Das elektromagnetische Spektrum
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55 11281 Didaktische FWU-DVD | Das elektromagnetische Spektrum Physik Klasse 7–12 Tr a i l e r a n s e h e n Schlagwörter Amplitude; Amplitudenmodulation; Antenne; Atomkern; Dipol; Einstein, Albert; Elektromagnetismus; Elektron; Energie; Farbe; Frequenz; Frequenzmodulation; Funktechnik; Gammastrahlung; Handy; Hertz, Heinrich; Hertzsche Wellen; Infrarotstrahlung; ionisierend; Komplementärfarbe; Krebs; Licht; Lichtbrechung; Lichtgeschwindigkeit; Materiewelle; Mikrowellen; Modulation; Niederfrequenzwellen; Nukleon; Photoeffekt; Photon; Radar; Radio; Radiowellen; Regenbogen; Röntgen; Röntgenkunde; Röntgenstrahlung; sichtbares Licht; Signal; Sonne; Spektralbereich; Spektrum; Sterilisation; Strahlung; Teilchen; Temperatur; Terahertzstrahlung; Thermographie; Ultraviolette Strahlung; Wärme; Welle; Wellenlänge Systematik 2 Optik › Wellenoptik › Technische Anwendungen › Farbenlehre Atomphysik › Atombau, Spektren › Technische Anwendungen Wärmelehre › Temperatur, Wärmemenge › Technische Anwendungen Kernphysik › Radioaktivität, Kernumwandlung Zum Inhalt „Das elektromagnetische Spektrum“ (Film 26 min) Ordnet man elektromagnetische Wellen nach ihrer Wellenlänge oder Frequenz, erhält man das elektromagnetische Spektrum. In diesem Film werfen wir einen Blick auf die Entstehung elektromagnetischer Strahlung und zeigen die verschiedenen Strahlungsbereiche. Dabei werden auch Anwendungen der jeweiligen Strahlungsarten gezeigt. Filmsequenzen Elektromagnetische Strahlung (3:20 min) Die elektromagnetische Welle wird vorgestellt und die Begriffe Frequenz, Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit werden eingeführt. Dabei erfährt man auch, dass es sich hier um eine Energieform handelt. Nach der Betrachtung von Licht als Welle wird Licht auch als Strom von Photonen beschrieben und die Bedeutung dieser Sichtweise für die Wechselwirkung von Licht mit Materie betont. Niederfrequenzwellen – Wie kommuniziere ich unter Wasser? (1:00 min) Diese längstwellige Form elektromagnetischer Strahlung ist sicher kaum be- kannt, bis man eine der Quellen erfährt. Zum einen dringen diese Wellen tief ins Wasser ein, sodass sie zur Kommunikation mit getauchten U-Booten verwendet werden kann, auch wenn sich nur wenig Information damit übertragen lässt, zum anderen aber hat schon jeder von Gehirnströmen gehört und gerade diese liegen in diesem Frequenzbereich. Radiowellen – Nützliche Informationsüberträger (3:20 min) Ohne Rundfunk in all seinen Formen wäre unsere heutige Informationsgesellschaft undenkbar. Andererseits sind sowohl die Entstehung von Radiowellen als auch Empfänger und Verwendung so weit von sichtbarem Licht entfernt, dass schon noch einmal betont werden muss, dass diese Radiowellen dasselbe physikalische Phänomen sind wie sichtbares Licht. Die Dipolstrahlung wird kurz eingeführt, dann werden die klassischen Radiobereiche und die verschiedenen Modulationsverfahren beschrieben. Mikrowellen – Praktische Helfer (2:20 min) Mikrowellen sind weit verbreitet. Aber obwohl in den meisten Küchen Mikrowellenherde stehen, wissen die wenigsten, was in ihnen wirklich geschieht. 