildweite verringert. 3 Aus der Biologie: Wie Auge und Gehirn zusammenwirken Für Interessierte zum Weiterlesen Das Netzhautbild steht auf dem Kopf (Bild 4)! Wir sehen die Welt aber aufrecht. Wie ist das möglich? Der Seheindruck, den wir von der Umgebung wahrnehmen, entsteht im Gehirn. Seine Entstehung darf man sich nicht vorstellen wie das Betrachten eines Fotos. Vielmehr wertet das Gehirn die Signale von Sinneszellen der Netzhaut aus und vergleicht sie mit der Erfahrung. Unsere Erfahrung ist, dass Blumen aufrecht stehen. Das Gehirn macht daher aus dem Netzhautbild, das auf dem Kopf steht, ein aufrechtes Bild. Welche Bedeutung Erfahrung und Wissen für das Gehirn bei der Wahrnehmung haben, verdeutlicht Bild 5: Um den Ball zu treffen, muss das Mädchen die Geschwindigkeit des Balls und seine Flugbahn einschätzen. Das gelingt nur durch Übung, also mit Hilfe von Erfahrung. Das Gehirn verarbeitet die Signale der Augen blitzschnell und gibt Anweisungen an die Muskeln, wie der Schlag zu führen ist. Die Netzhautbilder in unseren beiden Augen unterscheiden sich etwas. Unser Gehirn nutzt den Un46 terschied für die Erzeugung eines räumlichen Eindrucks. Dabei wird ausgenutzt, dass die Gegenstände des Vordergrunds an unterschiedlichen Stellen vor dem Hintergrund liegen (Bild 6). Wir erkennen am Netzhautbild nur die Dinge, mit denen das Gehirn „etwas anfangen“ kann: Wenn du es weißt, wirst du in Bild 7 auch zwei Gesichter erkennen. Wessen Gesichter das sind, „sieht“ nur, wer Elisabeth II. und Prinz Philipp von Bildern her kennt. linkes Auge rechtes Auge 6 4 5 7 63674 Auge und Sehvorgang Zusammenfassung Wie unser Auge funktioniert Im Auge werden Gegenstände auf der Netzhaut abgebildet. Einfallende Lichtbündel werden durch Hornhaut und Linse gebrochen. Die Augenlinse ist elastisch und ihre Brennweite veränderbar, dadurch können wir in unterschiedlichen Abständen scharf sehen. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Dadurch kann das Auge Gegenstände in verschiedenen Abständen scharf stellen, ohne die Bildweite zu verändern (Bilder 8 u. 9): Bei kleiner Gegenstandsweite wird die Linse stärker gewölbt, bei großer Gegenstandsweite wird sie schwächer gewölbt. Die Signale von der Netzhaut müssen vom Gehirn ausgewertet werden. Erst so können wir unsere Umgebung wahrnehmen. Dabei spielen Erfahrung und Wissen eine wichtige Rolle. Mit Hilfe des Gedächtnisses ordnen wir dem Seheindruck Bedeutungen zu. Dadurch wird bestimmt, was wir im Netzhautbild erkennen. Netzhaut 8 Hornhaut Linse 9 Alles klar? 1. Unser Auge ist in der Lage, Gegenstände in unterschiedlichen Entfernungen scharf abzubilden. Wie geschieht das? 2. In beiden Augen wird ein Netzhautbild erzeugt. Warum sehen wir trotzdem nicht alles doppelt? Wenn du mit dem Finger von der Seite leicht gegen einen Augapfel drückst, siehst du ein Doppelbild. Wieso? 3. Was wir sehen, wird durch unsere Erfahrung und unser Wissen bestimmt. Die Bilder 10 u. 11 zeigen dazu zwei Beispiele. Erläutere! Das doppelte Gesicht: Ist die Frau alt oder jung? 10 Nur unregelmäßige Flecken – oder stellen sie etwas dar? 63675 11 47 Optische Geräte Die Brille Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Unterschiedliche Augenfehler … 1 … unterschiedliche Brillengläser. 2 Vorbereitende Aufträge 1. Besorge dir „Rohlinge“ von Linsen bei einem Optiker. Vergleiche dann den Rand der Gläser mit ihrer Mitte. Du kannst die Gläser (Linsen) in zwei Gruppen einteilen. Wodurch unterscheiden sie sich? 2. Lass Sonnenlicht (oder das Licht einer entfernt stehenden Lampe) durch verschiedene Brillengläser fallen. Beobachte an einem Blatt Papier, wie das Licht hinter den Gläsern verläuft. V1 Mit dem Versuchsaufbau von Bild 3 können wir die Wirkung von Brillengläsern sichtbar machen. Halte vor die Wanne Brillengläser für Kurzsichtige und Brillengläser für Weitsichtige. Bild der brennenden Kerze unscharf. Die Anordnung entspricht einem kurzsichtigen Auge. b) Zur Korrektur der Kurzsichtigkeit verwendet man eine Zerstreuungslinse als Brillenglas. Halte eine Zerstreuungslinse mit der Brennweite –20 cm direkt vor die „Augenlinse“. Was kannst du beobachten? c) Bei Weitsichtigen erzeugt die Augenlinse ein Bild, das hinter der Netzhaut liegen würde. Wie müsste man vorgehen, um die Wirkung eines Brillenglases für Weitsichtige zu zeigen? V2 Wie Brillen bei unterschiedlichen Augenfehlern wirken, soll dieser Versuch zeigen (Bild 4). Für die „Augenlinse“ wählen wir eine Sammellinse mit der Brennweite f = 10 cm. a) Stelle die Kerze 40 cm vor der „Augenlinse“ auf. Wenn der Schirm 40 cm hinter der Linse steht, ist das verstellbare Blende Konkavlinse Glaswanne Gegenstand „Augenlinse“ „Netzhaut“ Sammellinse Schirm mit Badesalz gefärbtes Wasser 3 4 48 Kerze 63676 Optische Geräte Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Info: So korrigiert eine Brille die Kurzsichtigkeit In Bild 7 kannst du sehen, wie man die Normalerweise beträgt der Abstand 24 mm Kurzsichtigkeit durch eine Brille korzwischen Hornhaut und Netzhaut rigiert: 24 mm (Bild 5). Zur Korrektur der Kurzsichtigkeit Bei Kurzsichtigen ist der Augapfel Netzhaut benutzt man Zerstreuungslinsen. Sie um einige Millimeter zu lang. Dadurch Hornhaut weiten die einfallenden Lichtbündel entstehen Bilder von weit entfernten Augapfel etwas auf. Dadurch vergrößert sich Gegenständen vor der Netzhaut. Das die Bildweite und das Bild entsteht Netzhautbild ist unscharf (Bild 6). Die normalsichtiges Auge 5 auf der zu weit entfernten Netzhaut. entspannte Augenlinse ist noch zu Wenn der Augenarzt eine Brille verordnet, notiert stark gewölbt, um ein scharfes Bild auf der Netzhaut er auf dem Rezept nicht die Brennweite der Brilzu erzeugen. Bei Weitsichtigen ist der Augapfel zu kurz. Die Bil- lengläser, sondern ihre Brechkraft in der Einheit der naher Gegenstände würden erst hinter der Netz- Dioptrie. Eine Zerstreuungslinse mit der Brennweite haut entstehen. Die Wölbung der angespannten Au1 –20 cm hat die Brechkraft ––– = –5 Dioptrien. –0,20 m genlinse ist zu gering, um das Bild scharf zu stellen. Genau genommen erfolgt auch an der Hornhaut eine Brechung. Sie wurde aber nicht mitgezeichnet. ca. 30 mm Zerstreuungslinse Hornhaut Linse Kurzsichtiges Auge ohne Brille: scharfes Bild vor der Netzhaut 6 Hornhaut 7 Linse Kurzsichtiges Auge mit Brille: scharfes Bild auf der Netzhaut A1 Mit normalsichtigen Augen liest man in einem Abstand von 25 bis 30 cm. Manche Kinder beugen aber ihren Kopf beim Lesen viel tiefer über ein Buch. Worauf könnte dieses Verhalten hindeuten? mehr elastisch sind. Wie wird dadurch das Sehen beeinträchtigt? A2 Viele ältere Menschen sind „altersweitsichtig“. Das liegt daran, dass die Augenlinsen von älteren Menschen nicht A4 Beschreibe anhand von Bild 9 die Weitsichtigkeit. Wie korrigiert eine Brille die Weitsichtigkeit (Bild 10)? A3 Kontaktlinsen (Bild 8) sind für Kinder kaum geeignet, weil sich ihr Augapfel verändert. Erkläre! 8 Weitsichtiges Auge ohne Brille: unscharfes Bild auf der Netzhaut 9 63677 Weitsichtiges Auge mit Brille: scharfes Bild auf der Netzhaut 10 49 Optische Geräte Aus der Geschichte: Von Lesesteinen und „Nasenquetschern“ Für Interessierte zum Weiterlesen Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Der alternde römische Staatsmann Cicero klagte, dass er sich von Sklaven vorlesen lassen müsse, da seine Augen ihn im Stich ließen. Heute sind Brillen für uns ein selbstverständliches Hilfsmittel. Ihre Entwicklung war ein langwieriger Prozess. Rund 500 Jahre vergingen von der Erfindung der Augengläser bis zur Idee, sie an den Ohren zu befestigen. Und Brillen mit der heutigen Abbildungsqualität gibt es erst seit rund 90 Jahren. Die erste Sehhilfe war der Lesestein, eine Halbkugel aus Glas oder Halbedelstein, die direkt auf die Schrift gelegt wurde (Bild 1). Der Wunsch, Gegenstände mit beiden Augen aus der Nähe betrachten zu können, führte zur Nietbrille (Bild 2). Die Entstehungsgeschichte dieser ersten Brillen ist uns nicht direkt überliefert. Wir kennen nur die wenigen erhaltenen Brillen sowie bildliche Darstellungen aus jener Zeit. Bedarf an Sehhilfen gab es vor allem in den Klöstern. Die schriftkundigen Mönche empfanden es als besonders schmerzlich, dass die Sehschärfe im Alter nachlässt. In Klosterbibliotheken standen auch die Werke von arabischen Gelehrten zur Verfügung, in denen die Voraussetzungen zur Fertigung von Brillen beschrieben waren. Dass Augengläser zunächst nur von älteren, schriftkundigen Menschen verwendet wurden, ließ sie rasch zu einem Symbol für Bildung und Weisheit werden. Auf Gemälden sieht man daher gelegentlich Apostel oder Heilige mit Brillen, obwohl es zu deren Lebzeiten keine derartigen Sehhilfen gegeben hat. Die Nietbrillen mussten mit der Hand vor die Augen gehalten werden, was eher lästig war. Man versuchte sie rutschfest auf der Nase anzubringen. Diese Bügelbrillen oder „Nasenquetscher“ behaupteten sich mehrere Jahrhunderte lang (Bild 3). Als wenig erfolgreich erwiesen sich Versuche, die Brille an der Kopfbedeckung zu befestigen (Mützenbrille) oder mit einer unter die Perücke geschobenen Stange zu halten. Die Befestigung der Bügelbrille war nicht stabil genug um damit körperliche Arbeiten auszuführen. Den aus heutiger Sicht entscheidenden Schritt machte um 1730 ein Londoner Optiker. Er erfand die Schläfenbrille (Bild 4). Die Seitenstangen wurden bald verlängert, sodass sie den Kopf umfassten, und mit einem Gelenk versehen. Diese Form der Brille hat sich langfristig gegenüber allerlei anderen Erfindungen, z. B. dem Monokel, durchgesetzt. Lesesteine sind seit 1200 bekannt. Zur bequemeren Handhabung erhielten sie eine Halterung, sodass eine Art Lupe entstand. Bei der Bügelbrille verbindet ein gewölbter Bügel aus elastischem Metall die beiden Gläser. 1 3 Die Gläser der Nietbrille (ca. 1350) sind in Holz gefasst und mit einem Stiel versehen. Die Stiele wurden vernietet. Die Schläfenbrille wird mit den kurzen seitlichen Stangen an den Schläfen festgeklemmt. 2 50 4 63678 Optische Geräte Aus der Berufswelt: Augenoptiker/Augenoptikerin Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 5 Anpassung von Kontaktlinsen: Die Krümmung der Hornhaut wird gemessen. 6 Kundenberatung: Welches Brillengestell ist das richtige? Lena (im 3. Lehrjahr) erzählt: Ausbildung und Berufschancen Die Arbeit als Augenoptikerin ist sehr abwechslungsreich: Ich bin nicht nur Handwerkerin, sondern auch Kunden- und Modeberaterin. Den Kunden muss ich Brillenfassungen zeigen, die zu ihrem Gesicht passen. Ich berate sie auch bei der Auswahl der Gläser, nehme die Augenglasbestimmung vor und messe den Augenabstand. Ferner müssen die Gläser geschliffen und eingesetzt werden, das Gestell ist anzupassen usw. Immer mehr Kunden wünschen Kontaktlinsen. Hier dauert die Beratung besonders lange: Messlinse einsetzen, prüfen, Typ und Farbe aussuchen, Linsen einsetzen, rausnehmen, pflegen … Das Lernniveau der Berufsschule hat’s ganz schön in sich (vor allem in Mathe und Physik). Zurzeit bereite ich mich auf die Prüfung vor. Darin muss ich aus Metall oder Kunststoff eine Brille entwerfen und bauen. Die dreijährige Ausbildung kann mit dem Abschluss von Haupt- oder Realschule begonnen werden. Gute Noten in den naturwissenschaftlichen Fächern sind hilfreich. Nach der Gesellenprüfung und einer zweijährigen Berufspraxis kann man je nach Art des Bildungsabschlusses über den Besuch von Fachschulen oder Fachhochschulen Augenoptikermeister/in oder Diplomingenieur/in werden. Heute beschäftigen die 9400 Betriebe des Augenoptiker-Handwerks in Deutschland rund 48 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Auch in Zukunft wird qualifiziertes Personal benötigt. Die berufliche Situation in diesem Handwerk hängt aber auch von der wirtschaftlichen Entwicklung und von politischen Entscheidungen im Gesundheitswesen ab. Geforderte Eigenschaften X X X X X X X X X X X X 63679 feinhandwerkliches Geschick Verantwortungsbewusstsein Konzentrationsfähigkeit Genauigkeit Freude am Beraten/Verkaufen Sprachgewandtheit Einfühlungsvermögen Kontaktfreudigkeit ästhetischer Geschmack Sinn für Formen Computerkenntnisse gute Umgangsformen Typische Werkzeuge 7 Handarbeit beim Einpassen der Gläser in das Gestell X ungefähr 25 verschiedenartige Zangen X ganz kleine Schraubendreher X kleine Bohrmaschine X Handschleifsteine X Schleifautomaten X Rillenschleifgerät X Ultraschall-Reinigungsbad X Scheitelbrechwert-Messgerät (zum Vermessen der Gläser) X Refraktometer (zum Bestimmen der Augenfehler) 51 Optische Geräte Groß und klein – nah und fern 2 Die Zeiger der Turmuhr von Bild 1 siehst du in Bild 2. Wieso überrascht uns die wirkliche Größe der Zeiger? Sind die Ballons in Bild 3 unterschiedlich groß? Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 1 Vorbereitender Auftrag V1 Wie der Größeneindruck mit der Entfernung genau zusammenhängt, zeigt dieser Versuch: Halte ein Lineal mit gestreckten 1. Lege einen Stift quer vor dich auf den Tisch. Entferne dich von dem Stift, ohne ihn aus den Augen zu lassen. Hast du den Eindruck, dass er kleiner wird? Halte einen zweiten, gleich großen Stift mit gestrecktem Arm so vor ein Auge, dass du beide Stifte gleichzeitig siehst. Entferne dich wieder. Was fällt dir auf? s b a 4 3 Armen vor dein Gesicht (Bild 4). Ein Mitschüler oder eine Mitschülerin misst den Abstand a zwischen Auge und Lineal. Der Abstand b des Maßstabs von deinem Auge soll doppelt, dreimal, ... fünfmal so groß sein wie a. Vergleiche, welche Länge s auf einem Maßstab gleich lang aussieht wie 10 cm auf dem Lineal in deiner Hand. Welche Gesetzmäßigkeit ergibt sich? Info: Sehwinkel und Größeneindruck Gleich große Gegenstände in unterschiedlichen Ent- Entfernung des Gegenstands. Wenn wir z. B. sehen, fernungen sehen verschieden groß aus (Bild 3). dass ein Auto immer kleiner wird, wissen wir, dass es Der Winkel zwischen den Strahlen von den Rand- sich von uns entfernt. punkten eines Gegenstands beim Einfall ins Auge Das geht aber nur bei Dingen, von denen wir aus heißt Sehwinkel (Bild 5). Erfahrung wissen, wie groß sie sind. Bei Zeigern von Je weiter ein Gegenstand vom Auge entfernt ist, Kirchturmuhren, Flugzeugen usw. fehlt uns die Erfahdesto kleiner ist der Sehwinkel und desto kleiner rung. Deshalb sind wir oft überrascht von ihrer ist das Netzhautbild. Größe, wenn wir sie aus nächster Nähe sehen. Meist fällt es uns nicht auf, dass großes Netzhautbild kleines Netzhautbild Dinge kleiner aussehen, wenn ihr Abstand zu uns größer ist. g g Bei vertrauten Gegenständen schließt unser Gehirn aus der kleiner großer Sehwinkel Sehwinkel Größe des Netzhautbildes auf die 5 52 63680 Optische Geräte Die Lupe Hier wird eine Lupe verwendet (Bild 6). In welcher Weise hat eine Lupe Einfluss auf das Netzhautbild? Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 6 V1 Halte eine Sammellinse mit kleiner Brennweite (bis 5 cm) direkt vor ein Auge. Führe die Linse so nahe an den Text heran, dass du die Schrift vergrößert und aufrecht siehst. a) Warum sollte das Auge dicht vor der Linse sein? b) Halte Sammellinsen von unterschiedlicher Brennweite direkt vor ein Auge. Wie weit darf die Buchseite höchstens von der Linse entfernt sein, damit du den Text scharf siehst (ohne die Augen anzustrengen)? Vergleiche diese Abstände mit den Brennweiten. V3 So ändert sich mit einer Lupe das Netzhautbild (Bild 8): a) In welcher Größe wird die Kerzenflamme ohne Lupe abgebildet? b) Eine weitere Sammellinse mit f = 15 cm wird als Lupe direkt vor die Linse gehalten. Rücke die Kerze an das Modellauge heran, bis wieder ein scharfes Bild entsteht (b bleibt unverändert). Wie ändert sich das Netzhautbild im Vergleich zu Versuchsteil a? V2 So kann die Vergrößerung der Lupe bestimmt werden (Bild 7): Mit einem Auge blickst du auf das Millimeterpapier in 25 cm Entfernung. Mit dem anderen Auge betrachtest du das Lineal durch die Lupe. Wenn du beide Einteilungen gleichzeitig siehst, kannst du sie miteinander vergleichen. Bestimme so die Vergrößerung verschiedener Lupen. Wie hängt sie von der Brennweite ab? Höhe des Lineals auf maximale Vergrößerung einstellen Gegenstand Lupe „Augenlinse“, die nicht stärker gekrümmt werden kann „Netzhaut“ 25 cm f = 15 cm g = 30 cm 8 7 Kerze f = 15 cm b = 30 cm Schirm Info: So wirkt eine Lupe Will man kleine Gegenstände größer und deutlicher Lupen haben Brennweiten von 5 bis 15 cm. Die beste sehen, muss ihr Bild auf der Netzhaut groß sein. Dazu Vergrößerung erreicht man, wenn die Gegenstandsmuss sich der Gegenstand nahe am Auge befinden. weite g gleich der Brennweite f ist. Das Auge erzeugt aber kein scharfes Bild mehr, Bei der Brennweite f = 5 cm kann man z. B. in 5 cm wenn der Gegenstand zu dicht am Auge liegt. Bei 10- Entfernung lesen. Wegen des kleinen Abstands ist Jährigen z. B. muss der Gegenstand mindestens 8 cm dann das Netzhautbild des Gegenstands groß. entfernt sein, bei 50-Jährigen mindestens 50 cm. Das Auge sollte stets direkt hinter die Lupe gehalMit einer Sammellinse als Luten werden. Wenn man Text und Sehwinkel pe kann man Gegenstände näLupe in größerer Entfernung vom her an das Auge heranbringen Auge hält, sieht man nur noch eig als beim Betrachten ohne Lupe. nen Teil des Textes. Das GesichtsDadurch wird der Sehwinkel feld ist dann zu klein. Die Ververgrößert. Das Netzhautbild ist größerung ändert sich dabei aber g =10 cm Lupe (f =10 cm) größer als ohne Lupe (Bild 9). nicht. 9 R 63681 53 Optische Geräte Das Fernrohr Fernrohre haben der Menschheit Einblicke in das Weltall ermöglicht. Fernrohre sind im Prinzip recht einfach aufgebaut: ein Rohr mit zwei Linsen. Fernrohrfoto des Mondes 1 2 Gruppenexperiment Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. V1 Wir bauen ein Fernrohr auf. „Okular“ (Lupe, Die zum Gegenstand gerichtete f = 10 cm) Linse stellt das Objektiv dar. Die dem Auge zugewandte Linse wirkt als Lupe und heißt Okular. Versuchsmaterialien: verschiedene Sammellinsen, transparenter Schirm, Halterungen, Stativstab 3 Versuchsaufbau und -durchführung: Befestigt eine Sammellinse am vorderen Ende der Halterung (Bild 3). Fangt das Bild weit entfernter Gegenstände auf dem Schirm auf. „Objektiv“ Gegen(Sammellinse, stand f = 30 … 50 cm) durchscheinender Schirm mit Zwischenbild Anschließend wird das Bild mit der Lupe betrachtet. Entfernt nun den Schirm. Verwendet verschiedene Linsenkombinationen. Notiert die Ergebnisse in einer Tabelle (s. Muster). Was könnt ihr über den Abstand der Linsen aussagen? Erklärt! Brennweite Brennweite Abstand Beschreibung Objektiv Okular der Linsen des Bildes ? ? ? ? Info: Das Fernrohr Beim Fernrohr erzeugt das Objektiv vom weit entfernten Gegenstand ein (reelles) Bild, das mit einer Lupe, dem Okular, betrachtet wird (Bild 4). Durch das Fernrohr werden der Sehwinkel und somit das Netzhautbild des Gegenstands vergrößert. Das Zwischenbild des Gegenstands entsteht praktisch in der Brennebene des Objektivs. Damit das Okular als Lupe wirkt, muss das Zwischenbild in der Zwischenbild Netzhautbild Sehwinkel mit Fernrohr Objektiv Okular Brennweite des Objektivs fobj 4 54 Brennweite des Okulars fok Brennebene des Okulars liegen. Die Länge des Fernrohrs ist daher gleich der Summe der Brennweiten. Unter der Vergrößerung V versteht man das Verhältnis der Sehwinkel, unter denen ein weit entfernter Gegenstand mit und ohne Fernrohr zu sehen ist. Sie hängt von den Brennweiten ab: a f V = Obj = mit . fOk aohne Wenn das Objektiv z. B. 25 cm und das Okular 2,5 cm Brennweite hat, ergibt sich V = 10. Entfernte Gegenstände erscheinen also mit diesem Fernrohr unter dem 10fachen Sehwinkel. Fernrohre aus zwei Sammellinsen erzeugen ein Kopf stehendes und seitenverkehrtes Bild. Man verwendet sie zu Beobachtungen im Weltall, da dabei die Vertauschung nicht stört. Sie heißen astronomische oder keplersche Fernrohre. Der Astronom Johannes Kepler (1571–1630) entwarf ein solches Fernrohr. 63682 Optische Geräte Aus der Technik: Das Fernrohr Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Für Interessierte zum Weiterlesen Um Vorgänge auf der Erde zu beobachten, benötigt man ein aufrechtes Bild, wie es terrestrische Fernrohre liefern (lat. terra: Erde). Meist handelt es sich dabei um Ferngläser, durch die man mit beiden Augen schaut und daher räumlich sieht. Weit verbreitet sind Prismen5 ferngläser (Bild 5). In jedem der beiden Rohre befinden sich zwei Prismen. Durch Totalreflexion an den Prismenflächen vertauscht das erste Prisma oben und unten, das zweite links und rechts (Bild 6). Der Beobachter sieht daher im Okular ein aufrechtes und seitenrichtiges Bild. Prismenferngläser sind wegen ihrer geringen Baulänge so beliebt. Die Länge l des Lichtwegs im Fernrohr ist ja durch die Brennweiten von Objektiv und Okular festgelegt: l = fObj + fOk . Durch das mehrfache Umlenken wird der Lichtweg „zusammengefaltet“, sodass das Fernrohr kürzer als der Lichtweg ist. 6 7 Beim Opernglas (Bild 7) schaut jedes Auge durch ein Fernrohr, das aus einer Sammellinse als Objektiv und einer Zerstreuungslinse als Okular besteht (galileisches oder holländisches Fernrohr). Die Rohrlänge ist kleiner als die Brennweite des Objektivs: l = fObj – fOk . Ein solches Fernglas lässt sich in jeder Handtasche verstauen. Operngläser werden nur mit geringen Vergrößerungen gebaut. Um das Gesichtsfeld zu überblicken, muss man das Fernrohr vor dem Auge etwas bewegen. Für längere Beobachtungen ist das anstrengend, aber nicht für einen kurzen Blick zur Bühne. Aus der Geschichte: Sie brachten uns die Sterne näher Das Fernrohr wurde im 16. Jahrhundert von holländischen Glasschleifern erfunden. Mit dem Astronomen Johannes Kepler (1572–1630) begann ihre wissenschaftliche Entwicklung. Er beschreibt in seinem Buch Dioptrice die Herstellung von Linsensystemen und entwickelt eine Theorie des Fernrohrs. Isaac Newton (1643–1727) formulierte die mathematischen Gesetzmäßigkeiten von Abbildungen. Sein Studium der Farben lieferte Erkenntnisse über Linsenfehler (z. B. farbige Bildränder). Entscheidend verbessert wurde die Qualität der Fernrohre durch den bayerischen Wissenschaftler Joseph Fraunhofer (1787–1826). Er entwickelte das Glasschmelzverfahren und Schleif- und Poliermaschinen für die Linsenherstellung weiter. Bei der Untersuchung der Brechung entdeckte er dunkle Linien im Sonnenspektrum und verwendete sie zur Messung des Brechungsverhaltens seiner Gläser. Es ge63683 lang ihm so, hervorragende farbkorrigierte Objektive herzustellen. Mit einem solchen Fernrohr wurde 1846 der Planet Neptun entdeckt. Mit großen Fernrohren auf Bergen und Teleskopen in Satelliten können wir heute Milliarden von Lichtjahren weit in das Weltall schauen (Bild 8). 8 55 Optische Geräte Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Der Fotoapparat Fotografieren war nicht immer so einfach wie heute. Noch in der Jugendzeit deiner Urgroßeltern musste für jedes Bild eine Glasplatte mit einer lichtempfindlichen Beschichtung in den Fotoapparat eingelegt werden – Filme gab es damals noch nicht. Weil die Platten nicht so lichtempfindlich waren wie die heutigen Filme, musste lange belichtet werden. Das Motiv durfte sich in dieser Zeit nicht bewegen. Personen wurden deshalb mit einem Stativ gestützt. 1 Film Spiegelreflexkamera während der Belichtung 2 Verschluss (Schlitzverschluss, teilweise geöffnet) Blendeneinstellring Objektiv Blende Blende Entfernungseinstellung Filmebene 3 Bei vielen modernen Fotoapparaten lässt sich kaum noch etwas einstellen. Wer gute Fotos machen will, sollte trotzdem einiges über den Fotoapparat wissen. Die Bilder 2 u. 3 zeigen einen Fotoapparat, der per Hand eingestellt wird. V1 Wir untersuchen, welchen Einfluss die Blende beim Fotografieren hat. Dazu bauen wir die wesentlichen Teile des Fotoapparats auf (Bild 4): Als Objek- Transparentschirm 0 cm g=5 Sammellinse f = 15 cm Irisblende 4 56 tiv dient eine Sammellinse (f = 15 cm). Hinter die Sammellinse wird eine veränderbare Blende (Irisblende) gestellt. Statt des Films verwenden wir einen transparenten Schirm. a) Stelle den Schirm so auf, dass die Kerze bei offener Blende scharf abgebildet wird. Rücke dann die Kerze ein Stück auf das Objektiv zu bzw. vom Objektiv weg. Versuche jeweils ein scharfes Bild einzustellen. Der Schirm darf dabei nicht bewegt werden, denn im Fotoapparat bleibt der Film auch an seinem Platz. b) Das Bild der Kerze soll jetzt nicht ganz scharf sein. Verkleinere den Durchmesser der Blende und beobachte das Bild auf dem Schirm. 63684 Optische Geräte Info: Entfernung und Blendenöffnung Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. ■ Die Entfernungseinstellung Das Objektiv des Fotoapparats bildet das Motiv auf den Film ab. EntfernungsDamit ein scharfes Bild entsteht, einstellung muss sich der Film genau in der BlendenBildebene befinden. einstellung 5 Der Abstand zwischen Objektiv und Film muss also gleich der Bildweite sein. Bei einer Landschaftsaufnahme ist das Motiv weit entfernt, die Gegenstandsweite ist groß, bei einem Porträt ist sie erheblich kleiner. Um die Bildweite an die jeweilige Gegenstandsweite anzupassen, wird das Objektiv etwas nach vorne oder hinten verschoben. Das geschieht entweder per Hand an einem Drehring (Bild 5) oder durch einen kleinen Motor. Bei einfachen Kameras ist der Abstand Film–Objektiv nicht zu verändern. Mit ihnen kann man nur weiter entfernte Gegenstände fotografieren. Film fällt. Eine weitere Möglichkeit, die einfallende „Lichtmenge“ zu steuern, stellt die Blende dar. Sie ist eine verstellbare Öffnung des Objektivs. Bei großer Blendenöffnung fällt viel Licht ein, bei kleiner wenig. Meist sorgt eine Automatik für die optimale Abstimmung von Belichtungszeit und Blende. Belichtungszeit und Blende bestimmen, wie viel Licht auf den Film fällt. ■ Blende und Bildschärfe Die Motive, die man fotografiert, sind nur selten eben, sondern in der Regel räumlich. Sie haben „Tiefe“. Gegenstände, die unterschiedlich weit vom Objektiv entfernt sind, werden in verschiedene Bildebenen abgebildet. Auf dem Film erscheinen sie daher zum Teil unscharf (Bilder 6 u. 7). Die Unschärfe lässt sich durch Verkleinern der Blendenöffnung verringern (Bilder 8 u. 9). Die Lichtbündel sind dann schmaler. ■ Belichtungszeit und Blende Beim Belichten werden die Stellen des Films, auf die Licht trifft, chemisch verändert. Drückt man auf den Auslöser, öffnet sich der Verschluss im Fotoapparat für eine bestimmte Zeit, die Belichtungszeit. Mit der Belichtungszeit kann man steuern, wie viel Licht durch das Objektiv auf den Sammellinse A1 Manche Teile des Fotoapparats entsprechen Teilen des Auges. Nenne die Teile mit gleichen Aufgaben. Nenne auch wichtige Unterschiede zwischen Auge und Fotoapparat. Irisblende Bildfleck 3 3 2 1 Bildfleck 2 Bildpunkt 2 Bildfleck 1 Die Bildflecke der Kerzen 2 und 3 sind goß: Nur das Bild der Kerze 1 ist scharf. 