3 Nachdem dieser Mechanismus erklärt ist, wird die Abschirmung beschrieben, die bei Mikrowellenherden dringend nötig ist, um Menschen zu schützen. Nach dieser Anwendung zum Erhitzen von Lebensmitteln erfolgt eine kurze Auf­ listung von Anwendungen zur Datenübertragung. Terahertzstrahlung – Die Technik von morgen? (1:50 min) Die Diskussion über Nacktscanner wurde öffentlich geführt und der etwas provokante Name ist sicher vielen im Gedächtnis geblieben. Dass dahinter ein noch wenig erforschter Spektralbereich liegt, der zwar viele Anwendungsmöglichkeiten birgt, aber mangels technisch leicht realisierbarer Quellen derzeit nur wenig verbreitet ist, ist hingegen weniger bekannt. Diese Sequenz zeigt den derzeitigen Wissensstand und stellt mögliche Anwendungsgebiete vor. Infrarotstrahlung – Wenn’s mal warm wird (2:10 min) Die Infrarotstrahlung schließt unmittelbar an den optischen Spektralbereich an. Sie ist als Wärmestrahlung schon bekannt und viele Verfahren und Messgeräte nutzen sie zur Temperaturbestimmung. Das kontinuierliche Spektrum der Wärme4 strahlung und die Tatsache, dass nur sehr heiße Objekte in ihrer Temperaturstrahlung Anteile im optischen Spektralbereich haben, wird nun ebenso angesprochen wie Vielfalt der Nutzungsmöglichkeiten, von der Heizung bis hin zur Datenübertragung. Sichtbares Licht – Ein Gemisch aus vielen Farben (2:40 min) Der uns am besten vertraute Bereich des elektromagnetischen Spektrums ist der des sichtbaren Lichts. Hier wird gezeigt, wie beispielsweise Prismen das scheinbar weiße Licht in seine Spektralfarben aufspalten, wieso manche Edelsteine so bunt funkeln und wie ein Regenbogen entsteht. Dazu wird auch unser Farbempfinden etwas genauer betrachtet, wobei zuletzt feststeht, dass die Frequenz des Lichtes, nicht seine Wellenlänge, unser Farbensehen beeinflusst. Ultraviolette Strahlung – Was brennt denn da? (3:50 min) Ultraviolette Strahlung bringen wir zunächst meist mit Sonnenbrand und einer Bräunung der Haut in Zusammenhang. Der höhere Energieinhalt der Strahlung wird thematisiert, zusammen mit den Folgen. So kann UV-Strahlung zur Sterilisation eingesetzt werden. Die Auf­ teilung des Spektralbereichs in Unter­ bereiche wird vorgestellt und mehrere weitere Anwendungen gezeigt, darunter optische Aufheller und „Neonfarben“. Zuletzt wird erwähnt, dass manche Tiere ultraviolette Strahlung noch gut wahrnehmen können. Röntgenstrahlung – Der Blick in den Körper (2:30 min) Bekannt ist die Röntgenstrahlung aus der medizinischen Diagnostik. Sie wird kurz vorgestellt, wobei auf den höheren Energieinhalt und auf den vermehrt relevanten Teilchencharakter eingegangen wird. Dabei wird erklärt, wie ein Röntgenbild entsteht und warum man sich vor dieser Strahlungsart schützen muss. Auch die Wirkungsweise sogenannter Kontrastmittel wird demonstriert. Röntgenstrahlung wird nicht nur in der Medizin verwendet, sondern bietet auch andere Einsatzmöglichkeiten. Gammastrahlung – Klein und nützlich (1:20 min) Die Gammastrahlung ist die energiereichste elektromagnetische Strahlung, die wir kennen. Dass man Gammastrahlung vielfältig nutzen kann, sowohl in der Medizin als auch in der Werkstofftechnik, ist nicht so geläufig. Bilder und Grafiken Das elektromagnetische Spektrum (Grafik) Das elektromagnetische Spektrum, auch elektromagnetisches Wellenspektrum, ist die Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen verschiedener Wellenlängen. In diesem Spektrum lassen sich die Frequenz, die Wellenlänge und die Photonenenergie ablesen und den Bereichen des elektromagnetischen Spektrums zuordnen. Steckbriefe Zu jedem der Frequenzbereiche des elektromagnetischen Spektrums findet sich ein Steckbrief, in dem die Wellenlänge, die Frequenz, die Photonenenergie, die wichtigsten Entstehungsorte und beispielhafte Anwendungen des jeweiligen Strahlungstyps abzulesen sind. Elektromagnetische Welle (Grafik) Als elektromagnetische Welle bezeichnet man eine Welle aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern. Die Grafik zeigt Ausbreitung der magnetischen und der elektrischen Komponente von elektromagnetischen Wellen im Raum. 5 Frequenz und Wellenlänge (2 Grafiken) Die Frequenz ist ein Maß dafür, wie schnell bei einem periodischen Vorgang die Wiederholungen aufeinanderfolgen. Die Wellenlänge λ einer periodischen