7 Bildfleck Bildpunkt Bildfleck 1 3 3 6 1 2 8 Die Bildflecke der Kerzen 2 und 3 sind klein: Alle drei Bilder sind scharf. 9 63685 57 Optische Geräte Aus der Berufswelt: Fotograf/Fotografin Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Ausbildung Für den Beruf des Fotografen ist keine bestimmte Schulausbildung als Voraussetzung vorgeschrieben. In der Regel erwarten die Ausbilder einen mittleren Schulabschluss. Die Ausbildung zum Fotografen im Fotografenhandwerk dauert drei Jahre. Zum Vorstellungsgespräch sollte man eine Mappe mit eigenen Arbeiten vorlegen können. 1 Studioaufbau für eine Sachaufnahme Ein Fotograf erzählt: Fotografen sind Spezialisten: Trotz der hohen Spezialisierung bei uns Fotografen müssen alle bestimmte Grundtechniken beherrschen und sich das handwerkliche Rüstzeug zugelegt haben. Denn ein gutes Bild wird selten durch Zufall geschossen, sondern muss sorgfältig vorbereitet, geplant und je nach Auftrag gestaltet werden. Für die fototechnische Umsetzung braucht man gutes Wissen um die technischen Möglichkeiten. Und schließlich muss das Bild auch richtig verarbeitet und präsentiert werden. Die Zeit des bloßen Abbildens eines Motivs ist vorbei. Heute muss der Fotograf seinen Bildern eine eigene Gestalt geben. Er muss die Möglichkeiten der digitalen Technik beherrschen und sich auch als Fotodesigner verstehen. Der Porträtfotograf fertigt in seinem Studio, das meist einem Ladengeschäft angegliedert ist, Porträtaufnahmen für unterschiedliche Zwecke an – Hochzeitsfotos, Tierfotos, Reproduktionen und kleinere Bildreportagen. Der Werbefotograf fotografiert in seinem zumeist größeren Studio Produkte oder Abläufe unterschiedlicher Art mit oder ohne Personen. Der Industriefotograf macht in Fertigungshallen Einzelaufnahmen oder Reportagen zu einzelnen Maschinen oder Produktionsabläufen. 2 3 58 Industrieaufnahmen – technisch anspruchsvoll 4 Porträtstudien – wichtig ist der Kontakt zum Kunden 63686 Optische Geräte Typische Werkzeuge X Kameras, Objektive, Blitzgeräte, Stative, Studioleuchten X Belichtungsmesser, Entfernungsmesser, Densitometer X Filme und Fotopapiere, Vergrößerungsgeräte, Filmentwicklungsdosen, fotochemische Bäder X Retuschefarben, Computer, Scanner Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Typische Tätigkeiten 5 X Beratung der Kunden und Besprechen des Auftrags X Festlegung der Gestaltung und des Bildaufbaus X Auswahl der Kameras und des Filmmaterials X Dunkelkammerarbeit X Überprüfung des Bildmaterials auf Mängel Bildbearbeitung am Computer oder beim Vergrößern im Labor Geforderte Eigenschaften X möglichst ausgeprägtes Gespür für Bildaufbau, Bildaufteilung und Farben X Erkennen des Wesentlichen im Bild X Grundkenntnisse und Interesse für bildende Kunst Aus der Technik: Digitalkameras Für Interessierte zum Weiterlesen In Digitalkameras (Bild 6) wird das Bild von einem Objektiv erzeugt, genau wie bei herkömmlichen Fotoapparaten. Der Unterschied liegt in der Aufzeichnung des Bildes – Digitalkameras brauchen keinen Film! Bei herkömmlichen Kameras spricht man von analoger Bildaufzeichnung: In den Schichten des Filmstreifens ruft das Licht chemische Vorgänge hervor, durch die das Bild in Form von Linien und Flächen festgehalten wird. Digitalkameras speichern dagegen das Bild Punkt für Punkt. Das Bild entsteht hinter dem Objektiv 7 der Kamera auf einem Mikrochip (CCDBildwandler). Er besteht aus dicht gepackten, lichtempfindlichen Zellen (Bild 7). Sie wandeln das Bild in unterschiedliche elektrische Signale um – je nachdem, wie viel Licht auf diese Stelle des Bildes gefallen ist. Die Zellen werden von einem Computer in der Kamera ausgelesen. Die Helligkeitswerte für die einzelnen Punkte (Pixel) werden in Zahlenwerte umgewandelt und auf einem Speichermedium (Bild 8) abgelegt. Sie stehen dann zur wei8 teren Verarbeitung zur Verfügung. 63687 Digitalkamera Sucher Rückseite eingebauter Blitz (zugeklappt) Auslöser Monitor Objektiv 6 Jede Zelle ist mit einem Farbfilter versehen – in einer der drei Farben Rot, Blau oder Grün. Man erhält auf diese Weise Helligkeitswerte für die Farben Rot, Blau und Grün. Bilder auf Bildschirmen sind auch aus roten, grünen und blauen Farbpunkten sowie Schwarz (kein Licht) zusammengesetzt. Beim Fernseher kannst du die einzelnen Farbpunkte mit der Lupe sehen. Die Bilder werden normalerweise auf einen Computer übertragen. Natürlich kann man die Bilder auch drucken, aber das ist oft nicht das Ziel. Am Bildschirm sehen die digitalen Aufnahmen am schönsten 59 Optische Geräte Zusammenfassung Augenfehler und ihre Korrektur Wenn der Augapfel zu kurz oder zu lang ist, werden Gegenstände nicht auf der Netzhaut abgebildet, sondern dahinter oder davor. Zur Korrektur der Kurzsichtigkeit dienen Zerstreuungslinsen (Bild 1). Sie weiten die einfallenden Lichtbündel so auf, dass das Bild auf der Netzhaut entsteht. kurzsichtiges Auge 1 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Die Weitsichtigkeit wird mit Sammellinsen (Bild 2) korrigiert. Sie lassen die Lichtbündel stärker konvergieren, sodass das Bild auf der Netzhaut entsteht. 2 weitsichtiges Auge Groß und klein – nah und fern Die Größe des Netzhautbildes hängt vom Sehwinkel ab. Der Sehwinkel ist der Winkel zwischen den Strahlen von den Randpunkten eines Gegenstands zum Auge. Je weiter ein Gegenstand von uns entfernt ist, desto kleiner wird sein Bild auf der Netzhaut (Bild 3). Die Größenänderung des Netzhautbildes wird uns nur selten bewusst. Bei bekannten Gegenständen schließen wir von seiner Größe auf die Entfernung. g1 g2 3 Die Lupe Lupe 4 Eine Lupe ist eine Sammellinse mit kleiner Brennweite (Bild 4). Mit einer Lupe betrachtet man Gegenstände in geringerer Entfernung als gewöhnlich. Augenlinse Mit Hilfe der Lupe werden Sehwinkel und Netzhautbild vergrößert. Das Fernrohr Sehwinkel mit Fernrohr Sehwinkel ohne Fernrohr Netzhautbild Okular fob 5 Zwischenbild Objektiv fok Das (keplersche) Fernrohr besteht im Prinzip aus zwei Sammellinsen verschiedener Brennweite (Bild 5). Das Objektiv erzeugt ein verkleinertes Bild, das mit dem Okular als Lupe betrachtet wird. Durch das Fernrohr wird der Sehwinkel vergrößert. Es entsteht ein vergrößertes Netzhautbild und wir haben den Eindruck, der Gegenstand sei näher herangerückt. 60 63688 Optische Geräte Der Fotoapparat Das Objektiv eines Fotoapparats hat die gleiche Wirkung wie eine Sammellinse. Es erzeugt ein Bild des fotografierten Gegenstands auf dem Film. Mit der Blendenöffnung und der Belichtungszeit steuert man die einfallende Lichtmenge. Ein Gegenstand wird unscharf abgebildet, wenn sein Bild vor oder hinter dem Film liegt. Kleine Blendenöffnungen verringern die Unschärfe. Gegenstand 6 Objektiv Bild b≈f Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Alles klar? 1. Fotos können einen Betrachter über die tatsächlichen Größenverhältnisse hinwegtäuschen. In Bild 7 siehst du zwei Autos. Die wahre Größe des Autos im Vordergrund erkennst du anhand von Bild 8. Woraus schließen wir bei einem Foto, wie groß der abgebildete Gegenstand ist? 2. Bei Gegenständen des täglichen Lebens merken wir oft nicht, dass sie je nach Entfernung verschieden groß aussehen. Erkläre! 3. So stand es in der Zeitung (Á unten). Erkläre, wie es zu dem Irrtum des Jägers kommen konnte. 4. Menschen, die nicht im Hochgebirge leben, können sich dort beim Bergwandern verschätzen. Sie sehen die hohen Berge unter dem gleichen Winkel wie die Hügel oder die niedrigen Berge ihrer Heimat. Warum kann das für sie gefährlich werden? 7 6. Warum passt in Bild 10 die Sonne in die Hand? 8 Peinlich: Jäger erschießt Kuh Weiler im Allgäu – Nicht einen wildernden Hund, den er 100 Meter entfernt wähnte, sondern eine doppelt so weit entfernt stehende Jungkuh hat ein Jäger erschossen. Er sei überzeugt gewesen, in der Dunkelheit auf den wildernden Hund zu schießen, beteuert der Waidmann. Er habe die Augen des Tieres leuchten gesehen und der Umriss des Tieres habe der Größe eines Hundes entsprochen. „Saumäßig schad“, findet der Landwirt den Verlust. 9 10 63689 5. Warum scheinen Eisenbahnschienen in der Ferne zusammenzulaufen (Bild 9)? 7. Beim Fotografieren benutzt man Teleobjektive. Sie haben die gleiche Wirkung wie Sammellinsen mit großer Brennweite. Stelle in zwei Zeichnungen dar, wie ein Teleobjektiv und ein Normalobjektiv einen weit entfernten Gegenstand abbilden. Tipp: Die Lichtbündel von weit entfernten Gegenstandspunkten sind praktisch parallel. Wo liegt der zugehörige Bildpunkt? 8. Wie wirkt es sich aus, wenn man bei einem Fernrohr die Brennweite des Objektivs vergrößert? Welche Wirkung hat ein Okular mit größerer Brennweite? Begründe deine Antwort. 61 Die Länge Längenmessung mit Satelliten Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Wegweisendes Handy Das Mobiltelefon enthält einen GPS-Empfänger (engl. global positioning system), mit dessen Hilfe der Standort des Handys auf einen Meter genau bestimmt werden kann. Der Empfänger berechnet den Standort aus den Positions- und Zeitsignalen von mindestens drei Satelliten einer weltumspannenden Flotte von 24 Satelliten. 1 Vorbereitende Aufträge 1. Welche Längenmessgeräte findest du bei deinen Schulsachen oder im Werkzeugkasten? Miss mit ihnen Höhe und Breite dieser Buchseite. Versuche auch ihre Dicke zu bestimmen. 2. Wie kannst du den Durchmesser eines runden Bleistifts oder einer Flasche bestimmen? V1 Früher gab man Längen durch Körpermaße an (Bild 2). Die Elle ist nach einem Teil des Arms benannt. a) Vergleiche die Länge deiner Elle mit der deines Nachbarn oder deiner Nachbarin. b) Welche Nachteile hat die Verwendung von Körpermaßen bei Längenmessungen im Alltag? 3. Längen kann man ohne Messgeräte vergleichen. a) Wie kannst du leicht feststellen, ob eine Person größer oder kleiner ist als eine andere? b) Wie kannst du die Länge deines Schreibtischs mit der des Schreibtischs einer Freundin oder eines Freunds vergleichen? Ein Meterstab darf nicht benutzt werden. Beschreibe das Vorgehen. V2 Bild 3 zeigt eine Schieblehre. Bestimme damit den Durchmesser eines Filzstifts und den Innendurchmesser seiner Schutzkappe. V3 Miss mit einer Mikrometerschraube (Bild 4) den Durchmesser eines Drahts und eines Haars. Millimeter ablesen: ca. 11 mm. Klafter Fuß Elle Zoll Strich zeigt den Durchmesser: ca. 12,5 mm. Schritt 2 3 62 Hundertstelmillimeter ablesen: 0,28 mm. Striche liegen bei 0,6 übereinander, also 12,6 mm. 4 Genauer Durchmesser: 11,28 mm 63690 Die Länge Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Info: Was ist eine Messung? 5 Das Vergleichen von Längen ohne Hilfsmittel ist oft nicht einfach. Bild 5 zeigt Beispiele, bei denen wir uns täuschen lassen. Benutzt man ein Hilfsmittel, z. B. ein Zündholz, so ist die Entscheidung leicht zu fällen, welche der gezeichneten Figuren die größere oder kleinere Länge hat. Wenn man dazu die erste Strecke auf dem Zündholz markiert, legt man eine Vergleichslänge fest. Mit ihr werden die anderen Längen verglichen. Legt man eine Vergleichslänge verbindlich fest, so spricht man von einer Einheit (z. B. Elle, Fuß, Meter). Messen heißt, eine Länge mit der Einheit zu vergleichen. Man muss angeben, wie oft die Einheit in die zu bestimmende Länge hineinpasst. Mit dem Messverfahren wird ein Zahlenwert ermittelt, der aussagt, wievielmal die Einheit in der gemessenen Größe enthalten ist. Dieser Zahlenwert heißt Maßzahl. Info: Die Länge – eine physikalische Größe Seit 1875 ist als Einheit der Länge nur noch 1 Meter (1 m) zugelassen. Die Einheit war damals durch den Abstand zweier Markierungen auf einem Metallstab – dem Urmeter – festgelegt. Seit 1983 ist das Meter mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit bestimmt. Ein Meter 1 ist der Weg, den das Licht in 299 793 458 s zurücklegt. Neben der Einheit Meter sind Bruchteile und Vielfache des Meters zugelassen. Kilometer: 1 km = 1000 m Dezimeter: 1 dm = 0,1 m Zentimeter: 1 cm = 0,01 m Millimeter: 1 mm= 0,001 m Mikrometer: 1 mm = 0,000 001 m Nanometer: 1 nm = 0,000 000 001 m 63691 = 1 · 103 m = 1 · 10–1 m = 1 · 10–2 m = 1 · 10–3 m = 1 · 10–6 m = 1 · 10–9 m Durch die Festlegung eines Messverfahrens und einer Einheit erhält man eine physikalische Größe. Beispiele für physikalische Größen sind die Länge (Einheit: Meter), die Zeit (Einheit: Sekunde) und die Geschwindigkeit (Einheit: z. B. km/h). Für physikalische Größen verwendet man Buchstaben als Symbole. Als Symbol für die Länge werden s (engl. space: Raum, Zwischenraum), l (von Länge) und d (Durchmesser) benutzt. Jede physikalische Größe ist ein Produkt aus Maßzahl und Einheit. Beispiel: Länge = Maßzahl · Längeneinheit: s = 3,0 · 1 m, oder kurz: s = 3,0 m. 63 Die Länge physikextra www.cornelsen.de/physikextra Aus der Technik: Geräte zur Längenmessung Mikrometerschraube (Messbereich 0,01 mm bis 25 mm). Hauptskala: oben volle, unten halbe Millimeter; Trommelskala (rot): jeder Teilstrich entspricht 0,01 mm. Anzeige: 1,56 mm. Geodreieck (Messbereich 1 mm bis 14 bzw. 20 cm), Zollstock (Maßstab; Messbereich 1 mm bis 2 m), Lineale (Messbereich 1 mm bis 20 bzw. 30 cm). Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 1 2 Tageskilometerzähler am Fahrradcomputer (untere Anzeige; Messbereich 100 m bis 999,9 km). 4 5 Bandmaße: Kleines Bandmaß (Messbereich 1 mm bis 150 cm), großes Bandmaß (Messbereich 1 cm bis 20 m). 3 Laserentfernungsmesser (Messbereich 20 cm bis 30 m). Die Messgenauigkeit beträgt ± 3 mm. Längenmessgeräte (Bilder 1–6) unterscheiden sich in ihrem Messbereich und ihrer Messgenauigkeit. Der Messbereich eines Geräts geht aus der ersten und der letzten Marke seiner Skala hervor. Der „Zollstock“ (eigentlich Maßstab) in Bild 1 hat z. B. einen Messbereich von 1 mm bis 2 m. Vom Messbereich hängt es auch ab, welches Gerät man zum Messen einer Länge wählt: Sicherlich wirst 6 Schieblehre (Messbereich 0,1 mm bis 16 cm). Angezeigt werden auf der Hauptskala 15 mm. Mit dem Nonius (rot) könnte man darüber hinausgehende Zehntelmillimeter ablesen. du zum Messen beim Weitsprung kein Geodreieck nehmen und zum Messen der Dicke einer Buchseite suchst du dir bestimmt kein Bandmaß aus. Die Messgenauigkeit wird hauptsächlich durch die Bauweise des Messgeräts bestimmt. Beim Lineal kann man die Millimeter ablesen, bei der Schieblehre auch die Zehntelmillimeter und bei der Mikrometerschraube sogar die Hundertstelmillimeter. Info: Angabe von Messergebnissen bei Einzelmessungen Den Durchmesser eines Bleistifts kann man z. B. mit Lineal, Schieblehre und Mikrometerschraube messen. Wenn man das Messergebnis angibt, wird bei der Maßzahl die Messgenauigkeit berücksichtigt. Lineal: Die Messung ist nur auf 1 mm genau ablesbar: d = 8 mm. Schieblehre: Der Messwert lässt sich mit dem Nonius auf 0,1 mm genau ablesen: d = 8,1 mm. Mikrometerschraube: Auf der Trommelskala kann man auf 0,01 mm genau ablesen: d = 8,12 mm. 64 Der Maßzahl des Messergebnisses kann man also ansehen, welche Genauigkeit das Messgerät hatte. Die letzte Ziffer des notierten Messergebnisses ist durch die Bauart des Messgeräts, das angewandte Messverfahren und die Sorgfalt der messenden Person bestimmt. Sie wird unsichere Stelle genannt, da sie in der Regel nicht „ganz genau“ abgelesen werden kann. Die unsichere Stelle gehört mit den sicheren Ziffern davor zu den gültigen Ziffern des Messergebnisses. 63692 Die Länge Gruppenexperiment V4 Durch mehrmaliges Messen derselben Größe kommt man zu einem genaueren Messergebnis. Versuchsmaterial: Lineal Versuchsdurchführung: a) Jedes Gruppenmitglied misst mit einem Lineal die Höhe der Seiten dieses Physikbuchs. Gebt die Messwerte auf Millimeter genau an. b) Ihr werdet feststellen, dass ihr nicht alle dasselbe Messergebnis habt. Überlegt, wodurch die unterschiedlichen Ergebnisse zustande kommen. Wie könnte man die „wahre“ Höhe der Buchseite ermitteln? c) Errechnet den Mittelwert der Messergebnisse. Dazu bildet ihr die Summe der Messwerte und dividiert durch die Anzahl der Messungen. Beispiel: 1. Messergebnis: 26,0 cm 2. Messergebnis: 26,6 cm 3. Messergebnis: 26,0 cm 4. Messergebnis: 26,3 cm 5. Messergebnis: 26,1 cm Summe: 131,0 cm Mittelwert: 131,0 cm : 5 = 26,2 cm. d) Ist der Mittelwert „wirklich“ die Höhe der Buchseite? Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Info: Mittelwertbildung von Messergebnissen Jede Einzelmessung ist mit Fehlern behaftet. Durch mehrmaliges Messen kann man versuchen die Größe der Fehler abzuschätzen. Als Beispiel soll die Messung der Höhe h eines Metallzylinders dienen. Mit dem Geodreieck ergaben sich folgende Messwerte: h in mm 30,5 29,2 29,8 30,3 30,1 29,5 – Den Mittelwert von h bezeichnet man als h. – h = 179,4 mm : 6 = 29,9 mm. h Mittelwert der Messwerte 29 h h 30 31 32 A1 Bestimme die Dicke eines Blattes dieses Buches, indem du mehrere Blätter zusammen misst. Welche Ergebnisse und welche Genauigkeiten erreichst du mit einer Schieblehre oder einem Lineal? A2 Worin liegt der Unterschied bei folgenden Messergebnissen: s1 = 1 cm, s2 = 1,0 cm, s3 = 1,030 cm und s4 = 1,03 cm? Mit welchem Messgerät wurde jeweils vermutlich gemessen? A3 Die Größe von Papierblättern ist genormt: DIN A3 = 297 mm · 420 mm, DIN A4 = 210 mm · 297 mm, DIN A5 = 148 mm · 210 mm, DIN A6 = 105 mm · 148 mm. 63693 Mit genaueren Messverfahren (z. B. einer Schieblehre oder einer Mikrometerschraube) ergeben sich neue Mittelwerte und geringere Messabweichungen. Dh Mittelwert der Messabweichungen Dh = 0,4 Dh = 0,4 7 – Die Messwerte h weichen vom Mittelwert h ab: – |h – h| in mm 0,6 0,7 0,1 0,4 0,2 0,4 Den Mittelwert Dh dieser Messabweichungen kann man berechnen. Er beträgt: Dh = 2,4 mm : 6 = 0,4 mm. Eine sinnvolle und vollständige Angabe des Gesamtergebnisses der Messungen lautet: h = 29,9 mm ± 0,4 mm. Man könnte alle Messergebnisse in der Physik in der – Form M = M ± DM angeben, meist genügt es aber, den Mittelwert zu notieren und das Ergebnis bis zur „unsicheren Stelle“ anzugeben. Miss nach, welche Größen deine Hefte und Zeichenblöcke haben. Haben deine Bücher DIN-Formate? A4 a) b) c) Rechne um und behalte die gültigen Ziffern bei: 2,50 m (in Dezimeter und Millimeter); 2,5 km, 2,347 km, 0,505 km, 0,05 km (in Meter); 6 mm, 125 mm, 1 mm, 2000 mm (in Zentimeter). A5 Der Durchmesser eines Metallzylinders wurde mehrmals gemessen: d in mm 4,53 4,49 4,50 4,55 4,57 4,48 Berechne den Mittelwert und gibt das Gesamtergebnis in wissenschaftlicher Schreibweise an. 65 Die Länge Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Aus der Geschichte: So entstand das Meter Vor rund 200 Jahren wurden in den meisten Ländern unterschiedliche Längenmaße benutzt – sogar von Stadt zu Stadt waren sie manchmal verschieden. Das war vor allem für Kaufleute, die viel herumreisten, recht umständlich. Sie forderten deshalb immer wieder ein einheitliches Längenmaß, das überall auf der Welt benutzt werden sollte. Im Jahr 1791 schaffte man es endlich, in Paris eine Kommission zu bilden, die ein geeignetes Längenmaß finden sollte. Sie entschied sich dafür, die Längeneinheit als den vierzigmillionsten Teil des Erdumfangs festzulegen. (Genau genommen sollte der über die Pole gemessene Umfang verwendet werden.) Zu jener Zeit war der Erdumfang bekannt. Man hatte ihn durch Messungen und Berechnungen ermittelt. Um möglichst genaue Werte zu erhalten, beschloss die Kommission, noch einmal nachmessen zu lassen. Sie veranlasste, dass dazu die Strecke zwischen Dünkirchen (Nordfrankreich) und Barcelona (Spanien) neu vermessen wurde. Das dauerte allein sieben Jahre! Danach waren 26 europäische Wissen- schaftler noch fast zwei Jahre lang damit beschäftigt, die Messungen auszuwerten. 1799 legte die Kommission einen neuen Maßstab vor: Er bestand aus einer Platin-Iridium-Legierung und seine Länge entsprach dem zehnmillionsten Teil eines Viertelmeridians. Die neue Längeneinheit nannte man Meter (griech. metron: das Maß). Erst 75 Jahre später konnte sich das Meter durchsetzen: 1875 erkannten 17 Staaten auf einer Konferenz in Paris die neue Längeneinheit an. Zu diesen Staaten gehörte auch Deutschland. Das Urmeter, das genau nach dem 1799 vorgelegten Maßstab angefertigt wurde, wird bis heute in der Nähe von Paris aufbewahrt – und zwar in einem Tresor, der in einem Bunker 8 m tief unter der Erde liegt. In diesem Bunker wird die Temperatur immer auf demselben Wert gehalten. Eine Kopie des Urmeters (Bild 1) liegt in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. An beiden Enden sind Strichmarken angebracht. Der Abstand zwischen den mittleren Strichen ist 1 Meter. A1 Warum forderten vor allem Kaufleute ein einheitliches Längenmaß? A2 Wie viele Kilometer beträgt der Erdumfang? 1 Aus der Technik: Nicht überall wird in Metern gemessen Seit 1978 ist bei uns der Gebrauch anderer Längeneinheiten als 1 Meter nicht erlaubt. Trotzdem wirst du bestimmt von den folgenden Längeneinheiten gehört haben: – Der Klempner misst den Durchmesser von Rohren in Zoll (¿). Der englische Name für Zoll ist Inch (in). Umrechnung: 1 Zoll (1¿) = 2,54 cm (Bild 2). – In der Seefahrt gibt man Entfernungen in Seemeilen (sm) an. Umrechnung: 1 Seemeile (sm) = 1,852 km = 1852 m. – In den Vereinigten Staaten von Amerika werden Entfernungen in Meilen (mi) angegeben. Umrechnung: 1 Meile (1 mi) = 1,609 km = 1609 m (Bild 3). 66 1 Zoll 2 2 3 4 Zoll A3 Bei Fahrrädern gibt man den Raddurchmesser in Zoll an. Miss nach, ob du z. B. ein 26er-Rad hast. 63694 Die Länge Zusammenfassung Die Länge als physikalische Größe Eine physikalische Größe erhält man durch die Festlegung eines Messverfahrens und einer Einheit. Die Einheit der Länge ist 1 Meter. Die Einheit war zunächst durch das Urmeter festgelegt. Heute ist es durch die Strecke festgelegt, die das 1 Licht in 299 793 458 s zurücklegt. Die Länge einer Strecke wird gemessen, indem man sie mit der Einheit vergleicht. Man bestimmt, wievielmal die Einheit in der zu messenden Länge enthalten ist. Dieser Zahlenwert heißt Maßzahl. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Jede physikalische Größe ist das Produkt aus Maßzahl und Einheit. Physikalische Größe = Maßzahl · Einheit. Beispiel: Länge = Maßzahl · Meter. s = 3,0 m. Angabe von Messergebnissen Jede Messung ist unvermeidbar mit Fehlern behaftet. Die Messgenauigkeit ist begrenzt. Die Genauigkeit, mit der eine Größe gemessen wurde, kommt in der Anzahl der angegebenen Stellen (gültigen Ziffern) zum Ausdruck. Die letzte Ziffer der Maßzahl heißt unsichere Stelle, die Ziffern davor heißen sichere Ziffern. Sind mehrere Messungen für eine bestimmte Größe durchgeführt worden, bildet man den Mittelwert. Durch die größte Abweichung der einzelnen Messwerte vom Mittelwert kann man die Messfehler abschätzen. Beispiel: s = 3,15 m ± 2 cm. Alles klar? 1. Wie kann man die Dicke einer Buchseite auch ohne Mikrometerschraube ermitteln? 4. Was versteht man unter einer physikalischen Größe? Gib zwei Beispiele an. 2. Stefan misst die Länge eines Stifts mit dem Lineal und gibt als Messwert 10,33 cm an. Was hältst du von dieser Angabe? 5. Welche Fehlerquellen können beim Messen auftreten? 3. Beim Fußballspielen auf der Wiese werden die Tore in der Einheit „Fuß“ ausgemessen. Was ist zu beachten, wenn es dabei ganz gerecht zugehen soll? 63695 6. Eine Strecke wurde mit einem Meterstab mehrmals gemessen. Die Messergebnisse lauten: s1 = 1,831 m, s2 = 1,828 m, s3 = 1,829 m. a) Gib das Ergebnis mit sinnvoller Stellenzahl an. b) Wie lautet es in wissenschaftlicher Schreibweise? 67 Die Kraft Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Kräfte und Kraftwirkungen 1 2 3 4 5 6 Vorbereitende Aufträge 1. Auf den Bildern 1–6 wirken Kräfte. Notiere in einer Tabelle, auf welchen Körper jeweils eine Kraft ausgeübt wird und welche Wirkung sie hat. Muster: Bild Körper, auf den Wirkung der Kraft die Kraft wirkt 1 Volleyball 2 … Der Ball wird in eine andere Richtung gelenkt. … 2. In welchen der Bilder 1–6 beeinflussen Kräfte die Bewegung der Körper? Auch auf den übrigen Bildern bewirken Kräfte Änderungen an Körpern. Was ändert sich? Wie könnte man die Kraft auf die Bücher in Bild 5 nennen? 68 7 3. Bringe ein Modellauto ohne deine Muskeln auf einem Tisch in Fahrt. Bindfaden und Wägestück sind erlaubt. Welche Kraft wirkt dabei? Beobachte die Bewegung des Modellautos. Beschreibe genau, wie sie sich ändert. 4. Bringe zwei Modellautos auf gleiche Geschwindigkeit, indem du sie gemeinsam auf einer glatten Tischplatte anschiebst (Bild 7). a) Vergleiche, wie weit die Autos noch rollen. b) Beschreibe die Bewegung. c) Durch welche Kraft werden die Autos schließlich gebremst? 5. Der Wind und ein Magnet können Kräfte ausüben. Plane Versuche, mit denen du das zeigen kannst. 63704 Die Kraft Info: Was Physiker unter Kraft verstehen Was man in der Physik unter Kraft versteht, ist in den Bildern 8–14 dargestellt. Wirkung der Kraft: Motorrad fährt an; d. h., seine Geschwindigkeit ändert sich. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 8 9 Wirkung der Kraft: Lastwagen bremst; d. h., seine Geschwindigkeit ändert sich. 10 Die Ursache dafür, dass sich die Bewegung eines Körpers ändert, wird in der Physik Kraft genannt. Oje, mein Tank ist leer! 11 13 Wirkung der Kraft: Person fällt nach unten; d. h., ihre Geschwindigkeit ändert sich. Wirkung der Kraft (Luftwiderstand und Reibung zwischen Reifen und Straße): Das Auto wird langsamer. Die Bewegung ändert sich, wenn – der Körper langsamer oder schneller wird (Geschwindigkeitsänderung), – ein Auto eine Kurve fährt oder ein Ball von einer Wand zurückprallt (Richtungsänderung). Auch wenn sich die Form eines Körpers verändert, wirken auf ihn Kräfte. Wirkung der Kraft: Die Bäume werden verbogen und geknickt. A1 In welcher der folgenden Situationen spielen physikalische Kräfte eine Rolle? Begründe! a) Lanin hat starke Waschkraft. b) Ein Autofahrer gibt Gas und überholt einen Lkw. c) Ein Schlitten fährt abwärts und kommt dann zum Stehen. d) Im Laufe der Jahre lässt die Sehkraft nach. e) Ein Apfel fällt vom Baum. f) Ein Mann versucht einen Nagel aus der Wand zu ziehen. A2 Beim Curling (Bild 15) lässt man einen blank polierten Granitstein über eine Eisfläche gleiten. Das Ziel ist über 35 m entfernt. a) Wie ist es möglich, dass der Stein so weit rutscht? b) Welche Aufgabe haben die Spieler mit dem Besen? 62237 12 14 Wirkung der Kraft: Skifahrer fährt in eine Kurve; d. h., seine Bewegungsrichtung ändert sich. Wirkung der Kraft: Das Auto wird zusammengepresst. A3 Bild 16 zeigt eine Anordnung für einen Versuch. Es soll gemessen werden, wie weit das Auto auf verschiedenen Unterlagen rollt. a) Überlege zuerst: Welche Versuchsbedingungen bleiben gleich, was ändert sich? b) Miss, wie weit das Auto auf verschiedenen Unterlagen rollt. c) Versuche zu erklären, weshalb die Autos nicht gleich weit rollen. d) Stell dir einmal vor, nach dem Verlassen der Rampe würden keine Kräfte mehr auf die Autos einwirken. Was würde passieren? schräg gestelltes Brett 1. Holztisch 2. Teppich 3. Steinboden Maßstab 15 16 69 Die Kraft Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Aus der Raumfahrt: Einmal in Bewegung – immer in Bewegung Im Juli 1969 ging ein Traum der Menschheit in Erfüllung – eine Landung auf dem Mond (Bild 1). Durch eine riesige Rakete war das Raumschiff Apollo zunächst in eine Erdumlaufbahn befördert worden. Um es anschließend auf Kurs zum Mond zu bringen, wurde die letzte Raketenstufe noch einmal kurz gezündet – und dann abgestoßen. Erst in der Nähe des Mondes zündeten die Astronauten wieder für kurze Zeit eine Rakete. Das 1 diente aber nicht zum Antrieb, sondern um das Raumschiff abzubremsen. Sonst wäre es am Mond vorbeigeflogen. Während das Raumschiff den Mond umkreiste, landeten zwei Astronauten mit der Mondlandefähre. Den Weg von der Erdumlaufbahn zum Mond legte das Raumschiff ohne Antrieb zurück. Es kam also ohne Treibstoff aus – und das bei einer Geschwindigkeit von etwa 40 000 km/h! 2 Auch Voyager wurde mit einer Rakete gestartet und auf hohe Geschwindigkeit gebracht. Für den Rest der unvorstellbar langen Reise brauchte Voyager keinen Antrieb mehr! Bei Flügen im Weltall werden große Strecken ohne Antrieb zurückgelegt. Treibstoff braucht man nur zum Starten, Beschleunigen oder Abbremsen sowie zum Ändern der Flugrichtung – also nur dann, wenn eine Bewegungsänderung stattfinden soll. Auf der Erde ist das jedoch anders: Ein Auto benötigt dauernd Benzin zum Vorwärtsfahren. Sein Motor muss laufen, sonst bleibt das Auto nach kurzer Zeit stehen. Der Grund dafür ist die Reibung. Bei Bewegungen auf der Erde sind stets Reibungskräfte im Spiel – im luftleeren Weltraum dagegen spielen Reibungskräfte praktisch keine Rolle. Solange keine Kraft auf einen Körper wirkt, gilt: Einmal in Bewegung – immer in Bewegung. Seit der ersten Mondlandung sind noch viele andere Himmelskörper mit unbemannten Raumfahrzeugen erforscht worden. So wurde z. B. Voyager 2 (Bild 2) 1977 gestartet. Nach vier Jahren erreichte die Raumsonde den Planeten Saturn. Nach acht Jahren flog sie am Uranus vorbei, nach 12 Jahren am Neptun. Damit hatte die Sonde das Sonnensystem verlassen. Seit dieser Zeit bewegt sich Voyager in die Weiten des Weltalls. 3 A1 Mit diesem Fahrrad (Bild 3) kann ein trainierter Fahrer durchschnittlich 65 km — schnell fahren. h — schafMit einem Rennrad würde er höchstens 40 km h fen. Weshalb? 70 4 A2 Bild 4 zeigt, wie die nordamerikanischen Ureinwohner ihre Lasten transportierten. Warum geht die Lastenbeförderung mit einem Wagen leichter? 62238 Die Kraft Wir vergleichen Kräfte Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Wann sind die Kräfte, die am Ring angreifen, gleich groß? 5 V1 Bild 6 zeigt, wie ihr eure Muskelkräfte miteinander vergleichen könnt. Achtung, Verletzungsgefahr! Der Expander oder der Schlauch muss so befestigt sein, dass er nicht abrutscht. Führt den Versuch nur unter Aufsicht durch. a) Überlege: Wann sind zwei Kräfte, die man so miteinander vergleicht, gleich groß? b) In welcher Einheit könnte man in diesem Versuch die Kräfte messen? Überlege, ob Stativmuffe als Sicherung diese Einheit Expander zum Messen Ventil von Kräften Fahrradschlauch sinnvoll wäre. Maßstab 6 Gruppenexperiment V2 Um kleinere Kräfte als in V1 vergleichen zu können, verwenden wir eine Schraubenfeder aus Stahl. Versuchsmaterialien: 1 Schraubenfeder, Stativmaterial, leichte Gegenstände Versuchsaufbau: Siehe Bild 7. Versuchsdurchführung: a) Hängt mehrere leichte Gegenstände nacheinander an die Schraubenfeder. Dehnt sie auch vorsichtig mit der Hand. b) Wie müsst ihr die Versuchsanordnung ergänzen, um feststellen zu können, ob zwei Kräfte gleich groß sind? Vorsicht, Feder nicht überdehnen! 7 Info: So werden Kräfte verglichen Zum Vergleich von Kräften benutzt man häufig eine Schraubenfeder. Das eine Ende der Feder wird festgehalten, auf das andere lässt man nacheinander die Kräfte wirken. Sie rufen Formänderungen hervor – die Feder wird jeweils länger. Zwei Kräfte sind gleich groß, wenn sie dieselbe Schraubenfeder um die gleiche Länge dehnen. Wenn zwei Kräfte gleich groß sind, sagt man, sie haben denselben Betrag. 63705 Natürlich sind zwei Kräfte auch gleich groß, wenn sie am selben Körper die gleiche Bewegungsänderung hervorrufen. So üben zwei gleich schwere Personen, die dasselbe Fahrrad gleich stark beschleunigen, gleich große Kräfte aus. Dieser „dynamische“ Vergleich von Kräften ist in der Praxis aber aufwendiger als ein „statischer“ Vergleich z. B. mit Hilfe von Schraubenfedern. 71 Die Kraft Kraft – Betrag, Richtung, Angriffspunkt Gruppenexperiment V1 Dieser Versuch zeigt, dass gleich große Kräfte unterschiedliche Wirkungen haben können. Tipp: Um gleiche Kräfte auszuüben, kann man eine Schraubenfeder verwenden und ihre Verlängerung z. B. auf einem Stück Karton aufzeichnen. Einfacher ist es, eine Schraubenfeder in einer Hülse zu benutzen und die Länge der Feder auf der Hülse zu markieren. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Versuchsmaterial: Schraubenfeder in Hülse, Leiste, die an einem Ende drehbar gelagert ist Versuchsaufbau und -durchführung: a) Lenkt die „Hebelstange“ mit Hilfe der Schraubenfeder so wie in Bild 1 aus. Markiert die Länge der Feder auf der Hülse. b) Lasst nun gleich große Kräfte auf unterschiedliche Stellen der „Hebelstange“ in verschiedene Rich- Dehnung der Feder markieren! Gleich große Kräfte ausüben! 1 2 tungen wirken (Bild 2). Wird die Hebelstange immer gleich weit ausgelenkt? Skizziert jeweils die Lage der Stange und die Richtung der Kraft. Info: Bestimmungsstücke einer Kraft Blattfeder 3 4 Obwohl die Kräfte in den Bildern 3–5 gleiche Beträge haben, wird die Blattfeder jeweils unterschiedlich stark verformt. Kräfte mit gleichen Beträgen können also unterschiedliche Wirkungen haben. Die Angabe des Betrags einer Kraft reicht also nicht aus, um die Wirkung vorhersagen zu können. Die Wirkung einer Kraft hängt neben dem Betrag auch von ihrem Angriffspunkt und ihrer Richtung ab. Man zeichnet daher Kräfte als Pfeile (Bild 6): – Die Länge des Pfeils gibt den Betrag der Kraft an. – Der „Anfang“ des Pfeils markiert den Angriffspunkt der Kraft. – Die Richtung des Pfeils stellt die Richtung der Kraft dar. 72 3 cm 5 cm 8 cm 5 Zur Bezeichnung der Kraft verwenden wir das SymÁ bol F . F ist der Anfangsbuchstabe von engl. force: Kraft. Der Pfeil weist darauf hin, dass die Wirkung der Kraft erst durch Richtung, Angriffspunkt und Betrag vollständig beschrieben ist. Á Für den Betrag der Kraft schreibt man |F | oder einfach F. 6 63706 Die Kraft Zusammenfassung Woran man Kräfte erkennt Das Wirken von Kräften erkennt man daran, dass … … sich die Geschwindigkeit oder die Bewegungsrichtung eines Körpers ändert (Bilder 7 u. 8), … oder daran, dass ein Körper verformt wird (Bild 9). → FG → F1 → F 7 → F2 8 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Geschwindigkeit des Schlittens wird größer. 10 → FG 9 Bewegungsrichtung des Balls wird geändert. Der Expander wird verformt. Beispiele für Kräfte sind Gewichtskräfte und Reibungskräfte. Gewichtskraft: Auf alle Körper wirkt eine Gewichtskraft, weil sie von der Erde angezogen werden (Bild 10). Reibungskraft: Auf jeden Körper, der sich auf der Erde bewegt, wirken Reibungskräfte. Sie bremsen dauernd die Bewegung, die sonst unaufhörlich andauern würde. Ein Auto muss ständig angetrieben werden, da es durch die Reibung zwischen Straße und Rädern sowie → FR zwischen Karosserie und Luft gebremst wird. Im Weltraum dagegen ist kein Antrieb nötig. Dort fehlt die 11 Luft, sodass es praktisch keine Reibung gibt. Die Wirkung einer Kraft hängt von Betrag, Richtung und Angriffspunkt ab. Zwei Kräfte haben den gleichen Betrag, wenn sie dieselbe Schraubenfeder um dieselbe Länge dehnen. Á Kräfte werden durch Pfeile dargestellt (Symbol: F ). Alles klar? 1. Woran erkennt man physikalische Kräfte? 2. Nenne zwei Beispiele, in denen physikalische Kräfte wirken. Gib außerdem zwei Beispiele an, in denen das Wort „Kraft“ in der Umgangssprache verwendet wird, ohne dass es sich um physikalische Kräfte handelt. Begründe deine Auswahl. 3. Ein Auto fährt auf gerader und ebener Strecke. Es ist windstill. Plötzlich setzt der Motor aus. Durch welche Kraft kommt das Auto zum Stehen, obwohl der Fahrer nicht bremst? 63707 4. Skizziere die Situation von Bild 12 in dein Heft. Zeichne die beiden Kräfte ein, die hier eine Rolle spielen. Was fällt dir bei den Kräften auf? 5. Nenne die Bestimmungsstücke der Kraft. Welche Kräfte in Bild 13 haben gleiche Angriffspunkte, welche gleiche Richtungen und welche gleiche Beträge? → F6 → F7 → F1 → F5 → F2 13 → F3 → F4 12 73 Wir messen Kräfte Messung von Gewichtskräften Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Auf der Erde: Der Astronaut kann seine Ausrüstung kaum anheben. Auf dem Mond: Die gleiche Ausrüstung trägt er jetzt mühelos. 1 2 Vorbereitende Aufträge 1. Nimm einige unzerbrechliche Gegenstände (Radiergummi, Lineal usw.) in die Hand und lass sie los. Was kannst du über ihre Bewegung und deren Ursache aussagen? gestreckten Arm zu halten. Welche Kräfte wirken auf den Gegenstand? 3. Warum fallen die Menschen auf der anderen Seite der Erdkugel, z. B. in Australien, nicht von der Erde, obwohl sie doch im Vergleich zu uns „auf dem Kopf“ stehen? 2. Versuche einen schweren Gegenstand möglichst lange Zeit am aus- Aus der Geschichte: Warum fällt ein Apfel zur Erde, nicht aber der Mond? Einer der bedeutendsten Physiker und Mathematiker war der Engländer Isaac Newton (1643–1727). Von ihm wird die folgende Geschichte erzählt: An einem Herbstabend sitzt Newton in seinem Garten. Der Mond leuchtet durch die Äste eines Apfelbaums. Da löst sich ein reifer Apfel vom Baum und fällt genau neben Newton ins Gras. „Warum fällt eigentlich der Apfel zur Erde?“, fragt sich Newton. „Der Mond dagegen steht doch scheinbar regungslos am Himmel. Warum fällt der nicht auch zur Erde? …“ Der Apfel fällt zur Erde, weil auf ihn die Anziehungskraft der Erde wirkt. Auch auf den Mond wirkt diese Anziehungskraft – trotz der riesigen Entfernung zwischen Erde und Mond. Der Mond stürzt aber nicht zur Erde, weil er sie ständig umkreist. Die Anzie74 hungskraft, die die Erde auf ihn ausübt, „zwingt“ ihn auf seine Bahn – ähnlich wie das Seil eines Hammerwerfers, das den Hammer zum Kreisen zwingt. Newton erkannte: Die gleichen Kräfte, die einen Apfel zur Erde fallen lassen, verhindern, dass sich der Mond von der Erde entfernt – die Anziehungskräfte zwischen den Körpern. Mond Erde 3 63708 Wir messen Kräfte Gruppenexperiment Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. V1 Die Gewichtskräfte, die die Erde auf Körper ausübt, untersuchen wir mit Hilfe einer Schraubenfeder. Versuchsmaterial: Schraubenfeder mit Teller, Wägestücke Versuchsaufbau: Siehe Bild 4. Versuchsdurchführung: a) Belastet den „Teller“ mit verschiedenen Wägestücken. Achtet jeweils auf die Verlängerung der Schraubenfeder. Was ist zu vermuten? b) Nun braucht ihr mehrere Wägestücke, die die Feder gleich weit dehnen, die also die gleiche Gewichtskraft erfahren. Legt erst ein Wägestück, dann zwei, drei … Wägestücke auf den Teller. Markiert jeweils ihre Lage. c) Statt der Wägestücke wird ein beliebiger Gegen- stand (z. B. ein Radiergummi) aufgelegt. Gebt die Gewichtskraft zahlenmäßig an. Formuliert so: Gewichtskraft = x-mal Gewichtskraft auf ein Wägestück. Versuchsteil a Versuchsteil b Unterkante des Tellers: Ruhelage „null“ markieren 4 Info: Das Messverfahren für Kräfte Ein Apfel fällt vom Baum, weil die Erde ihn anzieht. Die Ursache dafür, dass der Apfel sich in Bewegung setzt und zu Boden fällt – also seine Geschwindigkeit Á ändert –, nennen wir Gewichtskraft FG. Mit einer Schraubenfeder lassen sich Gewichtskräfte messen. Das Messverfahren für Kräfte wird in drei Schritten festgelegt: 1. Schritt: Gleichheit Gewichtskräfte sind gleich groß, wenn sie dieselbe Schraubenfeder gleich weit dehnen. 2. Schritt: Vielfachheit Zwei, drei, vier … gleiche Wägestücke erfahren die zwei-, drei-, vierfache … Gewichtskraft. 3. Schritt: Einheit Bei der Wahl der Einheit gehen wir wie bei der Festlegung der Längeneinheit durch das Urmeter vor. Wir wählen einen Gegenstand aus und erklären die Gewichtskraft, die auf ihn wirkt, zur Einheit. Die Gewichtskraft, die bei uns auf ein 100-gWägestück wirkt, nennen wir 1 Newton (1 N). Benutzungsanleitung für Kraftmesser 1. Der Messbereich gibt an, für welche Kräfte der Kraftmesser benutzt werden kann. Wenn du größere Kräfte als angegeben misst, überdehnst du die Feder! Für kleinere Kräfte benutzt man „weiche“ Federn und für größere Kräfte „harte“. 2. Vor dem Messen musst du den Kraftmesser auf null stellen (justieren): Halte den Kraftmesser senkrecht und schiebe das bewegliche Rohr (den Nullpunktschieber) auf die Null. 1N Tafel Schokolade (102 g) 5 Skala 6 Messbereich: 0 ... 10 N 7 63709 Nullpunktschieber Schraubenfeder Gehäuse Diese Festlegung der Krafteinheit ist vereinfacht. Zur genauen Festlegung von 1 Newton müsste ein 102-g-Wägestück verwendet werden (Bild 5). Der Hinweis „bei uns“ ist nötig, da sich die Gewichtskraft auf einen Körper ändern kann, wenn man ihn von einem Ort an einen anderen bringt. Für den praktischen Gebrauch gibt es Schraubenfedern in Hülsen, auf deren Skalen Bruchteile und Vielfache von 1 N markiert sind. Man bezeichnet diese Geräte als Kraftmesser (Bilder 6 u. 7). 75 Wir messen Kräfte A1 Übungen mit dem Kraftmesser: Bei welchen Zugkräften zerreißen Nähgarn, Wolle, Seide usw.? (Führe jeweils mehrere Messungen durch. Bilde dann den Mittelwert.) A2 Wie groß ist die Gewichtskraft, die ein Kraftmesser für die folgenden Körper anzeigt? (Du kannst sicherlich das Ergebnis angeben, ohne Versuche dazu durchzuführen …) 1 2 Tafeln Schokolade (je 100 g) 2 1 Stück Butter (250 g) 3 1 Tüte Salz (500 g) 4 2 Tüten Zucker (je 1 kg) 5 1 Päckchen Backpulver (20 g) Info: Die Gravitation Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Der Mond wird durch die Anziehungskraft der Erde auf seine Umlaufbahn gezwungen. Auch die Planeten kreisen um die Sonne, weil sich die Sonne und die Planeten gegenseitig anziehen. Die gegenseitige Anziehung von Körpern heißt Massenanziehung oder Gravitation. Die Gravitation ist nicht auf Himmelskörper beschränkt. Auch die Gewichtskraft, die die Erde auf einen Körper ausübt, beruht auf der Gravitation. Sogar zwischen zwei Bleikugeln gibt es eine Anziehung. Alle Körper ziehen einander an. Allerdings sind Bleikugeln gegenüber Mond oder Erde unvorstellbar klein. Dementsprechend gering sind auch die Anziehungskräfte zwischen Bleikugeln. Vor rund 200 Jahren gelang es dem englischen Chemiker Henry Cavendish (1731–1810), die Anziehungskräfte zwischen Bleikugeln zu messen. Er befestigte zwei kleine Bleikugeln an einer Stange, die er an einem Draht aufhängte (Bild 1). Sobald er ihnen die beiden großen Bleikugeln näherte, setzten sich die kleinen Kugeln langsam in Bewegung und drehten sich in Richtung auf die großen Kugeln. Die Anziehungskräfte zwischen zwei Körpern hängt von ihrem Abstand ab: Je weiter die Körper (bzw. ihre „Mittelpunkte“) voneinander entfernt sind, desto kleiner ist die Anziehungskraft. Demzufolge wird die Anziehungs- oder Gewichtskraft kleiner, wenn sich ein Körper von der Erdoberfläche entfernt (Bild 2). Auch auf der Erdoberfläche ist die Gravitation nicht überall gleich groß. Die Erde hat nämlich keine ideale Kugelgestalt, sondern ist abgeplattet. Die Pole liegen etwas näher am Erdmittelpunkt als Punkte auf dem Äquator (Bild 3). Daher misst man am Äquator etwas kleinere Gewichtskräfte als an den Polen. Der Betrag der Gewichtskraft ist ortsabhängig. Die Anziehungskräfte hängen auch von den Körpern ab. So erfährt z. B. ein und derselbe Körper auf der Mondoberfläche ein Sechstel der Gewichtskraft wie auf der Erde. Wenn wir einen Stein aufheben oder eine Tasche tragen, sagen wir, die Körper seien mehr oder weniger schwer. Ein Körper, der auf der Erde schwerer ist als ein anderer, ist es auch auf dem Mond. Die Schwere ist eine Körpereigenschaft. Je schwerer ein Körper ist, desto größer sind die Kräfte bei der Gravitation. 9,81 N 9,83 N Seilzug zum Bewegen der großen Bleikugeln 2m Nordpol 9,78 N kleine Bleikugel (m2 = 0,73 kg) 1 auf der Erdoberfläche F = 10 N Stange 2 76 5000 km über der Erdoberfläche F=3N m 6k dünner Draht 637 8k m 635 große Bleikugel (m1 = 158 kg) 10 000 km über der Erdoberfläche F = 1,5 N 1 kg Zürich Äqu ato r Südpol 3 63710 Wir messen Kräfte Zusammenfassung Gravitation Gewichtskraft Alle Körper ziehen sich gegenseitig an. Ursache für die Gewichtskraft ist die Gravitation. Á Der Betrag der Gewichtskraft FG, die auf einen Körper wirkt, ist vom Ort abhängig. Die gegenseitige Anziehung zweier Körper bezeichnet man als Gravitation. Auf der Erde ist die Gewichtskraft etwa sechsmal so groß wie auf dem Mond (Bild 5). Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Erde 4 Sonne 5 F¨G = 120 N Erde F¨G = 20 N Mond Kräfte können gemessen werden Das Messverfahren für Kräfte wird in drei Schritten festgelegt. Gleichheit: Zwei Kräfte sind gleich groß, wenn sie eine Schraubenfeder gleich weit dehnen. Vielfachheit: Zwei, drei, vier gleiche Wägestücke erfahren die zwei-, drei-, vierfache Gewichtskraft. Einheit: Als Einheit wählen wir die Gewichtskraft, die auf eine 100-g-Tafel Schokolade wirkt. Die Einheit heißt 1 Newton (1 N). Als Kraftmesser wird oft eine Schraubenfeder verwendet. Die Skala kann leicht mit Hilfe mehrerer gleicher Wägestücke hergestellt werden: Man hängt eins nach dem anderen an die Feder und markiert deren Länge. Kräfte werden in der Einheit Newton gemessen. Alles klar? 1. In Bild 6 sind Kräfte dargestellt. 1 cm entspricht 2 N. Stelle fest, welche Beträge die Kräfte haben. Zeichne im gleichen Maßstab Kräfte mit folgenden Beträgen: 0,8 N; 1,5 N; 5 N, 10,8 N. 2. Wovon hängen die Gravitationskräfte zwischen zwei Körpern ab? 3. Die Gewichtskräfte, die auf ein und denselben Körper an verschiedenen Stellen der Erdoberfläche wirken, können unterschiedlich groß sein. Gib dafür eine physikalische Begründung. 63711 4. Ein Astronaut findet auf dem Mond einen Stein und hängt ihn an einen Kraftmesser. Die Gewichtskraft beträgt dort 10 N. Welche Gewichtskraft zeigt der Kraftmesser auf der Erde an? F¨1 F¨2 F¨3 F¨4 F¨5 F¨6 6 F¨7 5. Drei gleich lange Kraftmesser haben unterschiedliche Messbereiche: 0 N bis 1 N, 0 N bis 10 N, 0 N bis 100 N. a) Welcher Kraftmesser hat die härteste Feder? b) Bei einer Kraft von 1 N verlängern sich die Kraftmesser um 1 mm, 1 cm, 10 cm. Welche Verlängerung gehört zu welchem Kraftmesser? 77 Wechselwirkung – Kräftegleichgewicht – Kräfteaddition Gibt es eine Kraft alleine? Erreicht die Schülerin als Erste die Stativstange, die am stärksten zieht? Vorbereitende Aufträge 1. Führe den Versuch von Bild 1 mit einem Freund oder einer Freundin durch. 2. Drücke einen Reißnagel in ein Brett. Beschreibe die Kräfte zwischen Daumen und Reißnagel. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 3. Kann man auf Inlineskatern stehend mit einem Seil eine schwere Kiste an sich heranziehen? 4. Das Ende eines Gartenschlauchs liegt auf dem Rasen. Du öffnest den Wasserhahn. Was geschieht? 1 V1 Ein kleiner Stabmagnet und ein Eisennagel, die auf Styroporscheiben befestigt sind, schwimmen auf einer Wasserfläche. Halte den Magneten fest. Wieso bewegt sich der Nagel auf den Magneten zu? Was wird geschehen, wenn du nicht den Magneten, sondern den Nagel festhältst? V2 Lege eine Stahlfeder zwischen zwei Modellautos und presse sie mit den Autos zusammen. Markiere die beiden Enden der Feder auf der Unterlage. a) Was geschieht, wenn du das rechte bzw. das linke Auto loslässt? b) Lass beide Autos gleichzeitig los. Info: Das Wechselwirkungsprinzip Jeder weiß: Ein Magnet zieht einen Eisennagel an. Aber auch der Nagel zieht den Magneten an. Man kann sich davon überzeugen, wenn man den Nagel festhält und der Magnet sich bewegen kann. Bei einer Kugel, die an einer Schraubenfeder hängt, ist das ähnlich: Die Kugel zieht die Feder nach unten, die Feder zieht zugleich die Kugel nach oben. Wie in diesen beiden Beispielen ändert ein Körper seinen Bewegungszustand oder seine Form nur dann, wenn (mindestens) ein zweiter Körper vorhanden ist, der als Ursache der Kraft in Frage kommt. Isaac Newton erkannte in diesem Zusammenhang als Erster eine Gesetzmäßigkeit: Nie kann ein Körper auf einen anderen eine Kraft ausüben, ohne dass dieser ebenfalls an ihm eine Kraft bewirkt. Es ist immer so, dass beide Körper wechselseitig Kräfte aufeinander ausüben. Die Kräfte sind gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet. Dieser Zusammenhang heißt Wechselwirkungsprinzip. 78 Ein Beispiel für das Wechselwirkungsprinzip ist das normale Gehen: Bei jedem Schritt übst du mit der Schuhsohle eine nach hinten gerichtete Kraft auf die Straße aus. Nach dem Wechselwirkungsprinzip bewirkt deine Kraft eine nach vorne gerichtete Kraft der Straße. Diese Kraft der Straße bringt dich voran! Diese ungewöhnliche Sichtweise wird dir schnell verständlich, wenn du versuchst, dich nicht auf der Straße, sondern auf Glatteis zu bewegen. Dort nützt dir keine noch so große Kraft, um voranzukommen. Wechselwirkungskräfte greifen grundsätzlich an zwei verschiedenen Körpern an (Bild 2). Kraft der Straße (Beschleunigung der Person) Kraft des Fußes (Verformung der Straße) 2 63712 Wechselwirkung – Kräftegleichgewicht – Kräfteaddition A1 Wenn ein Auto auf einem Kiesweg anfährt, wird der Kies nach hinten weggeschleudert. Die Kraft, die die Räder auf die Straße ausüben, ist also nach hinten gerichtet (Bild 3). Warum fährt das Auto dann nach vorne? A4 In Bild 4 wird ein Auto angeschoben. a) Erkläre das Zustandekommen der beiden Kräfte. Stelle dir dazu vor, dass sich zwischen den Händen und dem Auto eine Schraubenfeder befindet. b) Was würde geschehen, wenn du versuchen würdest das Auto auf Glatteis anzuschieben? Welches Kräftepaar fehlt also in der Zeichnung? Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. A2 Lässt man einen aufgeblasenen Luftballon los, schwirrt er durchs Zimmer. Welche zwei Körper üben hier Kräfte aufeinander aus? A5 Ein Stein, den man fallen lässt, wird durch die Á Gewichtskraft FG beschleunigt. Wo ist die Wechselwirkungskraft? Fertige eine Skizze an. Warum merkt man nichts von dieser Kraft? A3 Nimm an, du stehst auf einer Personenwaage und trägst einen schweren Gegenstand. Wie ändert sich die Anzeige der Waage, wenn du den Gegenstand nach oben reißt? Was zeigt sie an, wenn du ihn ruckartig nach unten bewegst? Begründe deine Antworten. 3 A6 Beim Schießen erfährt das Gewehr eine nach hinten gerichtete Kraft. Wie kommt es zu diesem „Rückschlag“? Warum ist der „Rückschlag“ bei einem Luftgewehr deutlich kleiner als bei einem Jagdgewehr? 4 Aus dem Sport: Ohne Wechselwirkung keine Fortbewegung Die Startblöcke beim 100-m-Lauf müssen fest in der Bahn verankert sein (Bild 5). Damit die Läufer nach dem Start schnell vorwärts kommen, müssen sie sich nämlich mit großer Kraft nach hinten abstoßen. Die Startblöcke üben dann eine ebenso große Kraft nach vorne aus, die die Sprinter beschleunigt. Bei lockerem Startblock würde der Läufer keine Kraft auf den Startblock ausüben können – und der Startblock nicht auf den Läufer. „Volle Kraft zurück – es geht vorwärts!“ So könnte man das Rudern kurz beschreiben. Mit Hilfe der Ruder übt man eine nach hinten gerichtete Kraft auf das Wasser aus (Bild 6). In diesem Fall bewirkt die Kraft vom Wasser auf das Boot, dass sich das Boot nach vorne in Bewegung setzt. Wenn das Ruder durch die Luft gezogen wird, kann keine beschleunigende Kraft auf das Boot hervorgerufen werden. Kraft vom Ruderblatt (beschleunigt und verformt das Wasser) Kraft vom Fuß (verbiegt den Startblock) Kraft vom Startblock (beschleunigt den Läufer) 5 63713 Kraft Kraft vom Wasser (beschleunigt das Boot) 6 79 Wechselwirkung – Kräftegleichgewicht – Kräfteaddition Das Kräftegleichgewicht Stefan: Der Gewichtheber braucht zum Halten der Hantel überhaupt keine Kraft. Daniela: Quatsch! Dann könnte ja jedes Kind die Hantel halten … Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Stefan: Überleg doch mal: Kräfte erkennt man daran, dass sich ein Körper verformt oder dass er seine Bewegung ändert. Beides sehe ich hier nicht – also keine Kraft! Daniela: Das ist doch Unsinn! Überleg du doch lieber mal: Hier wirken sogar zwei Kräfte! 1 Was meinst du zu den Überlegungen von Stefan und Daniela? Wer von den beiden hat Recht? Vorbereitende Aufträge 1. Du brauchst eine Büroklammer und zwei gleiche Gummiringe. Hänge die Gummiringe an den beiden Enden der Büroklammer ein. Halte die Büroklammer an den beiden Gummiringen horizontal und ziehe mit schrittweise größeren Kräften. Was kannst du über die Kräfte aussagen, die du auf die Büroklammer ausübst? 2. Skizziere die Bilder 2 u. 3 in dein Heft und ergänze die Zeichnungen durch Kraftpfeile. 2 3. Auch wenn du mit dem Fahrrad auf ebener Strecke fährst, musst du ständig in die Pedale treten – auch dann, wenn deine Geschwindigkeit konstant ist. a) Welche Kräfte wirken auf dich und dein Fahrrad? b) Obwohl Kräfte wirken, ändert sich deine Geschwindigkeit nicht. Warum nicht? c) Wenn du mit einer höheren, konstanten Geschwindigkeit fährst, musst du stärker treten. Begründe physikalisch. 3 80 63714 Wechselwirkung – Kräftegleichgewicht – Kräfteaddition Info: Gleichgewicht von Kräften Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Wenn man ein Kugel an eine Schraubenfeder hängt, wird die Feder gedehnt (Bild 4). Je weiter die Feder gedehnt wird, desto größer ist die Rückstellkraft der Feder, die der Verformung entgegenwirkt. Auf die Kugel wirken also zwei Kräfte, die Rückstellkraft der Feder und die Gewichtskraft. Die Feder wird so weit verformt, bis beide Kräfte gleich groß sind. Die Kugel kommt dann zur Ruhe. Man sagt, sie ist im Kräftegleichgewicht. Genauso ist es, wenn du eine schwere Tasche trägst: Auf die Tasche wirkt die nach unten gerichtete Gewichtskraft und du übst eine genauso große Kraft nach oben aus. Die Bewegung der Tasche ändert sich nicht. Zwei an einem Körper angreifende Kräfte sind im Gleichgewicht, wenn sie entgegengesetzt gerichtet und gleich groß sind. Allerdings muss diese Aussage noch etwas allgemeiner gefasst werden. Auch in Bild 5 wirken zwei gleich große, entgegengesetzt gerichtete Kräfte auf 1 2 4 5 den Wagen. Der Wagen bleibt aber nicht in Ruhe, sondern wird gedreht, bis die Kräfte auf einer Geraden liegen. Erst dann stellt sich ein Gleichgewicht ein. Die Gerade, die durch einen Kraftpfeil gezeichnet werden kann, bezeichnet man als Wirkungslinie der Kraft. c) Die Pfeile mit entgegengesetzA1 Angenommen, ein Flugzeug ten Richtungen in Bild 6 sind alle fliegt mit gleich bleibender Gegleich lang gezeichnet. schwindigkeit in konstanter Flug→ → Warum muss das so sein? höhe (Bild 6). F F a) Ordne den Kraftpfeilen die fol→ A2 Übertrage die Bilder 7–9 als genden Begriffe zu: Antriebskraft F Skizzen in dein Heft. der Flugzeugmotoren, GewichtsIn jedem der Bilder gibt es einen kraft auf das Flugzeug und Rei6 Körper, auf den zwei Kräfte gleichbungskraft. b) Es muss noch eine vierte Kraft auf das Flugzeug zeitig wirken. wirken. Aus welchem Grund ist diese Annahme be- Zeichne jeweils die Kräfte als Kraftpfeile in deine Skizzen ein. rechtigt? 2 3 1 7 8 63715 9 81 Wechselwirkung – Kräftegleichgewicht – Kräfteaddition Wenn Kräfte einen Winkel bilden … Zwei gegen eine – ein ungleicher Wettkampf?! Vorbereitender Auftrag 1. Ein Modellauto soll ein leicht geneigtes Brett hinabrollen. Wähle die Neigung so, dass seine Geschwindigkeit nach dem Anstoßen konstant ist. a) Welche Kräfte wirken auf das rollende Auto? b) Warum ändert sich die Geschwindigkeit nicht? c) Wiederhole den Versuch mit anderen Autos und mit einer Stahl- oder Glaskugel. Wovon hängt es ab, wie stark die Ebene geneigt werden muss? 1 Gruppenexperiment Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. V1 Wenn ihr den Versuch von Tragt nun die drei KräfÜbertragt verschiedene Der Kopplungspunkt muss Bild 1 durchführt, könnt ihr Erfahte als Kraftpfeile auf Richtungen der Kräfte über dem gezeichneten Anden Wirkungslinien ein. auf je ein Blatt Papier. griffspunkt bleiben. rungen über die Kraftverhältnisse sammeln. Mit Kraftmessern kann 2 1 man die Situation nachstellen und genauer untersuchen. Versuchsmaterial: 3 Kraftmesser Versuchsaufbau und -durch3 führung: Vorsichtig ziehen! a) Drei Schüler oder Schülerinnen koppeln die Kraftmesser an einen Ring (oder aneinander). 2 Nun zieht gleichzeitig an den Kraftmessern auf den vorgegebenen Wirkungslinien Der Zusammenhang zwischen den drei Kräften be(Bild 2). Lest die Beträge der Kräfte ab. Zeichnet die steht in einer geometrischen Figur. Findet ihr sie? Tipp: Zeichnet zu einer Kraft die Gegenkraft. Kräfte als Kraftpfeile auf. b) Verwendet jetzt die Richtungen aus den Beispie- c) Untersucht auch den Sonderfall, dass zwei Kräfte parallel sind. len 2 und 3. Info: Das Kräfteparallelogramm In Bild 3 sind die drei Kräfte im Gleichgewicht. Den Zusammenhang zwischen ihnen erkennt man leichter, Á Á wenn man eine Kraft z. B. F3 durch ihre Gegenkraft FR → F3 → F1 → FR → F2 3 82 Á ersetzt. Diese Gegenkraft FR könnte den Körper gegen Á die Kraft F3 alleine in Ruhe halten, also die zwei übriÁ Á gen Kräfte F1 und F2 ersetzen. Sie heißt Ersatzkraft Á Á oder Resultierende der Kräfte F1 und F2. Á Verbindet man die Spitzen der Kraftpfeile von F1 Á Á und F2 mit der Spitze von FR, so erhält man bei allen Á Versuchen ein Parallelogramm, in dem FR die Diagonale ist – vorausgesetzt, man hat genau genug gemessen. Die Resultierende zu zwei Kräften hat auf den Körper die gleiche Wirkung wie die Einzelkräfte. Sie ist die Diagonale im Kräfteparallelogramm. 63716 Wechselwirkung – Kräftegleichgewicht – Kräfteaddition Info: Kräfteparallelogramm und Kräfteaddition 1 cm entspricht 100 000 N. Schlepper Seeschiff 4 1 cm entspricht 100 000 N. → F2 1 cm entspricht 100 000 N. → F2 → F2 → F1 → F1 → 1. Parallele zu F1 5 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. → F1 → 2. Parallele zu F2 6 Ersetzt man zwei (oder mehr) Kräfte, die denselben Angriffspunkt haben, durch ihre Resultierende, so spricht man von einer Kräfteaddition. Beispiel: In Bild 4 ziehen zwei Schlepper ein Schiff. Es gilt: F1 = 200 000 N und F2 = 160 000 N. Die Bilder 4–6 zeigen, wie man das KräfteparalleloÁ gramm zeichnet und so den Kraftpfeil von FR konstruiert. Aus der Zeichnung liest man ab: FR = 340 000 N. → FR → 3. Diagonale ist FR. In dem Fall, dass zwei Kräfte auf derselben Wirkungslinie am Körper angreifen, ist eine Konstruktion mit dem Kräfteparallelogramm unnötig (Bild 7): Wirken die Kräfte in gleicher Richtung, addieren sich die Beträge der Kräfte. Wirken zwei Kräfte auf derselben Wirkungslinie in entgegengesetzte Richtungen, ist die Resultierende die Differenz der beiden Kräfte. FR = 1200 N F1 = 600 N Mit Hilfe des Kräfteparallelogramms kann man zu zwei gegebenen Kräften die resultierende Kraft zeichnerisch ermitteln. Die Resultierende erhält man als Diagnonale im Kräfteparallelogramm. Á Á A1 Die Kräfte F1 und F2 haben denselben Angriffspunkt. F1 = 24 N, F2 = 18 N. Die Wirkungslinien bilden einen Winkel von 60°. Konstruiere die Resultierende. Wie verändert sie sich, wenn der Winkel größer wird? A2 In Bild 8 wirken drei Kräfte auf denselben Körper. Konstruiere die Resultierende, die alle drei Kräfte ersetzt. Tipp: Ersetze zuerst zwei Kräfte. 9 F1 = 50 N F2 = 50 N F2 = 600 N 7 FR = 0 A3 Die Zugkräfte in den Seilen, an denen die Lampe in Bild 9 hängt, haben jeweils einen Betrag von 30 N. Wie groß ist die Gewichtskraft auf die Lampe? A4 Ein Kellner, der mit einem Tablett losläuft, muss das Tablett schräg halten. Eigentlich müsste er zwei Kräfte ausüben (Bild 10): Er muss der Ge140° Á Á wichtskraft FG durch die Kraft F1 das Gleichgewicht halten. Das TaÁ blett muss durch F2 in Bewegung gesetzt werden. Á Er übt aber nur eine Kraft FR aus, → F die die beiden anderen ersetzt. Konstruiere die Resultierende für FG = 80 N und F2 = 15 N. 1 → F3 → F2 → F2 8 F1 = 30 N F2 = 40 N F3 = 50 N 63717 90° 50° → F1 10 → FG 83 Wechselwirkung – Kräftegleichgewicht – Kräfteaddition Zerlegung von Kräften Welcher Teil des Auslegers könnte auch ein Seil sein, welcher muss starr sein? Vorbereitende Aufträge 1. Ziehe einen Klotz mehrmals an einem Gummiband über den Tisch. Verändere dabei den Winkel zwischen Tisch und Gummiband. Was beobachtest du? Findest du eine Erklärung? üben, wenn man die Tasche trägt. Die Tasche wird von zwei Schülern mit verschiedenen Winkeln gehalten (Bild 2). Die Kräfte werden gea b messen. „Geteilte Last ist halbe Last.“ Unter welchen Umständen gilt dieser Satz? 2 2. Die Gewichtskraft auf eine Schultasche wird ermittelt. Eine gleich große, entgegengesetzt gerichtete Kraft muss man ausLizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 1 Info: Zerlegung von Kräften 1. Überlege dir zunächst die In Bild 3 hängt eine Last an einer → F Richtungen der Komponenten. In Stützvorrichtung. Die Last zieht dem Beispiel geben die Richtunan dem horizontal verlaufenden → → F F gen von Seil und Stange die RichSeil und drückt die schräg stehenÁ Á tungen von F1 und F2 an. de Stange gegen die Wand. Wir Á Last können daher die Kraft F durch 2. Bestimme die Beträge der 20 kg Á eine Kraft F1 in Richtung des Seils Komponenten. Zeichne dazu das Á Á und eine Kraft F2 in Richtung der Parallelogramm, in dem F die 1 cm entspricht 100 N. F = F = 200 N. Stange ersetzen. Diagonale ist. Aus der Zeichnung liest man ab: Á F = 220 N und F = 300 N. In diesem Beispiel stellt sich 3 Man sagt, die Kraft F ist in die Á Á das umgekehrte Problem wie bei Komponenten F1 und F2 zerlegt Á der Zusammensetzung von Kräften: Eine Kraft F ist worden. Á Á vorgegeben. Es sollen zwei Kräfte F1 und F2 gefunden Beispiel: Die Bilder 4–6 zeigen, wie man die Kraft Á werden, die zusammen dieselbe Wirkung wie F ha- bestimmt, die einen Schlitten beschleunigt. (Bei kleiben. Diese beiden Kräfte heißen Komponenten von nen Geschwindigkeiten kann man Reibungskräfte Á F. vernachlässigen.) Á Um Komponenten einer Kraft F zu bestimmen, Auch bei der Kräftezerlegung benutzt man das geht man in zwei Schritten vor: Kräfteparallelogramm. 1 2 G 1 2 FG = 1 000 N F1 = 600 N F2 = 800 N → F1 1 cm entspricht 4 00 N. 4 5 84 → F2 → FG → FG 6 → FG → F1 beschleunigt→ den Schlitten, F2 presst ihn in den Schnee. 63718 Wechselwirkung – Kräftegleichgewicht – Kräfteaddition A1 Susanne (45 kg) möchte eine Hängematte zwischen die Wände ihres Zimmers spannen. Welche Kräfte wirken auf die Aufhängung, wenn Susanne auf der Matte sitzt (Bild 7)? 50° a) Zerlege die Gewichtskraft in zwei Komponenten. Eine der Kom75° ponenten soll parallel, die andere senkrecht zur Straße sein. b) Bestimme die Beträge der beiden Komponenten. c) Wieso ist es sinnvoll, die Gewichtskraft in dieser Weise zu zerlegen? 45 kg 7 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. A2 Zwischen zwei Häusern ist ein Seil gespannt, an dem eine Lampe (m = 17 kg) hängt. Der Winkel zwischen den beiden Seilenden (am Aufhängepunkt der Lampe) beträgt 130°. Ermittle zeichnerisch die Zugkräfte in den Seilen. A4 Die Kräfte, die eine Wäscheleine aushalten muss, sind größer als die Summe der Gewichtskräfte, die auf die aufgehängten Wäschestücke wirken. Begründe! A3 Ein Auto (FG = 10 000 N) steht auf einer stark abschüssigen Straße. Der Winkel zwischen der Straße und der Waagerechten beträgt 20°. A5 Zwei Buben tragen einen Eimer. Der Winkel zwischen ihren Armen beträgt 30°. Jeder übt eine Kraft von 80 N aus. Wie groß ist die Gewichtskraft auf den Eimer? Aus Umwelt und Technik: Von Brücken und Fachwerkbauten Für Interessierte zum Weiterlesen 8 Die Eisenbahnbrücke in Bild 8 ist keine einfache Platte, die über den Fluss gelegt wurde, sondern eine komplizierte Stahlkonstruktion. Die Gewichtskräfte, die auf die Brücke selbst und auf einen durchfahrenden Zug wirken, werden auf die gesamte Konstruktion verteilt (Bild 9). Dadurch kann die Brücke Material sparend gebaut werden. Letztlich müssen die auftretenden Kräfte von den Lagern der Brücke aufgenommen werden. Durch die von oben angreifende Kraft spreizen sich die freien Enden der Balken. Kräfteparallelogramme zeigen, welche Kräfte in den Balken und an ihren Enden wirken. → FG Verteilung der Kräfte bei punktförmiger Last 9 10 Das Konstruktionsprinzip von Eisenbahnbrücken und auch von Fachwerkbauten (Bild 10) ist stets das gleiche: Durch diagonale Verbindungen in den Konstruktionen wird das Bauwerk stabilisiert (Bild 11). Der Querbalken erzeugt ein Gleichgewicht der waagerechten Kraftkomponenten an den Balkenenden. 11 63719 85 Wechselwirkung – Kräftegleichgewicht – Kräfteaddition Zusammenfassung Das Wechselwirkungsprinzip Wenn ein Körper auf einen zweiten Körper eine Kraft ausübt, so übt der zweite Körper eine gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Kraft auf den ersten Körper aus. Dieses von Newton formulierte Naturgesetz heißt Wechselwirkungsprinzip oder Gesetz von Actio und Reactio. Die beiden Wechselwirkungskräfte greifen stets an verschiedenen Körpern an. Kraft Wechselwirkungskraft Magnet Eisen 1 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Das Kräftegleichgewicht Meist wirken zwei oder mehr Kräfte gleichzeitig auf einen Körper. In Bild 2 wirken zwei Kräfte auf die Tasche: Die Gewichtskraft wirkt senkrecht nach unten. Und das Mädchen übt eine Kraft aus, die nach oben gerichtet ist. Die Tasche ist in Ruhe. Wenn auf einen Körper zwei gleich große Kräfte in entgegengesetzter Richtung wirken, herrscht Kräftegleichgewicht. Dann ändert sich die Bewegung dieses Körpers nicht. 2 Kräfte im Gleichgewicht greifen stets am selben Körper an. Wenn die Kräfte nicht auf einer Geraden liegen, können Drehungen auftreten. Die Gerade durch den Angriffspunkt, auf der ein Kraftpfeil liegt, bezeichnet man als Wirkungslinie der Kraft. Ein Kräftegleichgewicht liegt nur vor, wenn auch die Wirkungslinien der Kräfte zusammenfallen. Kräfteaddition und Kräfteparallelogramm Kräfte mit verschiedenen Richtungen und gemeinsamem Angriffspunkt können durch eine einzige Kraft ersetzt werden. Man spricht von Kräfteaddition. Der Kraftpfeil der Resultierenden ergibt sich als Diagonale des Kräfteparallelogramms. → F2 → FR → F1 3 Haben die Kräfte die gleiche Wirkungslinie und gleiche Richtung, so hat die Resultierende dieselbe Richtung. Die Beträge der Einzelkräfte addieren sich. Bei entgegengesetzten Richtungen subtrahiert man die Beträge. 86 63720 Wechselwirkung – Kräftegleichgewicht – Kräfteaddition Kräftezerlegung Eine Kraft kann in Komponenten zerlegt werden. Bei vorgegebenen Richtungen der Kraftkomponenten ergeben sich ihre Beträge durch das Kräfteparallelogramm. 4 FG Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Alles klar? 1. Ein Wägestück hängt ruhig an einer Feder. Welche Kräfte wirken auf das Wägestück? Was kannst du über die Resultierende aussagen? 2. Welche Kräfte wirken auf einen Radfahrer, der mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geraden Straße fährt? Was kannst du über die Kräfte aussagen? 3. Beim Weltraumspaziergang verwendet der Astronaut von Bild 5 eine Gaspistole, aus der er bei Bedarf Gas ausströmen lassen kann. Wozu ist die Pistole nötig? 4. In einer Fahrstuhlanlage (Bild 6) übt das „Gegengewicht“ eine Kraft von 3000 N auf die Kabine aus. Mit welcher Kraft muss die Seilwinde die Kabine halten? 5. Zwei Personen ziehen mit Seilen unter einem Winkel von 90° an einem Eisenring. Die Kräfte betra- gen F1 = 560 N und F2 = 780 N. Eine dritte Person hält den Eisenring im Kräftegleichgewicht. Welche Kraft muss sie ausüben? Á Welchen Winkel bildet diese Kraft mit der Kraft F1? 6. Ein Handwagen (Bild 7) wird mit der Kraft F = 250 N gezogen. Der Winkel zwischen der Deichsel und der Horizontalen beträgt 30°. Bestimme die Beträge der horizontalen und der vertikalen Kraftkomponente. Welche Wirkung hat jede Komponente für sich? 7. Das Seil, an dem der Eimer (FG = 120 N) in Bild 8 hängt, ist 1,2 m lang und an zwei Haken in der Decke befestigt. Die Haken haben einen Abstand von 80 cm. a) Ermittle zeichnerisch die Zugkräfte am Seil. b) Wie groß ist die Kraft, die am Haken senkrecht nach unten zieht? c) Wie ändern sich die Kräfte bei einem längeren Seil? F = 250 N Winde 30º 7 FR F2 = 3000 N F1 = 4500 N 80 cm FG = 120 N 5 63721 6 8 87 Die Masse Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Körper sind unterschiedlich träge 1 Der Bewegungszustand eines Körpers kann sich nur ändern, wenn eine Kraft auf ihn wirkt. In diesem Satz steckt die Erklärung für das Geschehen auf den Bildern 1 u. 2 … 2 Vorbereitende Aufträge 1. Lege ein Blatt Papier unter einen Pappbecher, der am Tischrand steht. Gelingt es dir, das Papier wegziehen, ohne dass der Becher umkippt oder vom Tisch fällt? Er soll einmal leer und einmal gefüllt sein. 2. Zwei verschieden große Stahlkugeln werden mit gleicher Kraft ruckartig angestoßen. Welche der beiden Kugeln erreicht die größere Geschwindigkeit? Wasser oder Sand 3 V1 Dass man zur Änderung der Geschwindigkeit oder Bewegungsrichtung eines Körpers eine Kraft benötigt, kannst du an einem Wagen beobachten, auf dem ein Holzklotz liegt. Beschreibe jeweils die Bewegungen von Holzklotz und Wagen. Erkläre, wie sie zustande kommen. a) Gib dem Wagen einen Stoß, sodass er ruckartig anfährt. b) Lass den Wagen auf ein Hindernis prallen. Wiederhole den Versuch mit einem Gummiband als „Sicherheitsgurt“ (Bild 4). c) Ziehe den Wagen mit dem Klotz mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus. Lass ihn dann eine enge Kurve durchfahren. 88 3. Was wird passieren, wenn du das Brettchen schnell zur Seite wegziehst (Bild 3)? Vielleicht übst du zuerst lieber mit einem Apfel statt mit einem Ei. V2 Befestige zwei unterschiedlich schwere Wagen an Federn, die durch eine Stange verbunden sind (Bild 5). Wenn du gleichmäßig ziehst, ändert sich die Geschwindigkeit der beiden Autos in gleicher Weise. Vergleiche die Verlängerung der beiden Federn. Gummiband 4 5 63696 Die Masse Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Info: Die Trägheit ■ Erfahrungen beim Busfahren Beim ruckartigen Bremsen in einem Bus drohst du nach vorne zu fallen. Denn solange keine Kraft auf dich wirkt, bewegst du dich mit gleich bleibender Geschwindigkeit weiter. Deine Geschwindigkeit ändert sich nur, wenn eine nach hinten gerichtete Kraft auf dich wirkt. Deshalb musst du dich festhalten. Du übst dann eine Kraft auf die Haltestange aus – und die Haltestange auf dich (Wechselwirkungsprinzip, Bild 6). Beim scharfen Anfahren in einem Auto hast du den Eindruck, du wirst in den Sitz „gepresst“. Um deinen Körper zu beschleunigen, muss eine Kraft auf ihn wirken. Diese Kraft kann nur durch die Verformung der Rückenlehnen entstehen, die zusammen mit dem Auto beschleunigt werden. Die Rückenlehnen üben also eine vorwärts gerichtete Kraft auf dich aus – und nach dem Wechselwirkungsprinzip übst du eine Kraft auf die Rückenlehne nach hinten aus. Diese Kraft verspürst du als „Anpresskraft“ (Bild 7). Auch zum Kurvenfahren sind Kräfte nötig, denn ohne eine Kraft ändert sich die Bewegungsrichtung eines Körpers nicht. richtung beizubehalten oder in Ruhe zu bleiben, wenn er in Ruhe ist. Er widersetzt sich gleichsam jeder Änderung dieses Zustands (der Bewegung oder der Ruhe). Wir sagen, Körper sind träge. Die Trägheit ist eine Eigenschaft aller Körper oder Gegenstände. Alle Körper sind träge. Sie bleiben in dem Zustand der Bewegung, in dem sie gerade sind, solange keine Kraft auf sie wirkt. ■ Beispiele zur Trägheit „Supertanker“ (Bild 8) haben eine sehr große Masse und sind somit sehr träge. Wenn ein solches Schiff in voller Fahrt ist, hat es einen sehr langen „Bremsweg“. Schon 5 bis 10 km vor dem Ziel müssen die Maschinen auf „rückwärts, volle Fahrt“ geschaltet werden, damit ein Schiff rechtzeitig zum Stillstand kommt. Für raschere Bewegungsänderung reicht die von der Schiffsschraube erzeugte Kraft nicht aus. Zieht man in Bild 9 das Blatt Papier schnell genug weg, so fällt das Wägestück senkrecht nach unten auf den Tisch, während der Styroporblock neben dem Tisch zu Boden fällt. Das Wägestück ist viel träger als der Styroporblock. Beim Wegziehen des Papiers treten Reibungskräfte auf. Sie sind groß genug, um den wenig trägen Styroporblock auf eine hohe Geschwindigkeit zu bringen. Der Bewegungszustand des viel trägeren Wägestücks kann jedoch kaum verändert werden. Es wird daher nicht zur Seite mitgerissen und fällt nach unten auf den Tisch. ■ Trägheit von Körpern Beim Anfahren, Bremsen und Kurvenverfahren macht man folgende Erfahrung: Unser Körper hat das Bestreben, seine Geschwindigkeit und Bewegungs- bremsende Kraft auf Person beschleunigende Kraft auf die Person Kraft auf die Haltestange Kraft auf Rückenlehne 6 8 63697 7 9 89 Die Masse A1 Erläutere das Geschehen in den Bildern 1–3 mit dem Begriff Trägheit. A5 Ein mit Wasser gefüllter Teller wird ruckartig angeschoben bzw. mit konstanter Geschwindigkeit bewegt und dann abrupt angehalten. Überlege, nach welcher Seite das Wasser jeweils überschwappt. A2 20 gleiche Münzen sind übereinander gestapelt. Die unterste soll entfernt werden, ohne dass man den Stapel anhebt oder umkippt … Wenn der Stapel kleiner ist, wirst du es kaum noch schaffen. Warum nicht? A6 Ein fallender Teller zerbricht auf einem Steinfußboden eher als auf einem Teppichboden. Begründe! A3 Bei welchen Fahrmanövern von Bussen ist es wichtig, dass sich stehende Fahrgäste gut festhalten? Begründe physikalisch. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 1 A4 Wenn bei einem Hammer der Kopf nur noch lose auf dem Stiel sitzt, stößt man den Stiel kräftig auf den Boden – und der Schaden ist behoben. Erkläre diese Vorgehensweise physikalisch. 2 3 physikextra www.cornelsen.de/physikextra Verkehrserziehung: Nie ohne Sicherheitsgurt! Was bei einem Zusammenstoß passiert, zeigt Bild 4. Im folgenden Zeitschriftenartikel ist es anschaulich beschrieben. Sie fliegen noch, wenn der Wagen schon steht Nehmen wir an, Sie sitzen in einem Mittelklassewagen und fahren mit 50 km/h gegen einen Baum. Dann wird das Vorderteil des Wagens um ca. 60 cm zusammengedrückt. Auf diesen 60 cm „Bremsweg“ kommt das Auto zum Stehen. Sie haben zum Zeitpunkt des Aufpralls die gleiche Geschwindigkeit wie das Fahrzeug. Ohne Gurt schießen Sie also mit 50 km/h weiter nach vorn. Gut, die Reibung auf dem Sitz bremst Sie geringfügig ab. Und vielleicht haben Sie den Unfall kommen sehen und können sich 60 Millisekunden lang abstützen. Doch das hilft auch nicht viel – Sie fliegen unaufhaltsam weiter. Sie treffen erst dann auf das Armaturenbrett, wenn der Wagen schon zerknautscht und zum Stehen gekommen ist. Ihr Bremsweg ist daher nicht länger als 4 cm – so weit beult sich ein Armaturenbrett ein. Der Aufprall ist so stark, als habe eine 4–5 Tonnen schwere Keule zugeschlagen. Und wenn Ihr Kopf gegen den unnachgie90 4 bigen Dachrahmen prallt, ist der Schlag noch viel stärker und auf jeden Fall tödlich. Anders mit Gurt. Hier werden Sie aufgefangen, bevor Sie das Armaturenbrett, den Dachrahmen oder die Windschutzscheibe erreichen. Sie werden abgebremst, weil der Gurt sich 20–25 cm dehnt. Und Sie werden zusätzlich abgebremst, weil Sie von Anfang an mit dem Fahrzeug verbunden sind. Deshalb können Sie an der Verzögerung des Wagens teilnehmen und so von der Knautschzone profitieren. Und deshalb müssen Sie Sicherheitsgurte anlegen – und zwar immer! 63698 Die Masse Die Masse und ihre Messung Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Sumoringer bringen große „Massen“ auf die Kampffläche (Bild 5). Bei ihren Kampftechniken kommt es nämlich nicht nur auf die Gewichtskraft, sondern auch auf die Trägheit der Kämpfer an … 5 Vorbereitender Auftrag 1. Du brauchst drei gleiche Münzen. Lege eine Postkarte über zwei Stuhllehnen und darauf eine einzelne Münze und zwei zusammengeklebte Münzen (Bild 6). Ziehe die Postkarte ruckartig zur Seite. Treffen die zusammengeklebten Münzen eher auf dem Boden auf als die Einzelmünze? Auf die beiden Münzen wirkt die doppelte Gewichtskraft wie auf die Einzelmünze. Was kannst du aus deiner Beobachtung in Bezug auf die Trägheit der beiden Körper schließen? 6 Info: Zusammenhang von Trägheit und Schwere In Bild 7 wurden zwei Gegenstände gleichzeitig fallen gelassen: eine Münze und zwei gleiche, zusammengeklebte Münzen. Sie wurden in Zeitabständen von 0,05 s fotografiert. Das Bild zeigt: Die Bewegungszustände beider Körper ändern sich in gleicher Weise, obwohl die Gewichtskraft auf den einen Körper doppelt so groß ist wie die auf den anderen. Der doppelt so schwere Gegenstand ist also auch doppelt so träge. Vergleicht man Schwere und Trägheit, dann stellt man fest, dass bei zunehmender Schwere der Körper auch ihre Trägheit wächst. So muss man sich z. B. bei schwereren Körpern mehr anstrengen, um sie in Bewegung zu setzen oder um sie anzuhalten, wenn sie in Bewegung sind. Je schwerer ein Körper ist, umso träger ist er auch. Wir können annehmen, dass Körper, die gleich schwer sind, auch gleich träge sind. Ein Körper besitzt immer Trägheit und zeigt bei der Gravitation mit anderen Körpern Schwere. Man fasst Trägheit und Schwere eines Körpers in der physikalischen Größe Masse zusammen. Ein Körper mit größerer Masse als ein anderer hat also die größere Trägheit und die größere Schwere. Die Masse beschreibt eine unveränderliche Eigenschaft eines Körpers. Sie ist nicht ortsabhängig. So bleibt die Masse eines Astronauten während eines Raumflugs unveränderlich, während seine Gewichtskraft z. B. auf dem Mond nur 61– der irdischen Gewichtskraft beträgt. 7 63699 91 Die Masse Info: Die Masse als physikalische Größe Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 1 2 ■ Masse – Trägheit und Schwere Masse ist die physikalische Größe, die Trägheit und Schwere eines Körpers beschreibt. Um sie messtechnisch zugängig zu machen, kann also die Trägheit oder die Schwere benutzt werden. Eine Trägheitsmessung durchzuführen würde bedeuten: Man müsste eine Kraft auf den Körper wirken lassen und messen, wie dadurch der Bewegungszustand des Körpers geändert wird. Solche Messungen sind zwar möglich, aber recht kompliziert. Wir benutzen die Schwere eines Körpers zur Messung seiner Masse. Schraubenfedern wie bei der Kraftmessung kann man nicht verwenden, da die Gewichtskraft von Ort zu Ort verschieden sein kann. Dennoch lassen sich durch einen „Trick“ die Gewichtskräfte auf Körper zum Vergleichen ihrer Massen benutzen: Eine Balkenwaage (Bild 1) wird durch die Gewichtskräfte ausgelenkt, die auf die beiden Körper in den Waagschalen wirken. ■ Festlegung der Masse als physikalische Größe 1. Schritt: Gleichheit Ist die Waage im Gleichgewicht, sind die Gewichtskräfte auf die Gegenstände in den Waagschalen gleich groß. Gleichheit der Gewichtskräfte bedeutet aber, dass sie gleich schwer (und gleich träge) sind. Die Massen zweier Körper sind gleich, wenn die Körper eine Balkenwaage ins Gleichgewicht bringen. Eine Balkenwaage, die auf der Erde im Gleichgewicht ist, wäre auch auf dem Mond im Gleichgewicht (Bild 2). Die Gewichtskräfte auf die Körper wären dort zwar kleiner, aber das würde für beide Seiten der Waage gelten. 92 3 Probleme gäbe es nur, wenn man die Balkenwaage an einen Ort brächte, an dem überhaupt keine Schwerkraft mehr wirkt. An einem solchen Ort, z. B. im Weltraum, weitab von Gestirnen, könnte man die Masse nur durch Trägheitsmessungen bestimmen. 2. Schritt: Einheit Als Masseneinheit verwendet man die Masse des in Bild 3 gezeigten Zylinders. Man nennt diesen Körper Urkilogramm. Der Zylinder besteht aus den Metallen Platin und Iridium. Das Urkilogramm wird im Internationalen Institut für Maße und Gewichte in Sèvres bei Paris aufbewahrt. Deutschland besitzt – wie andere Staaten auch – eine Kopie des Urkilogramms. Diese Kopie wird in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig aufbewahrt. Die Einheit der Masse m ist 1 Kilogramm. Sie ist durch die Masse des Urkilogramms festgelegt. 3. Schritt: Vielfachheit Für Messungen mit der Balkenwaage braucht man einen Satz Wägestücke. Um z. B. ein 2-kg-Wägestück zu erhalten, muss man ein Wägestück herstellen, das die gleiche Masse hat wie zwei 1-kg-Stücke zusammen. 500-g-Wägestücke erhält man, wenn man zwei Wägestücke gleicher Masse herstellt, die zusammen die gleiche Masse haben wie ein 1-kg-Stück … Vielfache der Einheit erhält man durch die Festlegung: Zwei, drei, vier … Körper gleicher Masse haben zusammen die doppelte, dreifache, vierfache … Masse wie der einzelne Körper. Größen wie die Länge oder die Masse, bei denen das Messverfahren durch die drei Schritte festgelegt ist, heißen Grundgrößen. Bei der ursprünglichen Festlegung ihrer Einheit war keine andere Größe nötig. 63700 Die Masse Aus dem Alltag: Die Balkenwaage ist „out“ Das Bestimmen der Masse mit einer Balkenwaage ist umständlich und zeitaufwendig. Daher wurden Waagen konstruiert, bei denen die „Balken“ ungleich lang sind und bei denen der Wägesatz durch fest angebrachte Wägestücke ersetzt ist. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 4 Beispiele dafür sind die Briefwaagen (Bild 4) und die Schnellwaagen (Bild 5). In Geschäften wie Metzgereien und in Labors werden heute Massen mit elektronischen Waagen gemessen (Bild 6). 5 6 Aus der Technik: Waagen müssen geeicht werden Für Interessierte zum Weiterlesen Früher gab es für den Gebrauch falsch anzeigender Waagen oder falscher Gewichte (Wägestücke) harte Strafen (Á Urkunde). Heute ist gesetzlich vorgeschrieben, dass alle Waagen, die in Geschäften benutzt werden, alle zwei Jahre vom Eichamt überprüft werden. Zur Überprüfung einer Waage werden besondere Wägestücke („Gebrauchsnormale“) auf die Waagschale gelegt (Bild 7). Wie genau die Waage anzeigen muss, hängt vom Eichwert (e) ab. Er ist auf jeder Waage angegeben. Bei der abgebildeten Waage beträgt der Eichwert e = 2 g. Bis zu einer Belastung von 500 · e (also hier bis zu 500 · 2 g = 1000 g) darf die Waage um den Wert ± 12– · e (d. h. um ±1 g) falsch anzeigen. Zwischen 1 kg und 4 kg darf ihre Anzeige etwas ungenauer sein, nämlich ±1 · e (also ±2 g). Die Gebrauchsnormalen müssen jährlich geeicht werden. Sie werden mit den „Kontrollnormalen“ im Eichamt verglichen. Diese werden alle fünf Jahre mit Hilfe 63701 Urkunde verliehen der Stadt Nowgorod Anno 1135 Der Bischof soll Maße und Gewichte überwachen. Strafe für ungerechten Gebrauch von Maßen und Gewichten: Hinrichten zum Tode und die Habe in drei Teile teilen — einen Teil der Sophienkirche, einen Teil der Iwanowskaja und einen Teil den Hundertschaftsführern von Nowgorod. Fürst Wsewolod der „Hauptnormalen“ der Landeseichdirektion überprüft. Und die Hauptnormalen müssen ebenfalls verglichen werden, und zwar alle zehn Jahre mit einer Nachbildung des Urkilogramms in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Stellt sich heraus, dass eine Gebrauchsnormale durch Abnutzung zu leicht geworden ist, so bohrt man in ihren Boden ein Loch und steckt etwas Bleidraht hinein. Das Loch wird dann mit einem Messingstopfen verschlossen. Dabei macht man das Wägestück absichtlich etwas zu schwer, denn zum Schluss wird der Boden noch glatt geschliffen, bis es wieder die richtige Masse hat. A1 Beschreibe, wie man Waagen eicht. Was bedeutet der Begriff Eichwert? 7 Max. 4 kg Min. 5 g e=2g A2 Der Beamte überprüft eine Waage mit dem Eichwert e = 5 g. Bei einem 500-g-Wägestück zeigt sie 488 g an. Entspricht die Waage den Vorschriften? 93 Die Masse Gruppenexperiment Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. V1 Für die Festlegung der Einheiten von Kraft und Masse haben wir die Gewichtskräfte verwendet. Dieser Versuch soll ein „Gefühl“ für den Zusammenhang von Gewichtskraft und Masse vermitteln. Versuchsmaterialien: Kraftmesser, Wägestücke Versuchsaufbau und -durchführung: Hängt verschiedene Wägestücke an einen Kraftmesser (Bild 1). Notiert die Messergebnisse in einer Tabelle. Versuchsauswertung: Trage die Messwerte in ein Koordinatensystem ein (Muster in Bild 2). Der entstehende Graph beschreibt einen Zusammenhang, den du aus der Mathematik kennst. Erläutere! FG in N ? ? ? m in kg ? ? ? FG in N — m ? ? ? FG in N 4 r e t s 3 Mu 2 1 0 1 2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 m in kg Info: Der Ortsfaktor Masse und Gewichtskraft sind an jedem Ort proportional: FG ~ m. Zusammengehörende Wertepaare (FG | m) sind also quotientengleich. Für den Quotienten verwenden Mars N 3,7 kg N Jupiter 23 kg Venus Merkur N 8,8 kg Erde N 9,8 kg Mond N 1,8 kg N 3,7 kg N 280 kg Sonne 3 wir das Symbol g. Er hat bei uns den Wert N F g = —G = 9,81 — . m kg Das bedeutet: Ein Körper von 2 kg Masse erfährt bei uns die Gewichtskraft 2 · 9,81 N = 19,62 N, auf einen Körper von 10 kg wirken 10 · 9,81 N = 98,1 N. Mit der Gewichtskraft hängt auch der Faktor g vom Ort ab. Er heißt Ortsfaktor. Der Ortsfaktor g ist umso der größer, je stärker der beteiligte Himmelskörper Gegenstände an seiner Oberfläche anzieht (Bild 3). Auch auf der Erde ändert sich der Ortsfaktor. Ein Körper der Masse 1 kg erfährt am Äquator eine Gewichtskraft von 9,78 N, am Nordpol dagegen 9,83 N. Auf der Erde kann man die geringen Schwankungen des Ortsfaktors meist vernachlässigen. N FG ≈ 10 — . Der Ortsfaktor beträgt auf der Erde g = — m kg A1 Die Ausrüstung eines Astronauten wiegt 84 kg. a) Welche Gewichtskraft würde ein Kraftmesser auf dem Mond (auf der Erde) anzeigen, wenn man dort die Ausrüstung anhängen würde? b) Welche Kraft muss ein Astronaut auf dem Mond (auf der Erde) ausüben, um die Ausrüstung zu tragen? A3 Stell dir vor, es gäbe keine Anziehungskräfte. Was würde geschehen, wenn du einen Ball wirfst oder ein Tablett mit Geschirr trägst und dann loslässt? A2 Ordne die Himmelskörper in Bild 3 nach den Ortsfaktoren. Auf welchem Himmelskörper ist die Anziehungskraft etwa so groß wie auf der Erde? A5 Ein Gewichtheber hält eine Hantel von 180 kg. Welche Kraft muss er auf die Hantel ausüben? Wie groß ist die zum Halten nötige Kraft auf dem Mond? 94 A4 Woran könnte es liegen, dass Himmelskörper einen Gegenstand verschieden stark anziehen? 63702 Die Masse Zusammenfassung Die Trägheit Die Masse Alle Körper sind träge. Sie ändern ihren Bewegungszustand nur, wenn eine Kraft auf sie wirkt. Die Masse eines Körpers gibt an, wie träge er ist oder wie schwer er ist. Je träger der Körper ist, desto größer ist seine Masse. Die Masse ist nicht ortsabhängig. Wenn ein Körper in Ruhe ist und auf ihn keine Kraft wirkt, bleibt er in Ruhe. Wenn ein Körper in Bewegung ist und auf ihn keine Kraft wirkt, bewegt er sich mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus weiter. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 4 Körper können unterschiedlich träge sein. Das heißt: Man braucht unterschiedlich große Kräfte, um den Bewegungszustand dieser Körper in gleicher Weise zu ändern. An einem bestimmten Ort haben zwei Körper genau dann gleiche Massen, wenn auf sie gleich große Gewichtskräfte wirken. Diese Tatsache nutzt man bei der Balkenwaage. Man vergleicht die Gewichtskraft, die auf einen Körper wirkt, mit der Gewichtskraft auf die Wägestücke. Ist die Waage im Gleichgewicht, so sind die Gewichtskräfte und damit die Massen gleich. Die Einheit der Masse m ist 1 Kilogramm. 1 kg ist die Masse des Urkilogramms. 1 kg = 1000 g. 1 kg 6 Der Ortsfaktor g gibt das Verhältnis von Gewichtskraft und Masse an einem bestimmten Ort an. N N F ≈ 10 . An der Erdoberfläche gilt: g = G = 9,81 m kg kg 5 Alles klar? 1. Ein Raumschiff bewegt sich antriebslos durch das Weltall. Darin befinden sich ein massiver und ein hohler Eisenzylinder. Sie unterliegen praktisch keiner Gravitation. Äußerlich sehen beide gleich aus. Ein Astronaut nimmt in jede Hand einen der beiden Zylinder, schüttelt sie – und weiß sofort, welches der massive ist … Erkläre! 2. Bild 7 zeigt eine Waage. a) Welche physikalische Größe misst diese Waage aufgrund ihrer Konstruktion? Warum kann man die Skala dennoch in kg angeben? b) Was beobachtest du, wenn du auf der Waage schnell in die Knie gehst oder dich streckst? Erkläre! c) Was zeigt die Waage für eine 48-kg-Person auf dem Mond an? Ist die Anzeige korrekt? 63703 7 d) Misst die Waage überall auf der Erde mit gleichen Ergebnissen? 3. 1969 startete eine 110 m lange Rakete mit einem Raumschiff zur ersten Landung von Menschen auf dem Mond. Beim Start betrug die Masse der Rakete mit Treibstoff und Nutzlast 2900 t. a) Welche Schubkraft musste die Zahnrad und Zahnstange Hebelsystem zur Rakete beim Start mindestens bewegen das Skalenblatt. Kraftübertragung entwickeln? Schraubenfeder b) Das Fluggerät, das vom Mond startete, hatte eine Masse von Skalenblatt 4,6 t. Welche Schubkraft war beim Start mindestens erforderlich? c) Das erste Mondauto (1971) hatte die Masse m = 240 kg. Hätte ein Astronaut auf der Erde oder auf dem Mond das Auto anheben Hebelsystem vereinfacht können? Begründe! 95 Vom Aufbau der Körper – das Teilchenmodell Eigenschaften von Körpern Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Im Sammelbehälter für Altglas werden gebrauchte Flaschen und Schraubgläser gesammelt – also einzelne Körper. Die Körper werden nicht wieder verwendet, wohl aber der Stoff, aus dem sie bestehen, nämlich das Glas. Aus dem Stoff Glas können wieder neue Produkte, also Körper, hergestellt werden. 1 2 Vorbereitende Aufträge 1. Stecke einen Trichter in eine Flasche und dichte den Flaschenrand mit Knetgummi ab (Bild 3). Lässt sich Wasser einfüllen? Mit einem Trick läuft das Wasser in die Flasche: Du verschließt einen Trinkhalm mit dem Finger und steckst ihn durch den Trichter (Bild 4). Dann nimmst du den Finger weg, drückst ihn wieder drauf, nimmst ihn weg usw. 3. Fülle ein Glas halb voll mit Wasser. Tauche Löffel, Gabeln … ein. Beobachte den Wasserstand. 4. Wie kannst du feststellen, ob Büroklammern aus Kunststoff oder aus Eisen bestehen? 2. Tauche ein leeres Wasserglas mit der Öffnung nach unten in ein mit Wasser gefülltes Becken. Fließt Wasser in das Glas hinein? 3 96 4 63722 Vom Aufbau der Körper – das Teilchenmodell Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Info: Körper und Stoff Die Begriffe Körper und Stoff begegnen uns immer wieder in der Umgangssprache. Unter einem Körper versteht man z. B. den Körper eines Menschen. Wir reden auch von Heizkörpern und Fremdkörpern. Aus Stoff wird Kleidung hergestellt. Wir sprechen auch von Klebstoff, Farbstoff, Kunststoff und Treibstoff. Viele Begriffe haben in der Umgangssprache eine andere Bedeutung als in der Physik. Das gilt auch für die beiden Begriffe Körper und Stoff. In der Physik bezeichnet man alle Gegenstände und Lebewesen als Körper. Zu den Körpern gehören z. B. Büroklammern, Bleistifte, Nägel, Bücher, Blätter von Bäumen und Tiere. Als Stoff bezeichnet man das, woraus ein Körper besteht. Der Körper Tasse besteht aus dem Stoff Porzellan. Es gibt feste, flüssige und gasförmige Körper. Ein Eisberg ist ein fester Körper. Das Wasser im See ist ein flüssiger Körper. Ein gasförmiger Körper ist die Luft in einem Ballon. Aus welchem Stoff ein Körper besteht, kann man an verschiedenen Eigenschaften erkennen: Bei einer Büroklammer kann man mit einem Magneten prüfen, ob er aus Eisen oder aus Kunststoff besteht. Körper aus Eisen werden nämlich von Magneten angezogen, Körper aus Kunststoff dagegen nicht. Eine weitere Eigenschaft, an der man den Stoff erkennen kann, ist die Farbe. So erkennt man Silber an der silbrigen Farbe. Ob gleich große Würfel aus Blei oder Eisen bestehen, kann man mit Hilfe einer Waage oder eines Kraftmessers untersuchen. Man erkennt den Unterschied an der Masse oder an der Gewichtskraft. Körper können einander verdrängen: Wenn man Saft in ein Glas gießt, verdrängt er die Luft im Glas. Zwei Körper können nicht gleichzeitig an ein und demselben Platz sein. Jeder Körper nimmt einen bestimmten Raum ein. Den Rauminhalt eines Körpers bezeichnet man als Volumen. Körper bestehen aus Stoffen und haben verschiedene Eigenschaften: – Körper besitzen eine Masse. – Körper nehmen einen Raum ein und können einander verdrängen – sie haben ein Volumen. – Körper können fest, flüssig oder gasförmig sein. A1 Körper oder Stoff? Ordne in einer Tabelle: Glas, Kunststoff, Becher, Nagel, Brett, Silber, Gabel, Bleistift, Blech, Blatt, Kupfer, Dachrinne, Kohle, Eisen, Draht, Blei, Metall, Kupfermünze, Eisenblech. A2 Körper können aus verschiedenen Stoffen bestehen. Übertrage die Tabelle und ergänze Beispiele. Körper Stoffe, aus denen sie bestehen können Becher ? Kunststoff, Porzellan ? A3 Aus ein und demselben Stoff können verschiedene Körper hergestellt werden. Nenne Beispiele! Stoff Körper, die aus diesem Stoff bestehen Eisen ? Schraube, Nagel, … ? 63723 A4 Oft bestehen Körper aus mehreren Stoffen. Übertrage die Tabelle und nenne Beispiele! Körper Stoffe Schuh ? Leder, Gummi ? A5 Warum haben Trichter am Einfüllrohr Verdickungen (Bild 5)? 5 A6 Körper können einander verdrängen. Nenne Beispiele! Vorgang Eingießen von Tee in eine Tasse ? Körper, der verdrängt Körper, der verdrängt wird Tee ? Luft ? 97 Vom Aufbau der Körper – das Teilchenmodell Wie sind Körper aufgebaut? Viele feste Stoffe bilden regelmäßig geformte Körper. Diese Körper heißen Kristalle. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 1 2 3 Vorbereitende Aufträge 1. So kannst du Kristalle „züchten“: Du benötigst Zucker, Salz und zwei Glasgefäße (z. B. leere Marmeladengläser). Fülle die Gefäße zur Hälfte mit Wasser und erhitze sie in einem Topf mit Wasser. Streue unter Rühren nach und nach so viel Zucker (Salz) in das erhitzte Wasser im Gefäß, bis sich nichts mehr auflöst. Stelle die Gefäße auf eine dicke Unterlage (z. B. eine dicke Zeitung). Hänge je drei kurze Wollfäden in die Gläser. Lasse alles einige Tage lang stehen. Für größere Kristalle streifst du von den Fäden alle Kristalle bis auf zwei oder drei ab. Gieße die Lösung in ein anderes Gefäß um und hänge die kleinen Kristalle hinein. Warte ein paar Tage … 2. Beschreibe die Form der gezüchteten Kristalle. a) Versuche vorsichtig die Kristalle zu zerkleinern. Schau dir die Bruchstücke an. b) Zerschlage einige deiner Kristalle mit einem Hammer und untersuche die Bruchstücke mit einer Lupe oder einem Mikroskop. Was stellst du fest? 3. Zerschlage andere Kristalle. Untersuche die Bruchstücke mit Lupe oder Mikroskop. Info: Das Teilchenmodell Feste Körper lassen sich durch Zerstoßen oder Zerschlagen in kleine Bruchstücke zerlegen. Wenn du einen Körper in Wasser auflöst, kannst du auch mit einem Mikroskop keine Bruchstücke mehr sehen. Erstaunlich ist, dass aus der Lösung wieder ein Kristall wachsen kann und dass die Kristalle eines Stoffs immer dieselbe Form haben. Das Wachsen eines Kristalls erinnert an das Zusammenbauen von Legosteinen: Aus den gleichartigen Steinen lassen sich regelmäßige Körper bauen. Du kannst das Entstehen eines Kristalls erklären, wenn du Folgendes annimmst: Beim Auflösen wird der Kristall in immer kleinere Bruchstücke und 98 schließlich in einzelne Teilchen zerlegt. Sie sind so winzig, dass sie auch mit dem besten Mikroskop nicht sichtbar gemacht werden können. Diese Teilchen können wieder zu einem Kristall zusammenwachsen. Teilchen können auch unregelmäßige Körper bilden – ähnlich wie Legosteine. Solche Vorstellungen, wie wir sie uns z. B. vom Aufbau eines Körpers machen, nennt man Modell. Modelle sind Hilfen um Beobachtungen zu erklären. Wir stellen uns vor, dass alle Körper aus kleinsten Teilchen aufgebaut sind. Oft reicht es aus, wenn man sich die Teilchen als kleine Kugeln vorstellt. 63724 Vom Aufbau der Körper – das Teilchenmodell Die Größe der Teilchen Ein Tropfen Öl auf der nassen Straße ergibt einen großen Ölfleck. Wie dünn kann eigentlich eine Ölschicht höchstens sein? V2 Löse ein Körnchen Kaliumpermanganat in einem Reagenzglas voll Wasser auf. Gieße dann die Hälfte der Lösung ab und fülle das Glas wieder mit Wasser auf. Wiederhole den Vorgang. Nach wie vielen Wiederholungen erkennst du gerade noch eine Rotfärbung des Wassers? Berechne das Volumen des Wassers, auf das sich das Körnchen verteilt hat. 4 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. V1 Löse eine bestimmte Menge Zucker in Wasser auf. Vergleiche das Gesamtvolumen von Zucker und Wasser vorher und nachher. Info: Wie klein sind die Teilchen? Wie klein sind die Teilchen? Die Frage scheint schwierig – und doch gibt schon der recht einfache Ölfleckversuch Auskunft darüber. Öl breitet sich auf Wasser zu einer sehr dünnen Schicht aus. Wenn die Ölschicht aus einer einzigen Lage von Teilchen besteht, ist die Höhe der Ölschicht gleich dem Durchmesser eines Ölteilchens. Die Schichtdicke lässt sich leicht berechnen, wenn man einen Öltropfen mit bekanntem Volumen auf eine Wasserfläche tropfen lässt und den Flächeninhalt des Ölflecks bestimmt (Kasten 5). Die Teilchendurchmesser liegen in der Größenordnung von einem millionstel Millimeter. Der Ölfleckversuch 1. Man löst Öl in Leichtbenzin im Verhältnis 1 : 1000. In 1 cm3 Benzin befindet sich 1 mm3 Öl. Ein Tropfen der Lösung wird auf Wasser gebracht, das mit Korkmehl bestreut ist. Es bildet sich ein großer Fleck, der sich rasch zusammenzieht, da das Benzin verdunstet. Übrig bleibt ein Ölfleck (s. Bild). 2. Wenn man den Ölfleck auf Millimeterpapier nachzeichnet und die Kästchen auszählt, ergibt sich der Flächeninhalt des Ölflecks. Man erhält z. B.: A = 190 cm2 = 19 000 mm2. 3. Eine Messung ergibt: 40 Tropfen der Lösung haben ein Volumen von 1 cm3 = 1000 mm3. Das Volumen eines Tropfens beträgt also 25 mm3. Der Tropfen besteht nur zu einem Tausendstel aus Öl. Das Öl in einem Tropfen hat also das Volumen V = 0,025 mm3. Das ist das Volumen der Ölschicht. 4. Wir nehmen an, dass die Ölschicht überall gleich dick ist. Multiplizieren von Grundfläche und Höhe der Ölschicht ergibt das Volumen: V = A · h. Für die Höhe der Ölschicht gilt: V h= , A 0,025 mm3 h= , 19 000 mm2 25 1 h= · mm, 19 1 000 000 1 h = 1,3 · mm. 1 000 000 5 63725 99 Vom Aufbau der Körper – das Teilchenmodell Teilchen sind immer in Bewegung Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Aus der Geschichte: Robert Brown entdeckt die Teilchenbewegung Brown glaubte diese Bewegung erklären zu können: „Die Bewegung der Pollenkörnchen ist ein Beweis dafür, dass es sich dabei um lebendige Körper handelt. Nur so ist es denkbar, dass sie sich von selbst durchs Wasser bewegen.“ Bald erkannte er, dass diese Erklärung nicht stimmen konnte. Auch Körnchen von „toten“ Stoffen wie Staub, Ruß oder Metallen bewegten sich in Wasser wie Pollen, ohne je zur Ruhe zu kommen. Sein Bericht erregte großes Aufsehen. Ihm zu Ehren wurde die beobachtete Bewegung brownsche Bewegung genannt. Die richtige Erklärung dafür erkannte man erst fast einhundert Jahre später … Im Sommer des Jahres 1827 sah der englische Botaniker Robert Brown (1773–1858) besonders oft durch sein Mikroskop: Er untersuchte den Befruchtungsvorgang bei Pflanzen, die sich durch Samen vermehren. Dazu zerquetschte er einige Körner Blütenstaub (Pollen; Blütenstaub, etwa 600fach Bild 1), die in einem Wassertropvergrößert 1 fen schwammen. Er berichtete: „Als ich die Gestalt dieser in Wasser getauchten Pollenkörnchen untersuchte, bemerkte ich, dass viele von ihnen in Bewegung waren. Nach häufiger Wiederholung der Beobachtungen überzeugte ich mich, dass diese Bewegungen nicht von Strömungen in der Flüssigkeit herrührten, sondern den Pollenkörnchen selbst angehörten.“ Vorbereitende Aufträge 1. Tropfe etwas Wasser in den Boden einer Untertasse und lasse alles einige Stunden (über Nacht) stehen. Was ist danach zu beobachten? Versuche die Beobachtung mit dem Teilchenmodell zu erklären. 2. Versprühe ein Parfüm in einer Ecke des Zimmers. Gehe dann in die gegenüberliegende Ecke. Was stellst du fest? Versuche die Beobachtung mit dem Teilchenmodell zu erklären. V1 Gib einen kleinen Tropfen weiße Tusche (Wandfarbe) in einige Milliliter destilliertes Wasser. Füge einen Tropfen Spülmittel hinzu und rühre gut um. Gib einen Tropfen der Flüssigkeit auf einen Objektträger (Bild 3). Was siehst du im Mikroskop bei 400facher Vergrößerung? V2 (Lehrerversuch) Bromgas ist in einem Glaszylinder durch eine 100 2 locker aufgelegtes Deckgläschen Glasplatte abgeschlossen (Bild 4). Auf diesen Zylinder wird ein zweiter, luftgefüllter Zylinder mit der Öffnung nach unten gestellt. Die Platte wird entfernt. Bild 5 zeigt die Anordnung nach einiger Zeit. Tropfen Objektträger 3 Brom (giftig) 4 3. Fülle etwas Fruchtsirup in ein Glas. Stelle es an einen Platz, an dem es längere Zeit ruhig stehen bleiben kann. Gieße vorsichtig Wasser über den Sirup, sodass eine möglichst scharfe Trennfläche entsteht (Bild 2). Wie hat sich die Trennfläche nach einer Woche verändert? Beschreibe! Luft 5 V3 Wirf je einen Kaliumpermanganat-Kristall in ein Glas mit kaltem und in eines mit heißem Wasser. Wie ändert sich die Färbung mit der Zeit? 63726 Vom Aufbau der Körper – das Teilchenmodell physikextra Info: Teilchen bewegen sich selbstständig Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. ■ Die Diffusion Gase mischen sich ohne geschütLuft telt zu werden. Sirup und Wasser bilden – auch ohne Umrühren – Glasnach einiger Zeit eine süße Löplatte sung, die sich nicht mehr einfach Bromin ihre Bestandteile trennen lässt. dampf (schwerer Die selbstständige Durchmials Luft) schung von Stoffen nennt man Dif- 6 fusion (lat. diffundere: ausgießen, ausbreiten). Bild 6 zeigt, wie man sich den Vorgang im Teilchenmodell bei Gasen vorstellen kann. Die Teilchen eines Gases bewegen sich ständig. Sie haben große Abstände voneinander. In die Zwischenräume können die Teilchen eines anderen Gases leicht eindringen. Die Gase breiten sich „ineinander“ aus. Diese Vorstellung leuchtet ein, wenn man statt der Gase zwei Rinderherden betrachtet. Zunächst sollen die Herden durch einen Zaun getrennt sein. Wenn man den Zaun öffnet, mischen sich die Herden. Die Diffusion kann durch die ständige Bewegung und Durchmischung der Teilchen erklärt werden. ■ Teilchenbewegung und Temperatur Bei hohen Temperaturen läuft die Diffusion schneller ab als bei tiefen. Daraus lässt sich für die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen eines Körpers folgern: Die Teilchen bewegen sich bei höherer Temperatur schneller als bei tieferer Temperatur. Wegen der Temperaturabhängigkeit spricht man von thermischer Bewegung (griech. thermos: warm). www.cornelsen.de/physikextra ■ Die brownsche Bewegung Auch die brownsche Bewegung von sichtbaren Körpern (Bild 7) können wir mit Hilfe des Teilchenmodells erklären. Ein im Wasser schwebender, winziger Körper ist viel größer als ein Wasserteilchen. Die Wasserteilchen bewegen sich ständig. Daher wird der kleine Körper ständig von allen Seiten durch viele Wasserteilchen angestoßen (Bild 8). Dabei kann es vorkommen, dass der Körper in einem Moment mehr in die eine Richtung gestoßen wird als in andere. Daraufhin bewegt er sich in dieser Richtung eine kleine Strecke geradlinig fort, bis er mehr in eine andere Richtung gestoßen wird. Dadurch erhält ein Beobachter den Eindruck, dass sich der winzige Körper im Wasser ständig im Zickzack bewegt. Ein Beispiel soll helfen die brownsche Bewegung zu verstehen: Ein Blatt fällt auf einen Ameisenhaufen. Aus der Ferne sehen wir keine einzelnen Ameisen mehr, wohl aber das Blatt (Bild 9). Wir beobachten, dass sich das Blatt ruckartig bewegt. Es wird nämlich ständig von den Ameisen angestoßen, die sich unter ihm relativ unregelmäßig in alle Richtungen bewegen. Die brownsche Bewegung sichtbarer Körper lässt sich im Teilchenmodell erklären. Man muss dazu annehmen, dass sich die unsichtbaren Wasserteilchen ebenfalls bewegen. Pollenteilchen (Bruchstück eines Pollenkorns) ca. 0,1 mm 7 8 63727 unsichtbare Wasserteilchen 9 101 Vom Aufbau der Körper – das Teilchenmodell A1 In das linke Glas von Bild 1 wurde gerade ein Körnchen Farbstoff geworfen, in das rechte Glas schon vor einer Stunde. Erkläre, was du siehst. A2 Martin hat das Rasierwasser seines Vaters benutzt. Bald merken das alle in der Klasse. Erkläre! Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. A3 Lege rote und grüne Murmeln auf den Boden einer Schachtel. Stelle in einem Modellversuch den Vorgang der Diffusion dar. 1 A4 Schütte für diesen Modellversuch Erbsen auf den Boden eines Topfes und gib eine große Murmel dazu. Schüttle dann vorsichtig den Topf. Wie bewegt sich die Murmel? Was soll durch die Murmel und die Erbsen dargestellt werden? Teilchen halten zusammen 3 Feste Stoffe, Flüssigkeiten, Gase – wie lassen sich die Unterschiede im Teilchenmodell erklären? 2 5 6 102 4 7 63728 Vom Aufbau der Körper – das Teilchenmodell Vorbereitende Aufträge Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 1. Fülle ein gerades Trinkglas zur Hälfte mit Erbsen oder Glaskügelchen, ein anderes zur Hälfte mit Wasser. Die Erbsen stellen ein Modell für die Wasserteilchen dar. Vergleiche das Modell mit dem wirklichen Wasser. a) Neige die Gläser. Beobachte die Oberflächen von Wasser und „Modellwasser“. b) Schütte jeweils ein wenig Wasser bzw. „Modellwasser“ auf einer glatten Oberfläche aus. c) Stelle aus Styropor® einen „Stempel“ her, der im Durchmesser genau in das Trinkglas passt. Versuche Wasser und „Modellwasser“ mit Hilfe des Stempels zusammenzudrücken. 2. Halte das Ventil einer Fahrradpumpe zu. Drücke den Kolben hinein. Was geschieht mit der Luft in der Pumpe? Was schließt du daraus über die Luftteilchen in der Pumpe? physikextra Info: Fest, flüssig, gasförmig – Teilchenmodell Teilchen bilden einmal einen festen Körper, einmal eine Flüssigkeit oder ein Gas. Das wird im Teilchenmodell damit erklärt, dass Teilchen einander verschieden stark anziehen. ■ Feste Körper Feste Körper lassen sich schwer teilen und kaum zusammenpressen.Form undVolumen bleiben erhalten. Du kannst dir den Aufbau fester Körper so vorstellen (Bild 8): Benachbarte Teilchen ziehen einander stark an. Dieser Zusammenhalt zwischen den Teilchen eines Stoffs heißt Kohäsion (lat. cohaerere: zusammenhängen). Du spürst ihn, wenn du Papier zerreißt oder versuchst eine Eisenstange zu zerbrechen. Wenn sich die Teilchen sehr nahe kommen, wirken abstoßende Kräfte. Die Teilchen sind fest angeordnet. Die Teilchen eines festen Körpers sind durch große Kräfte fest verbunden. Ihre Abstände sind gering. Jedes Teilchen hat einen bestimmten Platz, an dem es nur hin und her schwingen kann. Fester Körper: Schwingung der ortsfesten Teilchen 8 63729 ■ Flüssige Körper Eine Flüssigkeit „fließt“ und passt ihre Form jedem Gefäß an. Ihr Volumen behält sie stets bei. Im Teilchenmodell erklärt man dieses Verhalten so (Bild 9): Der Zusammenhalt zwischen den Teilchen ist bei Flüssigkeiten schwächer als bei festen Körpern. Die Teilchen sind leicht gegeneinander verschiebbar. Ihr Abstand ist gering. ■ Gasförmige Körper Gase füllen den gesamten zur Verfügung stehenden Raum aus und lassen sich leicht zusammenpressen. Die Teilchen eines Gases bewegen sich frei durch den verfügbaren Raum (Bild 10). Sie stoßen oft mit anderen Teilchen oder Gefäßwänden zusammen und bewegen sich daher im Zickzack. Die Teilchen eines Gases besitzen fast keinen Zusammenhalt. Sie bewegen sich frei im ganzen Raum. Die Abstände zwischen den Teilchen sind sehr groß. Der Raum zwischen ihnen ist leer. Flüssigkeit: Verschiebung der ungeordneten Teilchen 9 www.cornelsen.de/physikextra Gas: Frei bewegliche, ungeordnete Teilchen 10 103 Vom Aufbau der Körper – das Teilchenmodell Aus der Umwelt: Wasser scheint eine Haut zu haben Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Bei etwas Geschick läuft das Glas in Bild 1 nicht über, wenn man Münzen hineinfallen lässt. Unter den Füßen des Wasserläufers ist die Wasseroberfläche eingedellt – so wie eine Gummihaut (Bild 2). Die Wasseroberfläche scheint „gespannt“ zu sein. Man kann diese Erscheinung mit dem Zusammenhalt gleichartiger Teilchen erklären: Ein Wasserteilchen wird von den benachbarten Wasserteilchen gleichmäßig in alle Richtungen angezogen, wenn es ringsum von ihnen umgeben ist. Das ist jedoch bei einem Wasserteilchen an der Oberfläche nicht der Fall (Bild 3): Über ihm sind ausschließlich Luftteilchen. Durch Kohäsion werden nur gleichartige Teilchen zusammengehalten. Die Wasserteilchen an der Oberfläche werden also lediglich von anderen Wasserteilchen angezogen. Diese befinden sich unter oder neben, nicht aber über ihnen. Dadurch wird die Wasseroberfläche „zum Wasser hingezogen“: Sie wölbt sich und kann sogar leichte Gegenstände oder Lebewesen tragen. Luft Wasser Die Teilchen an der Oberfläche werden von ihren Nachbarn und den darunter liegenden Teilchen festgehalten und bilden eine zusammenhängende Haut. 1 2 3 Aus der Biologie: Die Bäume und die Wände hoch Aufsteigen von Flüssigkeiten Besonders im Frühjahr wird viel Wasser von den Wurzeln der Bäume zu den Zweigen transportiert. Wie kann die Flüssigkeit „von Querschnitt selbst“ im Baum emporsteigen? Ein Schnitt durch den PflanLängsschnitt zenstängel zeigt unter dem Mikroskop, dass er aus vielen feinen Röhrchen besteht (Bild 4). In diesen Haarröhrchen oder Kapilla4 ren steigt das Wasser nach oben. Ein leichtes Ansteigen der Flüssigkeit kannst du schon in Trinkhalmen beobachten. Auch diesen Vorgang kann man im Teilchenmodell erklären: Die Teilchen der Kapillaren und die Flüssigkeitsteilchen ziehen sich gegenseitig an. Die leicht beweglichen Flüssigkeitsteilchen werden dadurch am Rand der Röhre „hochgezogen“. Die Anziehung zwischen den Teilchen von verschiedenen Stoffen bezeichnet man als Adhäsion (lat. adhaerere: anhaften, festhängen). 104 Der Gecko Geckos sind kleine Eidechsen (Bild 5), die an Glasscheiben hochlaufen und an der Zimmerdecke „kleben“ können. Der Fuß eines Geckos trägt keine Saugnäpfe, sondern eine halbe Million feiner Härchen, die sich in viele Hundert 5 Fortsätze verzweigen. Die Härchen haften sehr gut: Ein Gecko, der mit allen Härchen optimal am Untergrund andocken würde, könnte eine Last von 40 kg halten. Die Haftung beruht auf Adhäsion. Die Verzweigungen der Härchen sind sehr fein. Ihre Teilchen kommen denen der Oberfläche so nahe, dass zwischen den stofffremden Teilchen anziehende Kräfte wirken. Um den Fuß zu lösen, werden die Härchen bei einem bestimmten Winkel „abgeschält“ – so als würde ein Klebeband gelöst. 63730 Vom Aufbau der Körper – das Teilchenmodell Zusammenfassung Das Teilchenmodell Wir stellen uns vor, dass jeder Körper aus kleinsten Teilchen aufgebaut ist. Die (kugelförmigen) Teilchen sind ca. ein millionstel Millimeter groß und führen thermische Bewegungen aus. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Fest – flüssig – gasförmig Feste Körper Flüssige Körper (Flüssigkeiten) Gasförmige Körper (Gase) Form unveränderlich Form veränderlich Form veränderlich Unabhängig von Gefäßen behält ein Körper im festen Zustand seine Form. Flüssigkeiten passen sich jedem Gefäß an. Sie haben waagerechte Oberflächen. Gase nehmen den ganzen Raum ein, der zur Verfügung steht. Volumen unveränderlich Volumen unveränderlich Volumen veränderlich An festen Körpern ist keine Volumenänderung erkennbar. Flüssigkeiten haben ein (fast) unveränderliches Volumen. Sie lassen sich kaum zusammendrücken. Gase haben ein veränderliches Volumen. Sie lassen sich zusammendrücken. Teilchenmodell Die Teilchen werden durch die starke gegenseitige Anziehung zusammengehalten. Sie haben feste Plätze und sind regelmäßig angeordnet; die Abstände sind sehr gering. Die thermische Bewegung beschränkt sich auf ein „Zittern“ der Teilchen an ihren Plätzen. Teilchenmodell Der Zusammenhalt der Teilchen ist weniger stark. Die Abstände zwischen den Teilchen sind ebenfalls gering. Die Teilchen haben keine festen Plätze und führen ungeordnete Zickzackbewegungen aus, da sie mit anderen Teilchen zusammenstoßen. Teilchenmodell Es gibt keinen Zusammenhalt zwischen den Teilchen. Sie bewegen sich frei und regellos im ganzen Raum, der ihnen zur Verfügung steht. Sie stoßen mit anderen Teilchen und mit den Wandflächen zusammen, sodass sie sich im Zickzack bewegen. Alles klar? 1. Erkläre die Beobachtungen im Teilchenmodell: a) Ein Stück Würfelzucker süßt die ganze Tasse Tee. b) Beim Aufbrühen hält ein Filter das Kaffeepulver zurück. Dennoch wird das Wasser zu braunem Kaffee. c) Wenn man im Bad etwas Parfüm oder Haarspray versprüht, riecht man es sogar im Flur. d) Die Öffnung einer Spritze ist verschlossen. Wenn die Spritze mit Luft gefüllt ist, lässt sich der Kolben hineinschieben. Wenn die Spritze aber mit Wasser gefüllt ist, gelingt das nicht. 63731 e) Wasser kann man aus einem Glas in zwei andere gießen. Wasser lässt sich also mühelos „teilen“ – ein Eiswürfel dagegen nicht. 2. Eine Autotür schließt leicht, solange ein Fenster geöffnet ist. Sind alle Fenster geschlossen, geht es erheblich schwerer. Erkläre! 3. Bei einem Gas kann sich die Form oder das Volumen oder beides gemeinsam ändern. Nenne Beispiele für alle drei Fälle. 105 Entstehung von Schall Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Wir erzeugen Schall 1 2 Verkehrslärm, Musik, Sprache, Vogelzwitschern … – alles, was du hören kannst, ist Schall. Vorbereitende Aufträge Du kannst Schall auf verschiedene Arten erzeugen. Überlege jeweils, wie der Schall entsteht. 1. Verwende ein Gummiband oder eine auf den Tisch gedrückte Stricknadel. 4. Schneide dir einen Trinkhalm so zu, wie du es in Bild 4 siehst. Presse dann das beschnittene Ende mit den Lippen zusammen und puste kräftig in den Halm. 2. Fülle etwas Wasser in ein dünnwandiges Weinglas (Bild 3). Fahre mit einem angefeuchteten Finger auf dem Glasrand entlang. 3. Hauche gegen eine Fensterscheibe und ziehe ein Stück Styropor® über die Scheibe. 3 V1 Eine Trommel (oder ein großes Tamburin) wird mit Sand bestreut und am Rand angeschlagen. Was geschieht mit den Sandkörnern? V2 In einem Radio oder in einem Tongenerator wird Schall elektrisch so erzeugt: Ein Elektromagnet bewegt die Membran des Lautsprechers hin und her. Kann man diese Bewegung auch sehen oder fühlen? 106 4 V3 Musiker stimmen ihre Instrumente mit Hilfe einer Stimmgabel. Nach dem Anschlagen erzeugt sie immer den gleichen Ton. Es ist kaum zu erkennen, wie die Zinken den Ton erzeugen. Mit einem Glas Wasser oder einer mit Kerzenruß geschwärzten Glasplatte kann man aber die Bewegung der Zinken sichtbar machen. Überlege, wie das gehen könnte. Probiere es aus. 63268 Entstehung von Schall Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Info: Ohne Schwingungen kein Schall Wenn eine Schallquelle gleichmäßig schwingt (z. B. eine Stimmgabel), hören wir einen Ton. Von einem Knall sprechen wir, wenn die Schallquelle einmal stark angestoßen wird und die Schwingungen gleich wieder aufhören. Ein Geräusch entsteht, wenn die Schallquelle unregelmäßig schwingt (z. B. Zerreißen von Papier). Man unterscheidet verschiedene Schallarten: Ton, Knall und Geräusch. Auf verschiedenen Musikinstrumenten gespielt klingt derselbe Ton unterschiedlich. Jedes Instrument hat seinen eigenen Klang. Wenn man eine Stricknadel anzupft (Bild 5), wird sie zu einer Schallquelle oder einem Schallsender. 5 Beim Anzupfen wird die Nadel aus ihrer Ruhelage nach unten gezogen und losgelassen. Ihr freies Ende federt zurück – und zwar nicht nur bis zur Ruhelage, sondern weiter nach oben. Dann kehrt das Nadelende um und bewegt sich wieder nach unten. Das wiederholt sich in einer Sekunde viele Male. Das freie Ende der Nadel „zittert auf und ab“ oder „vibriert“. In der Physik sagt man: Die Nadel schwingt. Solche Bewegungen heißen Schwingungen. Ruhelage A1 Was hat die Schallentstehung mit der Bewegung einer Schaukel gemeinsam? Was unterscheidet sie? Schall entsteht durch rasche Schwingungen eines Körpers (z. B. einer Gitarrensaite, der Luft in einer Pfeife oder der Membran einer Trommel oder eines Lautsprechers). A2 Nenne Beispiele für die einzelnen Schallarten. Aus dem Alltag: Schall informiert Wenn ein Mensch spricht, wird sein Mund zum Schallsender. Und wenn du den Schall hörst, wird dein Ohr zum Schallempfänger. Hoffentlich verstehst du auch die Informationen, die der Schall überträgt – z. B. wenn ein Lehrer sagt: „Morgen ist Wandertag. Wir gehen auf die Eisbahn.“ Informationen werden aber nicht nur durch die Wörter übermittelt, sondern auch durch die Art und Weise, wie jemand spricht. Ob jemand schimpft oder freundlich bittet, „versteht“ man auch in einer fremden Sprache. Sogar einzelne Geräusche und Klänge enthalten Informationen – jedenfalls für den, der sie entschlüsseln kann. Denke nur an das Piep- 6 63269 sen des Weckers, das Klirren von Scheiben, das Singen der Vögel, das Bellen der Hunde oder das Pfeifen des Schiedsrichters (Bild 6). Wo es sowieso schon laut ist, da ist es schwierig, wichtige Informationen zu übertragen. Autohupen und Fanfaren (Bild 7) oder Martinshörner müssen deshalb noch viel lauter sein als der jeweilige Verkehrslärm. Es ist deshalb sehr leichtsinnig, wenn Autofahrer ihr Radio so weit aufdrehen, dass sie nichts anderes mehr hören. Und auch wer beim Radfahren seinen Walkman benutzt, bringt sich in Gefahr. 7 107 Entstehung von Schall Laut und leise – hoch und tief Vorbereitende Aufträge 1. Erzeuge mit einem Gummiband unterschiedlich laute und hohe Töne. Wie machst du das? 1 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Wie kommen unterschiedliche Töne zustande? 2. Halte ein langes Lineal so am Tisch fest, dass der größte Teil des Lineals frei schwingen kann. Untersuche damit, wovon die Lautstärke eines Tons abhängt. Wovon hängt die Tonhöhe ab? 3. Fülle gleichartige Flaschen unterschiedlich hoch mit Wasser. Schlage sie mit einem Stab an. Vergleiche die Tonhöhen. 4. Blase einen Luftballon prall auf und ziehe die Öffnung zu einem schmalen Spalt auseinander. Wie kannst du damit verschieden hohe Töne erzeugen? Info: Lautstärke und Tonhöhe – Amplitude und Frequenz Um Schall zu erzeugen, muss man einen Körper (z. B. eine Gitarrensaite) in schnelle Schwingungen versetzen. Schwingungen können wir bei Umkehreiner Schaukel genauer betrachpunkt ten, weil sie dort ziemlich langsam Am plitu de ablaufen: Je stärker die Schaukel angestoßen wird, desto weiter 2 schwingt sie. Die Amplitude gibt an, wie weit die Schaukel schwingt (Bild 2). Auch eine Schallquelle schwingt mit großer Amplitude, wenn sie stark angestoßen wird (Bild 3). Wir hören dann einen lauten Ton. Umkehrpunkt Die Anzahl der Schwingungen in einer Sekunde nennt man Frequenz. Die Einheit der Frequenz ist 1 Hertz (1 Hz). 1 1 Hz = –s . Je größer die Frequenz, desto höher der Ton. Ruhelage Die Einheit der Frequenz ist nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz (1857–1894) benannt. Wenn ein Körper in einer Sekunde einmal vor und zurück schwingt (Bild 4), besitzt er die Frequenz 1 Hertz. Hörbarer Schall entsteht erst bei höheren Frequenzen. Beispiel: Stimmgabeln erzeugen den Ton aH mit der Frequenz f = 440 Hz. Größere Frequenzen gibt man in Kilohertz (kHz) an. 1 kHz = 1000 Hz. Ein Kind mit gesunden Ohren hört Schallschwingungen mit Frequenzen von etwa 16 Hz bis 20 kHz. Man nennt diesen Frequenzbereich Hörbereich des Menschen. Die Länge des Weges zwischen Ruhelage und Umkehrpunkt nennt man Amplitude. Je größer die Amplitude ist, desto lauter hören wir den Schall. Wenn man eine Saite verkürzt oder stärker spannt und dann erneut anzupft, erklingt ein höherer Ton als vorher. Die Saite schwingt schneller als zuvor. Es gilt: Je schneller die Schwingung, desto höher der Ton. 1 vollständige Schwingung in 1 Sekunde 1 = = 1 Hz s Amplitude Amplitude schwingendes Lineal 3 108 schwingende Saite 4 z. B. so oder so 63272 Entstehung von Schall Aus der Biologie: Schallerzeugung in unserem Kehlkopf Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Für Interessierte zum Weiterlesen Die menschliche Stimme übertrifft in ihrer Vielseitigkeit die meisten Nasenhöhle Musikinstrumente. Gaumen Das eigentliche Sprechorgan Mundhöhle des Menschen ist der Kehlkopf am oberen Ende der Luftröhre (Bild 5). Zunge Im Kehlkopf sitzen die StimmStimmbänder bänder. Während wir atmen, lieKehlkopf gen sie etwa 1 cm weit auseinan5 der. Beim Sprechen und Singen können sie gespannt werden und liegen dann dicht nebeneinander (Bilder 8 u. 9). Wenn Luft aus der Lunge durch diese Stimmritze hindurchgepresst wird, beginnen die Stimmbänder zu schwingen: Die durchströmende Luft stößt zunächst die Stimmbänder auseinander. Anschließend werden sie durch die Anspannung der Muskeln wieder zusammengeschlagen. Auseinanderstoßen und Zusammenschlagen der Stimmbänder erfolgen im ständigen Wechsel und sehr schnell hintereinander. So entsteht ein schnatterndes Geräusch, das so ähnlich klingt, als ob jemand auf einem Grashalm bläst. Dass daraus unsere Stimme wird, liegt am Zusammenwirken von Brust-, Rachen-, Nasen- und Mundraum. Dort entstehen die unterschiedlichen Laute. Beim Sprechen verändern wir außerdem die Stellung unserer Zunge, des Gaumens, der Zähne und der Lippen. A1 Kannst du auf einem Grashalm blasen? Beschreibe, wie dabei der Schall entsteht. A2 Alle Jungen kommen in den „Stimmbruch“, wenn in der Pubertät ihr Kehlkopf rasch wächst. Wie macht sich das bemerkbar? Erkläre die Stimmänderung. Stimmritze Stimmbänder 6 Stimmritzenweite beim normalen Atmen, 7 ... beim starken Atmen, 8 ... beim normalen Sprechen, ... beim Flüstern. 9 Aus der Musik: Töne und Frequenzen Stimmgabeln erzeugen den Ton aH, den Kammerton a. schen: Ein Sänger mit einer Bassstimme erzeugt Seine Frequenz beträgt f = 440 Hz. Mit diesem Ton 85–350 Hz, eine Sopransängerin 250–1100 Hz. wird z. B. das Klavier gestimmt. Dabei wird die Span- Außer reinen Tonschwingungen erzeugen wir aber nung der einzelnen Saiten eingestellt. Alle weiteren bei Zischlauten auch noch viel höhere Frequenzen. Klaviertöne richten sich nach dem Kammerton aH (Bild 10). Der um acht Tonschritte (eine Oktave Quinte Oktave) höhere Ton aHH hat die doppelte Frequenz wie der Kammerton aH. Bei einer Quinte hat der höhere Ton die 1,5fache Frequenz. Ein Klavier umfasst mit mehr c´ d´ e´ f´ g´ a´ h´ c´´ d´´ e´´ f´´ g´´ a´´ als 7 Oktaven einen größeren TonHz 261,6 293,7 329,6 349,2 392,0 440,0 493,9 523,2 587,3 659,3 698,5 784,0 880,0 bereich als die Stimme des Men- 10 & 63962 q q q q q q q q Q Q Q Q Q 109 Entstehung von Schall Zusammenfassung Wie Schall entsteht Laut und leise – hoch und tief Alles, was man hört, bezeichnet man als Schall: Töne, Klänge, Geräusche, einen Knall. Schall entsteht, wenn sich ein Körper schnell hin und her bewegt (Bild 1). Diese Bewegungen heißen Schwingungen. Ein Ton ist umso lauter, je größer die 2 Amplitude der Schwingungen ist (Bild 2). Die Frequenz f gibt an, wie oft die Schallquelle in einer Sekunde hin und her schwingt. Die Einheit der Frequenz ist 1 Hertz. 1 Hz = 1 –s. Amplitude Ein Ton ist umso höher, je höher die Frequenz der Schwingungen ist (Bilder 3 u. 4). Ein Kind kann Schwingungen von 16 bis 20 000 Hz hören. 1175 Hz = hohe Frequenz Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 65 Hz = geringe Frequenz 1 3 4 Alles klar? 1. Unter welchen Bedingungen wird ein Körper zur Schallquelle? stehen beim Hineinblasen in die Mundharmonika die verschieden hohen Töne? 2. Nach der Art der Schallerzeugung unterscheidet man Schlag-, Blas-, Streich- und Zupfinstrumente. Nenne jeweils einige Beispiele. 7. Wie erzeugt man auf einer Gitarre verschieden hohe Töne? 3. Erkläre die Begriffe Amplitude und Frequenz. Wie hängen diese Größen bei Schallschwingungen mit Lautstärke und Tonhöhe zusammen? 4. Der Flügelschlag von Schmetterlingen beträgt 10 Hz, der von Hummeln 240 Hz und der von Mücken über 600 Hz. Was hören wir davon? 8. Wie unterscheiden sich Wasserwellen (Bild 6) von Schallwellen in der Luft? 9. Bild 7 zeigt eine Stimmgabel mit Schreibfeder. a) Wie entsteht die Spur auf der mit Ruß geschwärzten Glasplatte? b) Worin würde sich das Bild eines anderen Tons unterscheiden? 5 & q 5. Frauen haben meistens höhere Stimmen als Männer. Woran mag das liegen? 6. Bild 5 zeigt die Messingzungen einer Mundharmonika. Wieso ent110 a´ 6 7 f = 440 Hz 63963 Ausbreitung von Schall Schallwellen Als BAP aufdrehte, klirrten 650 Meter entfernt die Gläser Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Ravensburg. Kein Erdbeben hat am Abend des 27. November in den oberen Geschossen des Wohn- und Geschäftshauses Zeppelinstraße 4 zum Erschrecken der Bewohner die Gläser klirren und die Lampen hin und her schwingen lassen. Vielmehr waren die geheimnisvollen Schwingungen eindeutig auf ein Konzert der Rockgruppe „BAP“ zurückzuführen, die zu dieser Zeit in der 650 Meter entfernten Oberschwabenhalle gastierte. Daran haben drei von der Stadtverwaltung eingeschaltete Gutachter keinen Zweifel. … Dass eine Rockband die Wände zum Wackeln bringt, ist nicht ungewöhnlich. Dass die rhythmischen Erschütterungen so weit übertragen wurden, liegt am Untergrund: Eine Tonschicht, die von Kies bedeckt ist, erstreckt sich von der Halle zum Wohnhaus in der Zeppelinstraße. Die Halle steht auf Pfählen, die bis in die Tonschicht reichen. Genau unter dem Haus in der Zeppelinstraße läuft die Schicht aus, sodass die Schwingungen von der Halle auf die Fundamente des Wohnhauses übertragen wurden. Vorbereitende Aufträge 1. Lege eine leise tickende Uhr auf eine Tischecke. Was stellst du fest, wenn du an der gegenüberliegenden Ecke ein Ohr auf die Tischplatte legst? 2. Knüpfe einen Bindfaden an eine Gabel und drücke die Fadenenden an deine Ohren. Was hörst du, wenn du die herab- hängende Gabel kurz gegen die Tischkante schlagen lässt? 3. Ob man auch unter Wasser hören kann? Halte dazu in der Badewanne den Kopf unter Wasser und lass weiteres Wasser in die Wanne tropfen. Hörst du, wenn jemand im Badezimmer spricht? V1 Was wird wohl geschehen, wenn jemand das linke Tamburin anschlägt (Bild 1)? V3 Probiere aus, ob man durch eine Stativstange hindurch das Ticken einer Uhr hören kann. V2 Eine Pendelkette (Bild 2) kennst du vielleicht als Spielzeug. a) Was geschieht, wenn die Kugel losgelassen wird? b) Was hat dieser Versuch mit der Schallausbreitung zu tun? V4 „Im Weltall ist es still. Morgens kann man nicht durch das Klingeln eines Weckers geweckt werden.“ Dieser Satz aus einem Science-Fiction-Roman soll in einem Versuch überprüft werden … Plane ihn mit den Geräten von Bild 3. Tischtennisball Glasglocke Saugpumpe Schwamm Schlauch etwa 40 cm 1 2 63964 3 111 Ausbreitung von Schall Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Info: Schallwellen in der Luft chen dieser Schicht stoßen anschließend mit denen der nächsten Schicht zusammen, die dadurch ebenfalls zusammengepresst wird. Die Verdichtung wandert von der Luftverdünnung Membran weg. Ihr folgt eine Verdünnung, dann eine Verdichtung … (Bild 1). Von der Schallquelle aus breiten sich Luftverdichtungen und Luftverdünnungen aus. Man spricht von Schallwellen. Die Schallwellen laufen nach allen Seiten auseinander. Mit zunehmendem Abstand wird die Amplitude der Luftschwingungen und damit die Lautstärke immer geringer. Eine Schaukel schwingt langsam. Schallsender Die Luft weicht vor der Schaukel aus und strömt um sie herum. Wenn man ein Tamburin anschlägt, wird die Membran schnell 1 eingedrückt. Die Luft an ihrer Rückseite kann nicht rasch genug ausweichen; sie wird hinter der Membran zusammengedrückt. Es entsteht eine Luftverdichtung. Gleich nach dem Anschlagen schwingt die Membran zurück. Für die Luftschicht hinter der Membran steht nun mehr Raum zur Verfügung. Es entsteht eine Luftverdünnung. Diese Schwingungen übertragen sich von einer Luftschicht auf die nächste: Die Luftteilchen in der Schicht hinter der Membran stoßen die Luftteilchen der benachbarten Luftschicht an. Diese Luftschicht wird dadurch ebenfalls zusammengedrückt. Die Teil- Luftverdichtung A1 Beschreibe, wie sich der Schall ausbreitet. A2 Wieso wird im Weltall kein Schall übertragen? Schallgeschwindigkeit und Echo Wie schätzt man die Entfernung des Gewitters? Am Königsee: Die Melodie der Trompete ist kurze Zeit später als vielfaches Echo zu hören. Wie weit ist wohl das Gewitter noch entfernt? 2 3 Vorbereitende Aufträge 1. Auf dem Sportplatz schlägt ein Schüler im Sekundentakt eines Metronoms zwei Topfdeckel über dem Kopf zusammen. Entfernt euch von der Schallquelle. Bei welchem Abstand hört ihr den Ton „zur Halbzeit“, also wenn die Arme am weitesten auseinander sind? Wie viel 112 Meter legt der Schall in dieser halben Sekunde zurück? Schaumstoff 4 2. Lege eine laut tickende Uhr in ein hohes Glas (Bild 4). Entferne dich so weit, dass du sie nicht mehr hörst. Wie musst du den Aufbau ergänzen, damit du sie dort hören kannst? 63965 Ausbreitung von Schall Info: Der Schall lässt sich Zeit Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Beim Gewitter entstehen Blitz und Donner gleichzeitig. Der Blitz erhitzt die Luft in seiner unmittelbaren Umgebung. Dadurch dehnt sie sich schlagartig aus und es entsteht ein Knall: der Donner. Den Blitz siehst du praktisch sofort. Der Donner aber braucht Zeit, um vom Ort seiner Entstehung zu dir zu gelangen. Der Schall braucht etwa drei Sekunden, um sich einen Kilometer weit von der Schallquelle zu entfernen. Wie lang die Strecke ist, die der Weg in einer Sekunde zurücklegt, hängt vom Stoff ab, in dem sich der Schall ausbreitet. In Luft legt der Schall in einer Sekunde eine Strecke von etwa 340 Metern zurück. In zwei Sekunden kommt er doppelt, in drei Sekunden dreimal so weit. Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt 340 Meter pro Sekunde (oder 1200 Kilometer pro Stunde). Stoff (bei 20 °C) vom Schall in 1 s zurückgelegter Weg Luft Wasser Meerwasser Buchenholz Ziegelstein Glas Beton Stahl Marmor 344 m 1485 m 1522 m ca. 3300 m 3100 m 4000 bis 4500 m 3900 m 5000 m 5300 m Info: Reflexion des Schalls Wenn eine Schallwelle auf die Grenzfläche zweier Stoffe trifft, wird die Welle an der Grenzfläche zum Teil reflektiert. Dadurch entsteht das Echo (Bild 5). Aus der Zeit, die zwischen dem Aussenden des Schalls und dem Eintreffen des Echos vergeht, lässt sich die Entfernung der reflektierenden Grenzfläche berechnen. Kommt der Schall schon zurück, bevor ein Wort ganz ausgesprochen ist, spricht man von Nachhall. A1 Sicher hast du schon einmal ein Feuerwerk aus größerer Entfernung gesehen. Den Funkenregen der Raketen sieht man, lange bevor die dumpfen Explosionsgeräusche zu hören sind. Erkläre! A2 Wie lang wäre der Weg, den der Schall in Luft innerhalb von 1 min zurücklegt? Wie lang wäre der Weg in Wasser? Zum Vergleich: Welchen Weg legt ein Fahrzeug, das mit 120 km/h fährt, in einer Minute zurück? A3 Das Ticken einer Uhr kann man aus 5 Meter Entfernung mit einem aufgerollten Bogen Zeitungspapier hören. Probiere es aus und erkläre! 63966 5 A4 Nenne Tiere, die beim Lauschen ihre Ohrmuscheln in Richtung auf die Schallquelle stellen. Warum tun sie das? A5 Wie kannst du – mit und ohne Stoppuhr – die Entfernung eines Gewitters bestimmen? Rechne aus: Wie weit ist ein Gewitter entfernt, wenn zwischen Blitz und Donner ungefähr 8 s vergehen? A6 Wie entsteht beim Blitz der Donner? Setze die folgende Erklärung fort: „Dort, wo der Blitz entlanggeht, wird die Luft schlagartig auf etwa 10 000 °C erhitzt. Beim Erhitzen dehnt sich …“ 113 Ausbreitung von Schall Aus der Technik: Echolot und Fehlersuche Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Techniker haben den Tieren die Echo-Nutzung abgeschaut und daraus das Echolot entwickelt. Mit ihm kann man z. B. die Meerestiefe bestimmen (Bild 1): Ein am Schiff angebrachter Schallsender gibt Schallsignale ab. Die Signale laufen bis zum Meeresboden und werden dort reflektiert. Der am Schiff angebrachte Echoempfänger meldet nach kurzer Zeit das Eintreffen der zurücklaufenden Schallwellen. Aus der Zeit, die zwischen dem Aussenden und dem Empfangen der Schallsignale verstreicht, berechnet ein Computer die Meerestiefe. Mit dieser Methode lassen sich Fischschwärme aufspüren. Nach einem ähnlichen Verfahren werden auch Materialien auf verborgene Fehler hin untersucht. Dazu ein Beispiel: In Bild 2 wird die Schweißnaht einer Rohrleitung kontrolliert. Man presst den Prüfkopf mit einem Schallsender und einem Schallempfänger auf die Außenwand des Rohres. Die vom Schallsender ausgesandten Schallwellen durchlaufen das Material und werden von der Innenwand reflektiert. Wenn das Material einen Fehler aufweist (z. B. einen kleinen Riss), kann man das am Echo im Schallempfänger erkennen (Bild 3). 1 Schallgeber 2 Echoempfänger 1 Prüfkopf Fischschwarm 2 Wand des Rohres Meeresboden verborgener Riss 1 2 3 Aus der Medizin: Ultraschall-Echo in der Medizin Für Interessierte zum Weiterlesen Ultraschall-Untersuchungen ermöglichen vielfältige Diagnosen und sind mit keinen Belastungen für den Patienten verbunden. Bei solchen Untersuchungen wird nicht hörbarer Schall von ca. 5000 kHz (Ultraschall) eingesetzt. In Bild 4 drückt die Ärztin einen kombinierten Schallsender und -empfänger auf den Bauch einer schwangeren Frau. Die Schallwellen durchlaufen die verschiedenen Schichten ihres Körpers – die Haut, das Fettgewebe, die Muskeln und die Knochen. An jeder Grenzfläche wird ein Teil des Schalls reflektiert. Die Echos werden von dem Schallempfänger aufgefangen. Gemessen werden die Zeiten zwischen Aussenden und Empfangen des Signals. Der Computer berechnet daraus Entfernungen und Dicken der Schichten und zeigt ihre Lage auf dem Bildschirm an. Es entsteht so ein Bild des ungeborenen Kindes (Bild 5). Bauchdecke der Mutter Finger des Kindes Mund Kopf Rumpf Wirbelsäule Ultraschall-Aufnahme eines Kindes im Mutterleib 4 5 114 63967 Ausbreitung von Schall Zusammenfassung Schallwellen Schallgeschwindigkeit Schallquellen erzeugen Luftverdichtungen und Luftverdünnungen. Diese breiten sich nach allen Seiten hin aus. Man spricht von Schallwellen (Bild 6). Im luftleeren Raum gibt es keine Schallwellen. 340 Meter Der Glockenschlag ist nach 1 Sekunde zu hören. 7 Hört den Glockenschlag noch nicht. Ehe eine von der Schallquelle ausgehende Schallwellen bei uns ankommt, vergeht etwas Zeit (Bild 7). In Luft braucht Schall für 1000 Meter etwa 3 Sekunden. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Bei Zimmertemperatur beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft 340 Meter pro Sekunde. In Flüssigkeiten und festen Stoffen ist der Schall schneller als in Luft. 6 Schallreflexion Wenn Schallwellen auf glatte, harte Flächen treffen, werden sie reflektiert. Bei der Reflexion des Schalls ändert sich die Richtung der Schallwellen genau wie bei Licht, das auf einen Spiegel trifft. Wenn die Schallwellen zur Schallquelle zurückkehren, hört man sie dort als Echo. 8 Alles klar? 1. Durch Schienen hindurch kann man fahrende Züge hören, bevor sie da sind. Überlege, ob die Methode von Bild 9 auch funktioniert. 2. Ein Schiff benutzt das Echolot, um die Meerestiefe zu bestimmen. Wie tief ist das Meer, wenn das Echosignal nach 10 Sekunden zurückkommt? 9 10 63968 3. In Bild 10 wird ein UltraschallPrüfkopf auf den Rumpf eines Schiffs gedrückt. Warum wohl? 5. In leeren Zimmern merkt man oft einen Nachhall. Woran dürfte das liegen? 4. Ein Bergsee ist von steilen Felswänden umgeben. Das Echo eines Rufes hört man nach 6 Sekunden. Wie weit ist es bis zur gegenüberliegenden Felswand? 6. Warum ist es in einem Autotunnel so laut? 7. Bild 11 zeigt ein altes Stethoskop zum Abhören der Herztöne. Erkläre, wie es funktioniert. 11 115 Empfang von Schall Das Ohr Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Gruppenexperimente V1 Einer Versuchsperson werden die Augen verbunden. Alle anderen bilden um sie herum einen großen Kreis. In beliebiger Reihenfolge klatscht jemand aus dem Kreis in die Hände. Die Versuchsperson soll möglichst genau zeigen, aus welcher Richtung der Schall kommt. Die richtigen und falschen Lösungen werden protokolliert. Wie ändert sich das Ergebnis, wenn der Versuchsperson ein Ohr verstopft wird? V2 Auf einem 1 m langen Schlauch wird die Mitte markiert; rechts und links davon wird auf je 20 cm eine Zentimeterskala angebracht. Eine Person hält sich die Schlauchenden in die Ohren und muss sagen, ob der Schall von rechts oder links kommt. Jemand klopft mit einem Stift ganz leicht gegen den Schlauch und notiert jeweils den Abstand von der Mitte (Bild 1). Bei welchem kleinsten Abstand funktioniert das Richtungshören noch gut? 1 Aus der Biologie: Schallempfang mit unserem Ohr Das menschliche Ohr besteht aus drei Teilen: dem Außenohr, dem Mittelohr und dem Innenohr (Bild 2). Das Außenohr nimmt die Schallwellen mit der Ohrmuschel auf und leitet sie durch den Gehörgang zum Trommelfell weiter. Durch den Schall wird das Trommelfell in Schwingungen versetzt. Hinter dem Trommelfell liegt das Mittelohr. Seine drei Gehörknöchelchen (Hammer, Amboss und Steigbügel) übertragen die Schwingungen vom Trommelfell auf eine weitere Membran, das ovale Fenster. Dort beginnt das Innenohr, das mit einer Flüssigkeit geAußenohr Mittelohr Innenohr füllt ist. Es besteht aus dem Gleichgewichtsorgan und dem eigentlichen Hörorgan, der Schnecke. In ihren Windungen sitzen Tausende von Hörzellen, die Haarzellen (Bild 3). Die verschiedenen Töne führen zu Schwingungen unterschiedlicher Frequenz in der Flüssigkeit, mit der die Schnecke gefüllt ist. Etwa 20 000 Nervenfasern melden die Schwingungen über den Gehörnerv an das Gehirn weiter. Selbst bei gleicher Tonhöhe wissen wir aufgrund von Erfahrung, ob der Klang von einem Klavier, einer Flöte oder einer Gitarre kommt. Drehsinnesorgan Gleichgewichtsorgan Gehörgang Trommelfell Ohrmuschel 2 116 Gehörknöchelchen ovales Fenster Haarzellen Schnecke Mundhöhle 3 63969 Empfang von Schall Info: Hör- und Stimmbereiche von Mensch und Tier Ein Kind hört Schallschwingungen mit Frequenzen zwischen 16 Hz und 20 kHz. Dies ist der Hörbereich des Menschen. Im Alter nimmt die obere Hörgrenze des Menschen allmählich ab – mit jedem Lebensjahrzehnt um ungefähr 2 kHz. Schall oberhalb von 20 kHz ist für uns Menschen nicht hörbar. Man bezeichnet ihn als Ultraschall. Für uns unhörbar tiefe Töne nennt man Infraschall. Manche Tiere können aber Infra- oder Ultraschall hören und z. T. auch selbst erzeugen (Bild 4). Stimmumfang Hörbereich 85 –1100 Hz 16 – 20 000 Hz Mensch 30 –40 000 Hz Klavier 450 – 1 000 Hz 40 – 40 000 Hz Hund 2 000 – 13 000 Hz 250 – 21 000 Hz Rotkehlchen 50 000 – 150 000 Hz 400 – 200 000 Hz Delphin 10 000 – 120 000 Hz 2 000 – 150 000 Hz Fledermaus Tonfrequenz in Hz 100 000 90 000 80 000 70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 9 000 8 000 7 000 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 500 1 000 900 800 700 600 400 300 200 100 90 80 70 60 50 40 30 20 4 10 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Ultraschallbereich Aus der Biologie: Wie findet der Hai seine Beute? Für Interessierte zum Weiterlesen Haie (Bild 5) sind ein Alptraum für Taucher und Surfer. Geschichten und Filme von Haien kennt fast jeder. Tatsächlich zählt man aber jährlich weltweit nur etwa 50 Angriffe von Haien auf Menschen. Forscher haben das Angriffsverhalten des Hais studiert und seine Sinnesorgane getestet: Wie spürt der Hai kämpfende Fische oder einen schwimmenden Menschen? Sieht, schmeckt oder riecht er die mögliche Beute? Die Opfer des Hais werden vor allem durch Wellen verraten, die sie mit ihren Bewegungen erzeugen. Dabei handelt es sich aber nicht um Wellen an der Wasseroberfläche; vielmehr sind es jetzt Druckschwankungen im Wasser. Haie besitzen nämlich wie alle Fi63970 sche ein Organ, mit dem sie diese Wellen spüren. Es befindet sich seitlich am Körper und reicht vom Kopf bis zum Schwanz. Man nennt es Seitenlinienorgan. Zwischen den Schuppen des Hais liegen in regelmäßigen Abständen Öffnungen, die zu einem durchgehenden Kanal führen. In diesen ragen empfindliche Sinneszellen hinein (Bild 6). 5 Druckwellen Haifischschuppe Pore Haut 6 Sinneszelle Seitenlinienkanal Nerv Wenn eine Welle z. B. den Kopf des Hais eher als dessen Schwanz erreicht, muss sich der Verursacher der Welle vor dem Hai befinden. Der Fisch besitzt sozusagen einen in die Ferne reichenden „Tastsinn“ für Druckschwankungen. Mit ihm können Fische in einem Schwarm auch ihre Artgenossen erspüren. 117 Empfang von Schall Mitschwingen und Resonanz Der Klang einer schwingenden Saite ist recht leise. Für eine elektrische Gitarre benötigt man daher einen Verstärker. Bei der Konzertgitarre und bei vielen anderen Musikinstrumenten sorgt ein Holzkasten, der Korpus, für einen lauten Klang. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 1 Wie kommt es durch den Korpus zur Schallverstärkung? 2 2 Vorbereitende Aufträge 1. Zupfe ein gespanntes Gummiband an und merke dir die Lautstärke. Spanne das Gummiband anschließend über einen Joghurtbecher oder eine Gefrierbox und zupfe es wieder an. Vergleiche! 2. Stelle zwei gleiche, leere Weingläser nebeneinander, ohne dass sie sich berühren. Lege auf den Rand des ersten Glases ein dünnes Holzstäbchen (z. B. einen Zahnstocher). V1 Schlage eine Stimmgabel an und drücke ihren Stiel auf unterschiedlich große Holzkästen oder Holzflächen (Stuhl, Tisch …). Was stellst du fest? V2 Eine Stimmgabel wird über einer Glasröhre befestigt (Bild 3). Statt der Stimmgabel kann man auch einen Lautsprecher mit Tongenerator (440 Hz) als Schallquelle verwenden. Die Schallquelle zwingt die Luft im Glas zum Mitschwingen. Wenn wir den wassergefüllten Zylinder auf und ab bewegen, ändert sich die Länge der Luftsäule. Bei welcher Länge ist der Ton am lautesten? 3 118 Bringe das zweite Glas zum Schwingen, indem du mit einem angefeuchteten Finger auf seinem Rand entlangfährst. Beobachte den Stab auf dem ersten Glas, wenn das zweite Glas schwingt. Findest du eine Erklärung? 3. Manchmal klappern beim Fahren Teile des Autos. Fährt man schneller oder langsamer, verschwindet das Geräusch. Woran könnte das liegen? V3 In Bild 4 stehen die beiden Stimmgabeln auf „Resonanzkästen“. Eine Stimmgabel wird angeschlagen und dann festgehalten. Was kannst du anschließend hören? Stimmgabel Länge der Luftsäule Glasröhre Wasser Standzylinder 4 63276 Empfang von Schall Info: Wie kommt es zur Schallverstärkung? Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. ■ Mitschwingen Wenn du an eine Stimmgabel oder auf einen Tisch klopfst, werden die angestoßenen Körper zu Schallquellen. Sie geraten in Schwingungen mit einer bestimmten Frequenz. Man spricht von Eigenschwingungen und Eigenfrequenz. Das Anstoßen kann auch durch einen Körper erfolgen, der selber schwingt: Wenn man den Stiel einer Stimmgabel auf die Tischplatte drückt, wird die Platte zum Mitschwingen gezwungen – in der Frequenz der Stimmgabel. Die Stimmgabel wirkt als Erreger für die fremde Schwingung. Ihre Frequenz heißt Erregerfrequenz. Ein schwingender Körper kann einen anderen Körper zum Mitschwingen in der Erregerfrequenz zwingen. Man spricht von erzwungenen Schwingungen. Durch das erzwungene Mitschwingen der Tischplatte wird der Ton der Stimmgabel lauter. Der verstärkte Stimmgabelton verklingt jetzt aber schneller als vorher. ■ Resonanz Wenn die Eigenfrequenz des zweiten Körpers mit der Erregerfrequenz übereinstimmt, ist die Amplitude der erzwungenen Schwingung besonders groß. Man spricht von Resonanz. Dazu ein Beispiel: Eine Stimmgabel (a') hat die Frequenz 440 Hz. Ein Körper, dessen Eigenfrequenz auch 440 Hz beträgt, führt dann Resonanzschwingungen aus. In Bild 5 geraten alle Stimmgabeln durch Resonanz in Schwingung. Die Holzkästen und die Luft in ihnen haben die gleiche Eigenfrequenz wie die Stimmgabeln. Die Kästen heißen Resonanzkörper. physikextra www.cornelsen.de/physikextra Ein Video zeigt eine Resonanzkatastrophe … 5 Aus der Musik: Resonanz nicht erwünscht? Gitarren und Violinen haben einen hölzernen Klangkörper, den Korpus (Bild 6). Würde der Korpus bei einer bestimmten Tonhöhe in Resonanz geraten, wäre eben dieser eine Ton (und dessen Oktaven) sehr viel lauter als andere Töne. Die Kunst der Instrumentenbauer liegt darin, dass der Korpus fast alle Töne durch Mitschwingen gleichmäßig verstärkt. Eine ausgeprägte Resonanz- frequenz sollte der Korpus also gerade nicht haben! Das ist aber physikalisch kaum möglich. Für das Diagramm in Bild 7 wurde mit Hilfe von Tongenerator und Lautsprecher der Korpus einer Violine zum Mitschwingen angeregt (unterschiedliche Tonhöhe, gleiche Lautstärke): Einige Töne werden besonders verstärkt. Bei einer Meistergeige liegen diese Frequenzen in der Nähe der Grundtöne der Saiten. d1 a1 e2 a2 e3 a3 e4 a4 e5 a5 8 000 10 000 6 000 4 000 2 000 800 1 000 600 Schallloch Saitenhalter Stimmstock 200 Schnecke Wirbel Griffbrett Hals Korpus Saiten Steg 400 Lautstärke g0 Frequenz in Hz 6 7 63971 Hohe Zacken des Diagramms zeigen an, dass der Korpus einen Ton durch Mitschwingen besonders verstärkt. 119 Empfang von Schall Aus der Berufswelt: Hörgeräteakustiker/in Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Xaver im 3. Lehrjahr berichtet: 120 Mikrofon zur Ohrplastik Lautsprecher rie Hörgeräteakustiker haben gute Berufschancen, denn Jugendliche weisen Lärmschäden auf und mit der Lebenserwartung nehmen auch altersbedingte Hörbehinderungen zu. Viele Kliniken nehmen neuerdings Hörgeräteakustiker in ihr Team auf. Der Hörgeräteakustiker kann das Ausmaß der Hörbehinderung messen. tte Ausbildung und Berufschancen Die Ausbildungszeit beträgt 3 Jahre. Eine gute Schulbildung ist von Vorteil, da besondere technische und medizinische Kenntnisse nötig sind. In den letzten Jahren wurden praktisch nur Auszubildende mit mindestens mittlerem Bildungsabschluss eingestellt. 1 Ba Technik und Elektronik haben mich schon immer interessiert. Und mit hilfsbedürftigen Menschen kann ich auch ganz gut umgehen – da habe ich schon mit meiner Großmutter Erfahrungen gesammelt. Das ist ganz typisch für diesen Beruf: die Verbindung von Technik und der Umgang mit hörbehinderten Menschen. Ohne ein gutes Einfühlungsvermögen kommt man nicht weit. Die Zusammenarbeit mit Hals-Nasen-Ohren-Ärzten gehört auch zum Beruf, aber das läuft bei uns weitgehend über den Meister. Als Hörgeräteakustiker passe ich den Hörbehinderten Hörgeräte an. Sie sollen den Hörfehler ganz oder teilweise ausgleichen. Die Tätigkeit umfasst eine ganze Reihe von verschiedenen Aufgaben: Ich muss das Ausmaß der Hörbehinderung messen, da geht es um Frequenzen, Amplituden und Lautstärken. Das Ohrpassstück fertige ich nach dem Ohrabdruck des Patienten an. Wenn das Hörgerät angepasst ist, muss ich die Feinanpassung vornehmen. Die Benutzung des Geräts und des Zubehörs muss erklärt und Nachbetreuungsmaßnahmen müssen eingeleitet werden. Und später bringen die Kunden ihre Geräte zur Instandhaltung und Wartung. Ein ganz anderer wichtiger Bereich ist der vorbeugende Gehörschutz. Da geht es um Beratung und Anpassung von Gehörschutzmitteln und Lärmmessungen. Aber das ist längst noch nicht alles. Die Abrechnung mit der Krankenkasse – damit muss ich mich gerade beschäftigen. Mit der Entwicklung der Mikroelektronik in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts setzte eine stürmische Entwicklung von Hörgeräten ein. Die Schallwandler wurden kleiner und kleiner. Diese Miniaturisierung führte dazu, dass die Geräte immer besser wurden und sich heute an nahezu allen Arten von Hörbehinderungen anpassen lassen. Steuerchip BetriebsartenSchalter Digitales Hörgerät 2 3 Reparatur unter dem Mikroskop Weiterbildungsmöglichkeiten X Hörgeräteakustikermeister/in X staatlich geprüfter Hörgerätetechniker/in Typische Werkzeuge und Arbeitsmittel X Ohrenspiegel X Audiomessgeräte, Rauschgeneratoren X Fräswerkzeuge, Keramikschleifer X Lupe X Öle, Wachs, Gips, Kunststoffe X Zeichnungen, Pläne, Tabellen 63732 Empfang von Schall Der Doppler-Effekt Beim Autorennen können die Zuschauer nicht nur Rennwagen sehen, sondern auch eine akustische Beobachtung machen, und zwar immer dann, wenn die Fahrzeuge vorbeifahren … 4 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Vorbereitende Aufträge 1. Wie ändert sich der Ton des Martinshorns, wenn ein Sanitätswagen oder ein Einsatzfahrzeug der Polizei an dir vorbeifährt? 2. Führe mit einem Freund oder einer Freundin folgendes Experiment durch (nicht im fließenden Straßenverkehr!): Eine Person steht am Wegrand, die andere fährt möglichst schnell vorbei, wobei sie ständig mit der Fahrradglocke oder einer Trillerpfeife Schall erzeugt. Wie ändert sich das Geräusch? V1 Mit einem Tongenerator und einem Lautsprecher wird ein gut hörbarer Ton erzeugt. Der Lautsprecher ist an zwei Schnüren von mindestens 1 m Länge aufgehängt, sodass er in Richtung auf die Zuhörer pendeln kann (Bild 5). LautVergleiche die Tonhöhe sprecher Zuhörer bei ruhendem Lautsprecher mit den Tonhöhen, die beim schwingenden Lautsprecher zu hören zum Tongenerator 5 sind. Info: Der Doppler-Effekt beim Schall Wenn eine Schallquelle, z. B. ein hupendes Auto, an einem Beobachter vorbeifährt, nimmt dieser eine Veränderung des Tons wahr. Beim Vorbeifahren wird der Ton tiefer. An der Schallquelle selbst ändert sich dabei nichts. Diese Erscheinung heißt DopplerEffekt. Der Österreicher Christian Doppler fand 1842 eine Erklärung für die Frequenzänderung. ruhende Schallquelle Zuhörer 2 63733 bewegte Schallquelle Zuhörer 1 gleiche Frequenz links und rechts 6 Bewegt sich die Schallquelle auf den Beobachter zu, so liegen die Verdichtungen in Bewegungsrichtung dichter zusammen. Die Schallquelle hat sich ja weiterbewegt, bevor sie die nächste Verdichtung aussendet. Jede Verdichtung hat einen anderen Ursprungsort. Bild 6 zeigt, wie die Schallwelle in der ruhenden Luft aussieht. niedrigere höhere Frequenz als im Ruhestand Wenn sich die Schallquelle auf den Beobachter zubewegt, folgen die Verdichtungen in geringeren Abständen als bei ruhender Quelle. Der Beobachter nimmt also eine höhere Frequenz wahr. Entfernt sich die Schallquelle, so ist die wahrgenommene Frequenz kleiner (Doppler-Effekt). 121 Empfang von Schall „Power“ für die Ohren? Lärmschutz jetzt auch in der Diskothek Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 1 9000 Diskotheken haben Sorgen: Das Ende eines „irren Sounds“? „Diskothek – 1000-W-Boxen hämmern – Techno-Sound – wahnsinnig gut! …“ Nach jedem Wochenende sitzen DiskoBesucher beim Arzt und klagen über ein „taubes Gefühl“ oder „Pfeiftöne“ im Ohr. Auch zu laute Musik aus dem Kopfhörer des Walkman schädigen das Gehör. Tatsache ist: Die meisten Rockmusiker haben bleibende Hörschäden – leider in- zwischen auch 30 % aller Jugendlichen. Schall, der zu laut ist, wird als lästig oder unerträglich empfunden. Störenden Schall bezeichnet man als Lärm. Dauernder Lärm macht krank: Der Blutdruck steigt, man wird nervös und schläft schlecht. Aber wie macht man Lärm leiser? V1 Lege einen läutenden Wecker auf den Tisch. Wie kannst du den Lärm verringern? Welche Hilfsmittel brauchst du für deinen „Lärmschutz“? V2 In ein Waschbecken lässt du Wasser einlaufen (ungefähr 10 cm hoch). Gib ein Geschirrspülmittel hinzu und wirble das Wasser auf. Es bildet sich eine Schaumschicht. Schiebe die Schaumschicht ein wenig zur Seite und lass einen Wasserstrahl auf die Wasseroberfläche plätschern. Schiebe dann den Schaum unter den Wasserstrahl. Wie ist das Versuchsergebnis zu erklären? 2 Kraftfahrt-Bundesamt D-24932 Flensburg Allgemeine Betriebserlaubnis (ABE) nach § 20 der Straßenverkehrs-Zulassungs-Ordnung (STVZO) in der Fassung vom 28.09.1988 (BGBI I S. 1793) Kleinkrad Roller 50 km/h Standgeräusch: 85 dB(A) Fahrgeräusch: 70 dB(A) 3 122 V3 Messungen mit dem Schallpegelmesser (Á Info auf der nebenstehenden Seite): a) Wir bestimmen die Lautstärke im Klassenraum und auf dem Schulhof (während der Pause). b) Jemand hört über einen Kopfhörer Musik. Messt die Lautstärke, die eingestellt wurde (Bild 2). c) Ob die Geräuschangaben in der „Allgemeinen Betriebserlaubnis“ tatsächlich stimmen (Bild 3)? Prüft es nach. V4 In einer Styroporbox ohne Deckel erzeugt ein Summer Lärm. a) Welchen Schall misst man in 10 cm (20 cm, 30 cm …) Abstand? b) Wie ändert sich die Lautstärke, wenn die Box mit einem Deckel verschlossen wird? 63734 Empfang von Schall Info: Lärm kann man messen – der Schallpegel Bei der Beurteilung von Schallpegelwerten sind zwei Besonderheiten zu beachten: Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 4 Wie laut ist der Lärm in der Nähe einer Autobahn? Wie viel Lärm macht ein Motorrad? Um solche Fragen beantworten zu können, muss man mit einem Schallpegelmesser messen (Bild 4). Das ist ein Messgerät, das dem menschlichen Ohr nachgebaut ist. Es reagiert auf Lärm oder bestimmte Frequenzen genauso empfindlich wie unser Ohr. Man gibt den Schallpegel in Dezibel A an. Bei 0 dB(A) hören wir nichts. Geräusche bis zu 30 dB(A) empfinden wir als ruhig. Dauernder Lärm über 85 dB(A) macht schwerhörig. Die folgende Tabelle gibt dir einen Überblick über Schallpegel. Beispiel dB(A) Empfindung Schmerzgrenze Düsentriebwerk, Rockkonzert Hubschrauber Diskothek, Kompressor laute Fabrikhalle Motorrad, Straßenverkehr lautes Rufen, Mofa Büro Unterhaltung Flüstern Blättergeräusch Taschenuhr Atmen Hörschwelle 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 X Bei einem Rasenmäher zeigt der Schallpegelmesser z. B. 65 dB(A) an. Bei zwei Rasenmähern beträgt der Schallpegel aber nicht etwa doppelt so viel, sondern nur 68 dB(A). Durch eine zusätzliche gleiche Schallquelle steigt der Schallpegel um 3 dB(A) an. X Den Lärm, der von zwei Mofas ausgeht, empfinden wir nicht als doppelt so laut wie ein Mofa. Erst bei zehn gleich lauten Mofas haben wir den Eindruck einer doppelten Lautstärke (Bild 5). Wenn der Schallpegel um 10 dB(A) steigt, empfinden wir die doppelte Lautstärke. Wir empfinden also ein Motorrad mit 80 dB(A) doppelt so laut wie ein Mofa mit 70 dB(A). 70 dB(A) „unerträglich“ 73 dB(A) 76 dB(A) „laut“ Bei einer Steigerung um 10 dB(A) empfinden wir eine doppelte Lautstärke. „leise“ 80 dB(A) „ruhig“ 5 A1 Bei grellem Licht kannst du einwirken … X auf die Lichtquelle, X auf die Lichtübertragung (Vorhang zuziehen), X auf den Lichtempfänger (Augen schließen). Suche Beispiele für vergleichbaren Schutz vor Lärm. A3 Ein Kompressor mit 100 dB(A) ist so laut wie 1000 Mofas. Begründe! A2 Ein Staubsauger erzeugt einen Schallpegel von 80 dB(A). Jens meint, zwei solche Geräte nebeneinander würden 160 dB(A) erzeugen. Was sagst du dazu? A5 In Versuch 4 erzeugte der Summer in der Box mit Deckel genauso viel Schall wie in der Box ohne Deckel. Mit Deckel war es draußen aber leiser. Warum? 63103 A4 Welche Vor- oder Nachteile hat es, Musik über Kopfhörer statt Lautsprecherboxen zu hören? 123 Empfang von Schall Zusammenfassung Schallempfang mit dem Ohr Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Unser Ohr nimmt die Schallschwingungen auf. Es nimmt schon geringfügige Schwingungen der Luft wahr. Außenohr, Mittelohr und Innenohr sind die drei Bestandteile des Ohres. Das eigentliche Hörorgan ist die Schnecke im Innenohr. Dort befinden sich die Hörsinneszellen, die Haarzellen. Der Hörbereich eines jungen Menschen liegt zwischen 16 Hz und 20 kHz. Der Hörbereich mancher Tiere reicht weit in den Bereich über 20 kHz; man spricht von Ultraschall. Die für uns unhörbaren tiefen Töne bezeichnet man als Infraschall. 1 Erzwungene Schwingungen und Resonanz Jeder einmal angestoßene und dann sich selbst überlassene schwingungsfähige Körper führt Schwingungen in seiner Eigenfrequenz aus. Ein schwingender Körper (Erreger) kann einen anderen Körper zu Schwingungen mit einer vorgegebenen Frequenz zwingen. Man spricht von erzwungenen Schwingungen. Anregung in Eigenfrequenz: Resonanz Stimmen die Frequenz des Erregers und die Eigenfrequenz des schwingenden Körpers überein, so erreicht dessen Amplitude maximale Werte. Luftgefüllte Hohlräume, Holzplatten oder andere Schallquellen können zum Mitschwingen gezwungen werden. Geschieht dies in der Eigenfrequenz, so ist die Lautstärke am größten. 2 Schallpegelmessung Mit einem Schallpegelmesser misst man, wie laut Lärm ist. Der Schallpegel wird in Dezibel (A) angegeben. 73 dB(A) 70 dB(A) 124 Bei 0 dB(A) liegt die Hörschwelle, wir hören gerade noch nichts. Einen Sprung von 10 dB(A) empfinden wir als doppelte Lautstärke. Schall von mehr als 85 dB(A) macht auf die Dauer schwerhörig. 80 dB(A) 3 63735 Empfang von Schall Der Doppler-Effekt Wenn sich eine Schallquelle gegenüber einem Beobachter bewegt, so nimmt der Beobachter eine veränderte Frequenz wahr. bewegte Schallquelle Zuhörer Zuhörer Nähert sich die Schallquelle dem Beobachter, so erscheint der Ton höher. Wenn sie sich vom Beobachter entfernt, hört man einen tieferen Ton. 4 niedrigere höhere Frequenz als im Ruhestand Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Alles klar? 1. In der Ferne hupt ein Auto. Die Schallwellen erreichen deine Ohrmuschel. Beschreibe, was im Ohr weiter geschieht. 2. Wieso kann man auch mit geschlossenen Augen die Richtung einer Schallquelle wahrnehmen? 3. Wann wird Schall zu „Lärm“? Was wird zu hören sein? In welchem Augenblick hört man einen Ton der „richtigen“ Frequenz? 8. Zungenfrequenzmesser (Bild 6) bestehen aus einer Reihe von unterschiedlich langen Blattfedern (Zungen). Die Eigenfrequenz jeder Zunge ist angegeben. ZungenHz 54 frequenzmesser 52 53 50 51 9 4 47 48 4. Wie kann man sich vor Lärm schützen? 5. In Diskotheken und bei Rockkonzerten müssten eigentlich alle Besucher Gehörschützer tragen. Begründe diese Aussage. 6. Wieso müssen die Warnungen in Bild 5 beachtet werden? 7. Ein Lautsprecher, der einen gleich bleibenden Ton aussendet, wird im Kreis herumgeschleudert. Nicht schaukeln! Nicht springen! Nicht marschieren! EINSTURZGEFAHR 6 Blattfedern unterschiedlicher Länge Mit einem Zungenfrequenzmesser kann man z. B. die Frequenz ermitteln, mit der ein Motor „brummt“. Dazu wird das Gerät am laufenden Motor angebracht. Was wird zu beobachten sein? Erkläre die Funktionsweise des Zungenfrequenzmessers. 9. Nenne Musikinstrumente, die einen hölzernen Korpus zur Verstärkung der Töne haben. Ist Resonanz dabei erwünscht oder unerwünscht? Begründe deine Antwort. 10. Manche Sängerinnen können durch Singen eines hohen Tons Weingläser zum Zerspringen bringen. Erkläre! 11. Welches sind die wichtigen Quellen für Lärmbelästigung? 5 63736 12. Was kannst du selbst tun um Lärm zu vermeiden? 125 Projektarbeit Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Planen – Durchführen – Präsentieren 1 2 Lehrgangsorientierter Unterricht Projektorientierter Unterricht Bei einem Projekt arbeitet ihr nicht „im Gleichschritt“ mit der ganzen Klasse an einem Thema, sondern in Gruppen an verschiedenen Themen. Bei der Auswahl des Projekts und beim Festlegen der Teilthemen könnt ihr selber mitwirken. Euer Thema sollte möglichst auch praktische Arbeiten erfordern. Es sollte nicht auf ein Fach be- schränkt sein, sondern mehrere Fächer umfassen. Informationen zu den einzelnen Teilbereichen beschafft ihr euch weitgehend selbst. Die Ergebnisse sammelt ihr nicht nur für euch im Heft oder in einer Mappe. Vielmehr stellt ihr sie der Klasse vor – oder sogar der ganzen Schule, z. B. in Form einer Ausstellung. 1. Arbeitsschritt: Planung der Arbeiten X Wie viel Zeit steht für die einzelnen Arbeitsschritte zur Verfügung? Stellt einen Zeitplan auf. X Wie stellen wir die Ergebnisse unserer Arbeit vor? Tipps dazu findet ihr auf der rechten Seite unten. Nachdem ihr euch für ein bestimmtes Teilthema entschieden habt und Gruppen gebildet wurden, wird die Arbeit geplant. Haltet eure Planung schriftlich in einem Arbeitsplan fest. X Notiert das Ziel eures Projekts. X Welche Aufgaben sind zu bearbeiten? X Wo erhalten wir Informationen zu unserem Thema? Tipps: Büchereien und Schulbüchereien, Schulbücher (auch Bücher anderer Fächer), Stadt- oder Gemeindeverwaltungen, Internet, verschiedene Firmen, Organisationen und Ministerien … X Welche Versuche können wir durchführen, welche Modelle können wir bauen? X Wer übernimmt welchen Auftrag oder welche Aufgabe? X Wobei brauchen wir Lehrerhilfe? 126 3 63211 Projektarbeit 2. Arbeitsschritt: Durchführung der Arbeiten Die übernommenen Aufgaben bearbeitet ihr allein oder zu zweit. X Zwischenergebnisse oder Fragen solltet ihr aber immer wieder in eurer Gruppe diskutieren. X Ihr könnt natürlich auch euren Lehrer oder eure Lehrerin zu Hilfe holen. X Beachtet unbedingt, dass die vereinbarte Zeit eingehalten wird. 5 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 4 6 7 3. Arbeitsschritt: Präsentation der Arbeitsergebnisse Am Ende stellt ihr den Mitschülern die Arbeitsergebnisse eurer Gruppe vor. Bedenkt dabei, dass eure Mitschüler sich nicht mit dem Thema beschäftigt haben. Ihr solltet also eure Ergebnisse anschaulich präsentieren. Übt dazu das mündliche Vortragen in der Gruppe. X Fertigt ein Poster oder eine Wandzeitung an. X Stellt Folien für den Tageslichtprojektor her. X Führt die von euch gebauten Modelle und wichtige Versuche vor. Erklärt sie dabei. X Spielt Interviews vor, die ihr geführt habt. X Baut eine Ausstellung mit euren Arbeitsergebnissen auf. X Gestaltet zu euerm Thema Bildschirmseiten, die miteinander verknüpft sind und eventuell Bestandteil der Homepage eurer Schule werden. Überlegt: Was hättet ihr bei der Planung und Durchführung des Projekts besser machen können? 8 63212 127 Projekt Lärm Lärm stört, schädigt, gefährdet … Fast alle unsere Aktivitäten sind mit Geräuschen verbunden. Ob du mit dem Bleistift schreibst, Ball spielst, mit Inlineskatern fährst oder ein Musikinstrument spielst, immer wird Schall ausgesendet. Während der Arbeit sind viele Menschen gesundheitsgefährdendem Lärm von über 85 dB(A) ausgesetzt. Im Jahr wird ca. 3000-mal „lärmbedingte Schwerhörigkeit“ als Berufskrankheit anerkannt. Auch ein Viertel der jungen Erwachsenen ist aufgrund ihrer Gewohnheiten beim Musikhören hörgeschädigt. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Noch wenig bekannt ist, dass Autounfälle nach dem Besuch von Diskotheken häufig Folgen der zu lauten Musik in der Diskothek sind. 1 3 2 Vorbereitende Aufträge 1. Welchen Arten von Lärm bist du im Laufe eines Tages ausgesetzt? Welchen Lärm erzeugst du selbst? 2. Frage deine Eltern, durch welchen Lärm sie sich am meisten gestört fühlen. 3. Um Lärm physikalisch zu messen, bestimmt man den Schallpegel. Informiere dich im Kapitel Empfang von Schall, was man darunter versteht. a) In welcher Einheit wird der Schallpegel gemessen? b) Wie ändert sich der Schallpegel, wenn sich die Lautstärke verdoppelt oder halbiert? c) Wie groß ist der Schallpegel beim Flüstern, in einem lauten Büro, in der Nähe eines Kompressors? Themen für die Gruppenarbeit Wenn ihr in der Klasse über „Lärm“ redet, werdet ihr feststellen, dass das Thema viele Seiten hat: Lärm kann einerseits Ausdruck von Lebensfreude sein, andrerseits braucht jeder Mensch auch einmal Ruhe. Lärm stört unser Wohlbefinden. Lärm ist jede Art von Schall, der vom Menschen als störend, belästigend oder unangenehm empfunden wird. Lärm kann erschrecken und die Gesundheit schädigen. 128 Eure Fragen zum Thema schreibt ihr auf die Tafel oder besser auf einzelne Zettel. Dann lassen sich die Fragen zu Gruppen zusammenfassen, die vielleicht diese Überschriften haben: – Grundlagen des Hörens, – Lärm als Gesundheitsrisiko, – Lärmmessung, – Schallschutz. 63737 Projekt Lärm Thema: Grundlagen des Hörens Tipps zur Planung der Arbeiten Welche Teilaufgaben will die Gruppe behandeln? Mögliche Teilaufgaben: ∏ Biologischer Aufbau des Ohrs ∏ Frequenzbereich des menschlichen Ohrs ∏ Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs ∏ Hörbereich eines Menschen auf Folie oder Plakat darstellen und um Frequenzbereich eines Tiers ergänzen. ∏ Mit Tongenerator und Lautsprecher experimentieren (Bild 4): Bei nicht zu großer Lautstärke wird die Frequenz schrittweise von 0 Hz bis 20 kHz erhöht. Tipps zur Durchführung der Arbeiten Mögliche Arbeiten bei der Durchführung des Projekts: Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Biologischer Aufbau des Ohrs: ∏ Informationen aus Biologiebüchern und aus diesem Buch (Abschnitt Schallempfang mit dem Ohr, S. 116) auswerten. ∏ Informationen im Internet suchen (z. B. von der Bundeszentrale für gesundheitliche Aufklärung). ∏ Funktionsweise des Ohrs anhand des Modells aus der Biologiesammlung beschreiben. ∏ Hörgeräteakustiker oder Ohrenarzt befragen. Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs: ∏ Führt einen einfachen Hörtest durch, z. B. mit einer fallenden Stecknadel (Bild 5). ∏ Hörtest vom örtlichen Gesundheitsamt, dem Deutschen Grünen Kreuz in Marburg oder der Bundeszentrale für gesundheitliche Aufklärung in Köln beschaffen und durchführen. Frequenzbereich des menschlichen Ohrs: ∏ Information Hör- und Stimmbereiche von Mensch und Tier auf Seite 117 in diesem Buch auswerten. 4 5 Tipps zur Präsentation Biologischer Aufbau des Ohrs: ∏ Stellt eine Folie mit einer vereinfachten Prinzipskizze des Ohrs vor. ∏ Erläutert, wie der Schall innerhalb des Ohrs weitergeleitet wird. Frequenzbereich des menschlichen Ohrs: ∏ Folie bzw. Plakat erläutern. Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs: ∏ Der Hörtest wird vorgeführt. Teilt eure Ergebnisse mit. 63738 129 Projekt Lärm Thema: Lärm als Gesundheitsrisiko Tipps zur Planung der Arbeiten Welche Teilaufgaben will die Gruppe behandeln? Mögliche Teilaufgaben: ∏ Krankheiten, die durch Lärm verursacht werden ∏ Gesetzliche Grenzwerte für die Lärmbelastung ∏ Lärmfreie Zeiten nach der Gemeindeordnung ∏ Hörgewohnheiten von Jugendlichen Tipps zur Durchführung der Arbeiten Mögliche Arbeiten bei der Durchführung des Projekts: Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Krankheiten, die durch Lärm verursacht werden: ∏ Versucht einen Ohrenarzt zu befragen. ∏ Sucht Informationen im Internet (Bundeszentrale für gesundheitliche Aufklärung, Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin …). Gesetzliche Grenzwerte für die Lärmbelastung: ∏ Unfallverhütungsvorschriften bei der Berufsgenossenschaft oder in Betrieben erfragen. ∏ Geräuscharme Geräte mit dem „Blauen Engel“ finden und Vorzüge erkunden. ∏ Ohrenschützer besorgen und erproben. Anteil an der Altersgruppe in % Am Walkman eingestellter Schallpegel Lärmfreie Zeiten nach der Gemeindeordnung: ∏ Im Gemeindeamt die entsprechende Vorschrift besorgen. ∏ Nach Maßnahmen bei Verstößen fragen. Hörgewohnheiten von Jugendlichen: ∏ Befragung in der Klasse oder in der Schule durchführen und auswerten. (Welche Wiedergabegeräte? Wie lange? Wie laut?) Grenzwerte nach der Technischen Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA Lärm) 10 – 13-Jährige 14 – 16-Jährige 30 20 10 0 70 1 Gesetz über Ordnungswidrigkeiten § 117 Abs. 1 Unzulässiger Lärm Ordnungswidrig handelt, wer ohne berechtigten Anlass oder in einem unzulässigen oder nach den Umständen vermeidbaren Ausmaß Lärm erregt, der geeignet ist, die Allgemeinheit erheblich zu belästigen oder die Gesundheit eines anderen zu schädigen. … Die Ordnungswidrigkeit kann mit einer Geldbuße bis zu 5 000 € geahndet werden … 80 90 100 >105 Schallpegel in dB (A) Gebiet/Bereich Industriegebiet vorwiegend Gewerbegebiet Mischgebiet vorwiegend Wohngebiet reines Wohngebiet Innenräume, unabhängig vom Gebiet Immissionsgrenzwerte dB(A) tags nachts 70 70 65 60 50 45 50 45 40 35 40 30 Tipps zur Präsentation Krankheiten, die durch Lärm verursacht werden: ∏ Zeigt ein Plakat oder eine Folie mit den Krankheiten und ihrer jeweiligen Häufigkeit. Erläutert! Lärmfreie Zeiten nach der Gemeindeordnung: ∏ Lest den Text vor und erläutert ihn euren Mitschülern. Gesetzliche Grenzwerte für die Lärmbelastung: ∏ Teilt die Texte den Mitschülern aus und erklärt sie. Hörgewohnheiten von Jugendlichen: ∏ Präsentiert die Ergebnisse der Befragung. 130 63739 Projekt Lärm Thema: Lärmmessung Tipps zur Planung der Arbeiten Welche Teilaufgaben will die Gruppe behandeln? Mögliche Teilaufgaben: ∏ Schallpegelmessungen in der Schule und ihrer Umgebung ∏ Schallpegelmessung von Knall-Ereignissen ∏ Abnahme des Schallpegels mit dem Abstand Bedienungsanleitung für Schallpegelmesser Digitale Schallpegelmesser kannst du direkt ablesen. Bei Zeigergeräten ordnest du der Skalenmitte 0 den Messbereichswert zu, z. B. 60 dB(A). Addiere dann den Zeigerausschlag, z. B. 15 dB(A). In der Regel schwankt die Anzeige des Messgeräts während des Beobachtungszeitraums. Zur Bildung des Mittelwerts wird das Gerät auf „langsam“ oder „schnell“ eingestellt. Tipps zur Durchführung der Arbeiten Mögliche Arbeiten bei der Durchführung des Projekts: Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Schallpegelmessungen in der Schule und ihrer Umgebung: ∏ Umgang mit dem Schallpegelmessgerät erlernen. ∏ Räume in der Schule und Orte in der Umgebung festlegen, an denen gemessen werden soll. ∏ Mittelwert des Schallpegels messen und in einer Tabelle festhalten. Schallpegelmessungen von Knall-Ereignissen: ∏ Umgang mit dem Schallpegelmessgerät erlernen. ∏ Versuchsbedingungen festlegen. Der Knall kann z. B. mit einer Zündplätzchen-Pistole oder durch das Zusammenschlagen von Holzbrettern erzeugt werden. Lautsprecher Bei einem Knall ist der Höchstwert wichtig. Das Messgerät stellst du dazu auf „Maximum festhalten“ (Max. hold) ein. 2 ∏ Höchstwerte des Schallpegels messen und Messwerte festhalten. Abnahme des Schallpegels mit dem Abstand: ∏ Versuchsbedingungen festlegen (Bild 3). Damit Reflexionen vermieden werden, werden Schallquelle und Messgerät freistehend aufgebaut, möglichst hoch über dem Boden. ∏ Messungen durchführen und in Tabelle festhalten. Schallpegelmesser Frequenzgenerator 3 4 Tipps zur Präsentation Schallpegelmessungen in der Schule und ihrer Umgebung: ∏ Erklärt, wie man mit den Schallpegel misst. ∏ Stellt euren Versuchsaufbau vor. Präsentiert eure Messergebnisse auf einer Folie und erläutert sie. Schallpegelmessungen von Knall-Ereignissen: ∏ Beschreibt euren Versuchsaufbau und nennt eure Versuchsergebnisse (Tabelle). 63740 Abnahme des Schallpegels mit dem Abstand: ∏ Erläutert, wie ihr gemessen habt, und beschreibt eure Messergebnisse. ∏ Die Messergebnisse sind nicht so leicht zu erklären. Wie Bild 4 zeigt, verteilt sich der Schall mit der Entfernung auf eine immer größere Fläche. Woran liegt es, dass der Schallpegel keine entsprechende Abnahme zeigt? 131 Projekt Lärm Thema: Schallschutz Tipps zur Planung der Arbeiten Welche Teilaufgaben will die Gruppe behandeln? Mögliche Teilaufgaben: ∏ Versuche zur Lärmverringerung durch Kapselung und zur Schallreflexion ∏ Schallschutz im Verkehr und beim Hausbau Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Tipps zur Durchführung der Arbeiten Mögliche Arbeiten bei der Durchführung des Projekts: Versuche zur Lärmverringerung durch Kapselung und zur Schallreflexion: ∏ Untersucht, wie das Einkapseln der Schallquelle in eine „Schallbox“ wirkt (Bild 1). ∏ Wenn ihr den Schallpegel Po ohne Kapselung und den Schallpegel Pm mit Kapselung messt, könnt ihr das Schalldämpfmaß Po – Pm ermitteln, jeweils in dB(A). ∏ Bewertet die Messergebnisse. Tipp: Bei einer Abnahme des Schallpegels um 10 dB(A) empfindet man die halbe Lautstärke. ∏ Untersucht die Schallreflexion an verschiedenen Stoffen und Oberflächen. Überlegt genau die Versuchsbedingungen, damit die Ergebnisse vergleichbar sind. ∏ Beurteilt, wie gut die verschiedenen Materialen den Schall reflektieren. ∏ Überlegt, wie man die Schallreflexion zum Lärmschutz einsetzen kann. Schallschutz im Verkehr und beim Hausbau: ∏ Besorgt euch im Baustoffhandel Muster von Baumaterialien, die dem Schallschutz dienen. ∏ Beschafft euch Informationen über Schallschutz, z. B. im Internet. ∏ Besichtigt Schallschutzwände in der Nähe eurer Schule und überlegt euch, wie sie funktionieren. 1 2 Dämmmaterial Po in dB(A) Pm in dB(A) Po – Pm in dB(A) Reflektor-Material Po in dB(A) Pm in dB(A) Schaumstoff 50 mm 55 40 15 Kein Reflektor 55 55 Spanplatte 19 mm 55 62 Eierkarton 55 56 Tipps zur Präsentation Versuche zur Lärmverringerung: ∏ Stellt eure Versuchsaufbauten vor. Stellt die Messergebnisse auf einer Folie zusammen. ∏ Erläutert die Versuchsdurchführung und die Ergebnisse. 132 Schallschutz im Verkehr und beim Hausbau: ∏ Stellt eine Ausstellung zusammen. ∏ Spielt die Rolle eines „Lärmschutzberaters“: Beratet eure Mitschüler, mit welchen Maßnahmen und Materialien sie sich vor Lärm schützen können. 63741 Weitere Projektbeispiele Projektbeispiel: Spiegel Ebene Spiegel benutzen wir täglich. Mit einer blanken Blechplatte kann man Zerrbilder von Personen erzeugen. In viele optische Geräte (z. B. dem Tages- lichtprojektor) sind Spiegel eingebaut. Man kann auch einfache Geräte mit Spiegeln bauen und interessante Experimente mit Spiegeln anstellen. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. 1 2 3 1 4 Tipps zur Planung (Vorschläge für Gruppenthemen) Die obigen Bilder sollen euch Anregungen geben, welche Themen ihr in den Gruppen bearbeiten könnt. Hier einige Beispiele: ∏ Spiegelgeräte basteln (Periskop, Winkelspiegel) ∏ Spiegel im Straßenverkehr ∏ Spiegel in Haushalt und Beruf ∏ Experimente mit dem Hohlspiegel ∏ Experimente mit dem Wölbspiegel ∏ Spielereien und „Zaubertricks“ mit Spiegeln Tipps zur Durchführung (Informationsquellen) ∏ Baut ein Periskop aus Pappe und zwei ebenen Spiegeln. ∏ Sucht Spiegel im Straßenverkehr und ermittelt ihre Aufgaben. Bestimmt die „toten Winkel“ bei verschiedenen Rückspiegeln. 63742 ∏ Beispiele für verschiedene Spiegel mitbringen. ∏ Die Wirkung von Hohlspiegeln auf Lichtbündel sowie reelle und virtuelle Bilder untersuchen. ∏ Die Wirkung von Wölbspiegeln auf Lichtbündel und Spiegelbilder untersuchen. Tipps zur Präsentation ∏ Vorführen der gebastelten Geräte mit Erklärung ∏ Ortskarte mit Verkehrsspiegeln in der Nähe der Schule zeigen und Art und Aufgabe der Spiegel erläutern. ∏ Gefahren im „toten Winkel“ anhand einer Zeichnung beschreiben. ∏ Bildarten und Bildbereiche am Hohlspiegel anhand einer Folie erläutern. ∏ Wirkungsweise des Wölbspiegels und des ebenen Spiegels vergleichen. ∏ Zaubertricks vorführen. 133 Weitere Projektbeispiele Projektbeispiel: Fernrohr Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Astronomische Fernrohre sind immer auch „Zeitmaschinen“. Sie ermöglichen einen Blick in die Vergangenheit des Weltalls. Seit 1990 befindet sich das Hubble-Weltraum-Teleskop in einer Erdumlaufbahn. Mit ihm können Sterne in einer Entfernung von 12 Milliarden Lichtjahren beobachtet werden. Wir sehen sie dabei nicht so, wie sie heute aussehen, sondern so, wie sie vor 12 Milliarden Jahren ausgesehen haben. Die Himmelsbeobachtung mit dem Fernrohr ist für viele Menschen auch ein schönes Hobby. 2 1 Tipps zur Planung (Vorschläge für Gruppenthemen) ∏ Selbstbau eines Fernrohrs aus zwei Linsen und zwei Pappröhren ∏ Verschiedene Fernrohre für unterschiedliche Zwecke ∏ Besuch eines Observatoriums ∏ Mond, Planeten, Sterne, Milchstraße – Beobachtung mit dem Fernrohr ∏ Erfindung und Entwicklung des Fernrohrs Tipps zur Durchführung ∏ Mit zwei Linsen und einem Papprohr wird ein Fernrohr gebaut. Hinweise zur Materialbeschaffung findet ihr z. B. auch im Internet. ∏ Befragung von Fachleuten (Optiker) 134 ∏ Das Deutsche Museum in München stellt im Internet Material zum Thema Fernrohr zur Verfügung. ∏ Kataloge von Herstellern optischer Geräte können als Informationsquelle dienen. ∏ Wenn ihr Himmelsbeobachtungen durchführen wollt, findet ihr Anleitungen und Hilfen in Astronomiebüchern. ∏ Bilder vom Sternenhimmel findet ihr im Internet und in naturwissenschaftlichen Zeitschriften. Tipps zur Präsentation ∏ Führt das selbst gebaute Fernrohr vor. ∏ Erläutert die Fernrohrarten anhand von Prinzipskizzen und führt mitgebrachte Fernrohre vor. ∏ Zeigt und erklärt Bilder vom Sternenhimmel. Berichtet von euren Beobachtungen. 63743 Weitere Projektbeispiele Projektbeispiel: Musikinstrumente Auf einem Schlagzeug zu spielen – wäre das nicht auch dein Traum? Sicher wird es dir Spaß machen, ein Schlaginstrument selbst zu bauen. Mit einfachen Mitteln lassen sich auch andere Musikinstrumente basteln. Ein Monochord ist ein nach unten offener Holzkasten mit zwei Stegen, über die verschiedene Saiten gespannt sind. Mit einem solchen Gerät lässt sich die Abhängigkeit der Töne von der Dicke der Saite, der Spannung und vom Material untersuchen. 4 Monochord Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Xylophon 7 „Nagelzupfe“ Trommel Bass 3 5 6 Tipps zur Planung (Vorschläge für Gruppenthemen) ∏ Bau einfacher Musikinstrumente (Trommel, Xylophon, Panflöte …). ∏ Wie kommen bei einem Instrument die unterschiedlich hohen Töne zustande? ∏ Physikalische Experimente mit einer Saite (Monochord) ∏ Besuch bei einem Instrumentenbauer ∏ Instrumentalbesetzungen von Orchester, Kammermusikensemble und verschiedenen Bands ∏ Einüben eines einfachen Musikstücks auf selbst gebauten Instrumenten ∏ Einfache Musikinstrumente verschiedener Kulturen und Völker 63744 8 Xylophon Tipps zur Durchführung ∏ Musikspezialisten gibt es in vielen Familien. ∏ Euer Musiklehrer weiß viel zu dem Thema. ∏ Auch in Musikalienhandlungen gibt es Informationen und Anschauungsmaterial. ∏ Untersucht z. B. am Monochord, wovon die Tonhöhe abhängt. ∏ Manch einfaches Musikinstrument wird als Urlaubserinnerung gekauft. Vielleicht lässt es sich nachbauen oder genauer untersuchen. Tipps zur Präsentation ∏ Tragt ein Musikstück auf selbst gebastelten Instrumenten vor. ∏ Stellt auf einer Folie dar, wovon die Tonhöhe abhängt. Erläutert die Zusammenhänge. 135 Weitere Projektbeispiele Projektbeispiel: Bilder mit Licht Schon immer war es ein großer Wunsch der Menschen, Gegenstände, Personen und Landschaften dauerhaft auf Bildern festzuhalten. Früher gab es dafür nur eine Möglichkeit: Man musste die Bilder malen. Die Malkünste der meisten Menschen reichen aber nicht aus, um ein realistisches Porträt einer Person zu malen. Die Erfindung der Fotografie ist noch nicht einmal 200 Jahre alt. Heute ist ein Leben ohne fotografierte Bilder kaum vorstellbar. Es ist ja auch ganz einfach, Fotos zu machen: Man drückt auf den Auslöser des Fotoapparats, den Rest erledigt das Fotolabor ... Einfache fotografische Bilder könnt ihr aber auch selbst herstellen! Auf Fotopapier kann man schöne Fotogramme herstellen. Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Stoffe verändern sich im Licht. 1 2 Fotografieren mit einer einfachen Lochkamera? 3 Fotografieren war nicht immer so einfach wie heute. 4 Tipps zur Planung (Vorschläge für Gruppenthemen) ∏ Stoffe verändern sich im Licht ∏ Herstellung von Fotogrammen auf Fotopapier ∏ Fotografieren mit einer Lochkamera ∏ Die Fotografie veränderte unsere Kultur (zur Geschichte der Fotografie) ∏ Fotografie in der Kunst und im Alltag Tipps zur Durchführung ∏ Wie man mit Fotopapier und Fotochemikalien umgeht, ist in Büchern für das Hobby-Fotolabor beschrieben. Erkundigt euch auch bei Fotohändlern. ∏ Vielleicht gibt es einen Fotoclub in eurem Ort? ∏ Ausstellungen alter Fotos und Fotoapparate 136 ∏ Bücher für Bildende Kunst („Fotografie“) ∏ Bücher für den Chemieunterricht („Silbersalze“) ∏ In diesem Buch findet ihr Informationen in den Kapiteln „Optische Linsen“ und „Optische Geräte“. Tipps zur Präsentation ∏ Stellt eure selbst gemachten Fotos und Fotogramme aus. Verfasst Erklärungen dazu. ∏ Sammelt Bilder und kurze Texte zur Geschichte der Fotografie. ∏ Stellt mit Hilfe des Kopierers Vergrößerungen eurer Werke her. ∏ Negativbilder könnt ihr am Computer mit einem Bildbearbeitungsprogramm in Positivbilder umwandeln. 63215 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Anhang Anhang Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Auswahl physikalischer Größen und ihrer Einheiten Größe Symbol Einheit Länge l Meter 1m 2 Weitere Einheiten Beziehung Seemeile 1 sm 1 sm = 1852 m Ar Hektar 1a 1 ha 1a 1 ha = 100 m2 = 100 a = 104 m2 1l 1l = 1 dm3 = 10–3 m3 1g 1t = 10–3 kg = 103 kg 1 min 1h = 60 s = 60 min = 3600 s 1 Hz = Fläche A Quadratmeter 1m Volumen V Kubikmeter 1 m3 Liter Masse m Kilogramm 1 kg Gramm Tonne 1g 1t Kraft Gewichtskraft F FG Newton 1N Zeit t Sekunde 1s Minute Stunde 1 min 1h Frequenz f Hertz Geschwindigkeit v Einfallswinkel e Winkelgrad 1° Brechungsswinkel b Winkelgrad 1° Bildweite b Meter 1m Gegenstandsweite g Meter 1m Bildgröße B Meter 1m Gegenstandsgröße Gg Meter 1m Brennweite f Meter 1m 1 Hz 1 m s 1 km h 1 m s 1 s = 3,6 km h Vielfache und Teile von Einheiten Vorsatz Giga- Mega- Kilo- Hekto- Deka- Dezi- Zenti- Milli- Mikro- Nano- Piko- Vorsatzzeichen G M k h D d c m m n Faktor 10 9 6 10 3 10 2 10 1 10 –1 10 Ortsfaktoren für verschiedene Himmelskörper Ort Erde, Normort –, Pole –, Äquator Mond Sonne Merkur Venus Ortsfaktor in N kg Ort 9,81 9,83 9,78 1,62 274 3,7 8,87 Mars Jupiter Saturn Uranus Neptun Pluto Ortsfaktor in N kg 3,71 23,21 9,28 9,0 11,6 ca. 0,5 Lichtgeschwindigkeiten Medium Lichtgeschwindigkeit in m – s rotes Licht Luft Wasser Glas Vakuum 138 grünes Licht blaues Licht 2997 · 105 2997 · 105 2997 · 105 2253 · 105 2245 · 105 2236 · 105 5 5 1989 · 10 1981 · 10 1972 · 105 299 792 458 ≈ 3,00 · 108 10 –2 –3 10 10 –6 p –9 10 10 –12 Schallpegel Beispiel dB(A) Empfindung Schmerzgrenze Düsentriebwerk, Rockkonzert Hubschrauber Diskothek, Kompressor 130 120 110 100 „unerträglich“ laute Fabrikhalle Motorrad, Straßenverkehr lautes Rufen, Mofa 90 80 70 „laut“ Büro Unterhaltung Flüstern 60 50 40 „leise“ Blättergeräusch Taschenuhr Atmen Hörschwelle 30 20 10 0 „ruhig“ Sach- und Namenverzeichnis Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Abbildung 42 Adhäsion 104 Angriffspunkt 72 f. Auge 46 ff. Augenoptiker/in 51 Amplitude 110 Balkenwaage 92 Belichtungszeit 57 Betrag einer Kraft 71 Bewegung, brownsche 100 f. Bild, virtuelles (scheinbares) 23 –, reelles 42 Bildpunkt 42 f. Bildweite 42 f., 45 Blende 57 Brechung 25 ff., 43 Brechungswinkel 27 Brennpunkt 39, 43 Brennweite 39, 45 Brille 48 Brown, Robert 100 Cavendish, Henry 76 Dezibel A 123 f. Digitalkamera 59 Diffusion 101 Dispersion 33 ff. Doppler-Effekt 121, 124 Echo 112 f., 115 Echolot 114 Eichwert 93 Eigenfrequenz 119, 124 Einfallslot 26 Einfallswinkel 20, 27 Einheit 63, 67, 75, 92, 138, 140 Fachwerkbauten 85 Fernrohr 54 f., 60 –, astronomisches 54 –, keplersches 54 Fotoapparat 56 f., 61 Fotograf/in 58 Fraunhofer, Joseph 55 Frequenz 110 Gecko 104 Gegenstandspunkt 42 f. Gegenstandsweite 42 f. Gerät, optisches 48 ff. Gewichtskraft 73 ff., 94 Glasfaserkabel 30 Gleichheit 75, 77, 92, 140 Goethe, Johann Wolfgang von 36 Gravitation (Massenanziehung) 76 f., 141 Größe, physikalische 63, 67, 138, 140 Grundgröße 92 Grundwissen 140 Hai 117 Halbschatten 15, 18 Hörbereich 117, 124 Hörgeräteakustiker 120 Kehlkopf 109 Kernschatten 15, 18 Kepler, Johannes 54 Kilogramm 92, 95 Kohäsion 103 f. Körper, fester 97, 103 ff. –, flüssiger 97, 103, 105 –, gasförmiger 97, 103, 105 Kraft 69 f., 68 ff., 140 f. Kraftmessung 74 ff. Kraftmesser 75, 77 Kräfteaddition 82 ff., 86, 141 Kräftegleichgewicht 80 f., 86 Kräfteparallelogramm 82 ff., 141 Kräftezerlegung 84, 87, 141 Kurzsichtigkeit 49, 60 Länge 62 ff., 140 Längenmessung 62, 64 Lärm 123, 128 ff. Lichtausbreitung 6 ff., 12 Lichtbrechung 25, 31 Lichtgeschwindigkeit 7 f., 12, 27, 138 Lichtquelle 4 f., 12 Lichtstrahl 7 Lichtstreuung 10 Linse, optische 38 ff. Lupe 53, 60 Masse 88 ff., 92 ff., 140 f. Massenanziehung (Gravitation) 74, 76 f., 141 Maßzahl 67 Meile 66 Messbereich 64 Messgenauigkeit 64 Messergebnis 64, 67 Messung 63 Messverfahren 63 Meter 63, 66 Mikrometerschraube 62, 64 Mitschwingen 118 f., 124 Mittelwertbildung 65 Mondfinsternis 16, 18 Nachhall 113 Netzhaut 47 Newton, Isaac 33, 55, 74 Newton (N) 75, 77 Objektiv 57, 61 Ohr 116, 124 Oktave 109 Opernglas 55 optisch dicht 27 Ortsfaktor 94 f., 138 Prismenfernglas 55 Reflektoren 21 Reflexion 19 ff., 31, 113 –, gerichtete 20 –, diffuse 20 Reflexionsgesetz 20 Reflexionswinkel 20 Regenbogen 34 Reibungskraft 70, 73 Resonanz 118 f., 124 Resultierende 82 f. Richtung einer Kraft 72 f. Römer, Olaf 8 Rückstrahler 21 Rückspiegel 21 Sammellinse 38 ff., 53, 60 Schallausbreitung 111, 113 Schallempfang 116 ff., 124 Schallentstehung 110 Schallgeschwindigkeit 112 f., 115 Schallpegel 123 f., 138 Schallreflexion 115 Schallwelle 112, 115 Schattenbild 13 ff., 18 Schattenraum 14, 18 Schieblehre 62, 64 Schwere 91 Schwingungen, erzwungene 119, 124 Sehvorgang 10, 12, 44 ff. Sehwinkel 52, 60 Seitenlinienorgan 117 Sicherheitsgurt 90 Sonnenfinsternis 16, 18 Spektralfarben 33, 37 Spektrum 33, 37 Spiegelbild 22 f. Stelle, unsichere 64, 67 Stimme 109 Stimmband 109 Stimmbereich 117 Strahlung, infrarote 33, 35, 37 –, ultraviolette 33, 35, 37 Streuung von Licht 10 Teilchenbewegung 100 f. Teilchenmodell 96 ff., 105, 141 Temperatur 101 Totalreflexion 29 ff. Trägheit 89, 91, 95, 141 Urkilogramm 92 Urmeter 66 Ultraschall-Untersuchung 114 Vielfachheit 75, 92, 140 Waagen 93 Wechselwirkung 78 ff., 141 Wechselwirkungsprinzip 78, 86 Weitsichtigkeit 49, 60 Wirkungslinie 81 Zerstreuungslinse 40, 49 Ziffer, gültige 64, 67 –, sichere 67 Zoll 66 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Grundwissen · 7. Jahrgangsstufe I • Physikalische Größen Physikalische Größen werden durch ein Messverfahren und eine Einheit festgelegt. Länge, Masse und Kraft sind Grundgrößen. Ihre Festlegung erfolgt in drei Schritten: Physikalische Größe Größenzeichen Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12. Länge Masse Kraft l m F Einheit 1m 1 kg 1N Schritt Länge Masse Kraft Gleichheit Zwei Längen sind gleich lang, wenn sie in denselben Abstand hineinpassen. Die Massen zweier Körper sind gleich groß, wenn die Körper die Balkenwaage im Gleichgewicht halten. Zwei Kräfte sind gleich groß, wenn sie eine Schraubenfeder gleich weit dehnen. Vielfachheit Zwei, drei, vier, … Körper gleicher Länge ergeben aneinander gefügt die doppelte, dreifache, vierfache, … Länge. Zwei, drei, vier, … Körper gleicher Masse haben zusammen die doppelte, dreifache, vierfache, … Masse wie der einzelne Körper. Wird eine Schraubenfeder durch eine Kraft doppelt (dreimal, viermal …) so weit gedehnt wie durch eine andere Kraft, so ist die Kraft doppelt (dreimal, viermal …) so groß wie die andere. Einheit 1 Meter ist der Weg, den das Licht in 299 7193 458 s im Vakuum zurücklegt. 1 Kilogramm ist die Masse des Urkilogramms. 1 Newton ist die Gewichtskraft, die auf ein Wägestück von 102 g am Normort wirkt. • Angabe von Messergebnissen Jede physikalische Größe wird durch die Angabe von Maßzahl und Einheit beschrieben: Physikalische Größe = Maßzahl · Einheit. Beispiel: s = 3 m; m = 5 kg; F = 12 N. Bei der Angabe von Messergebnissen wird die Genauigkeit der Messung berücksichtigt: Die letzte Ziffer des notierten Messergebnisses ist durch die Bauart der Messgeräte, das angewandte Messverfahren und durch die Sorgfalt der messenden Person bestimmt. Sie wird unsichere Stelle genannt. Die angegebenen Ziffern (einschließlich der unsicheren Stelle) heißen gültige Ziffern. Beispiel: m = 150 g (mit einer Haushaltswaage gemessen), m = 150,2 g (mit einer Balkenwaage bestimmt). 63960 C Best.-Nr. 850102 Lizensiert für Realschule am Europakanal bis 29.02.12.