Welle ist der kleinste Abstand zweier Punkte gleicher Phase. Beides wird hier anschaulich dargestellt. Hochhaus: Realbild und Infrarot­ aufnahme (Bild) Das Bild zeigt eine Infrarotaufnahme eines Gebäudes. Frequenzmodulation (Grafik) In dieser Grafik wird ein hochfrequentes Informationssignal auf ein tieffrequentes Trägersignal durch Frequenzmodulation aufgeprägt. Lichtbrechung durch ein Prisma (Grafik) Mit dieser Grafik können die Lichtbrechung und die Aufspaltung weißen Lichtes in seine Spektralfarben durch ein Prisma erarbeitet werden. Dringt weißes Licht in ein Prisma, wird es gebrochen. Dabei wird es in seine Spektralfarben aufgefächert. Das rote Licht wird dabei am wenigsten, das blaue Licht am stärksten gebrochen. Amplitudenmodulation (Grafik) In dieser Grafik wird ein hochfrequentes Informationssignal auf ein tieffrequentes Trägersignal durch Amplitudenmodulation aufgeprägt. IR-Bild einer Hand (Bild) Das Bild zeigt eine Infrarotaufnahme einer Hand. Ausrichtung von Dipolen (Grafik) Mikrowellen erzeugen schnell wechselnde elektrische Felder. Diese versetzen Dipole – wie beispielsweise Wassermoleküle – in Bewegung. Durch Reibung der Moleküle aneinander entsteht Wärme. Nacktscanner (Bild) Sie sind in aller Munde – Nacktscanner. Dieses Bild zeigt die Aufnahme eines Terahertzscanners. 6 Lichtbrechung im Regentropfen (Grafik) Die Lichtbrechung und die Aufspaltung weißen Lichtes in seine Spektralfarben durch einen Wassertropfen können mit dieser Grafik erarbeitet werden. Dringt weißes Licht in einen Wassertropfen, wird es gebrochen. Dabei wird es in seine Spektralfarben aufgefächert. Das rote Licht wird dabei am wenigsten, das blaue Licht am stärksten gebrochen. Ein Teil wird an der Rückwand des Tropfens reflektiert und beim Austritt aus dem Wassertropfen noch einmal gebrochen. Der Winkel zwischen eintreffendem und austretendem Licht beträgt etwa 42°. Regenbogen (Bild) Wird sichtbares Licht in Wassertropfen gebrochen, kann ein Regenbogen entstehen. Lichtabsorption – Komplementärfarbe (2 Grafiken) Wird Materie von Licht bestrahlt, absorbiert sie bestimmte Wellenlängen aus dem Spektrum des Lichts. Das nicht absorbierte Licht wird reflektiert. Das ist die Farbe, die wir wahrnehmen. Sie ist die Komplementärfarbe des absorbierten Lichts. Die Grafiken zeigen das Farbspektrum von absorbierten Wellenlängen und deren Komplementärfarben. Sicherheitsmerkmale auf Banknoten (Bild) Mit UV-Licht kann man die Sicherheitsmerkmale auf Banknoten sichtbar machen. Röntgenbild (Bild) Das Bild zeigt eine Röntgenaufnahme einer Hand. Röntgenröhre (Grafik) Die Darstellung der Röntgenröhre zeigt deren schematischen Aufbau mit der Vakuumröhre, dem Heizdraht mit angelegter Heizspannung, die Anodenspannung und das Austreten sowie Beschleunigen der Elektronen hin zur Anode. An dieser ist die emittierte Röntgenstrahlung eingezeichnet. Röntgenspektrum (Grafik) Die Grafik zeigt das Spektrum der Röntgenstrahlung. Hierbei ist die Intensität gegen die Wellenlänge aufgetragen, in Abwechslung zum Film, in dem gegen die Energie aufgetragen wurde. Deutlich zu erkennen ist das Bremsspektrum sowie die Kα- und K β-Linien. Gammaquant (Grafik) Gammastrahlung entsteht bei Übergängen im Atomkern: Nukleonen des Kerns (Protonen, Neutronen) gehen von einem energetisch angeregten Zustand in einen energetisch niedrigeren Zustand über. Die dabei frei werdende Energie wird in Form von Gammaquanten emittiert. 7 Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler • lernen die Spektralbereiche des elektromagnetischen Spektrums kennen; • kennen Anwendungen von Strahlung diverser Spektralbereiche in Natur und Technik; • kennen den Wellencharakter der elektromagnetischen Strahlung bei deren Ausbreitung; • kennen den Zusammenhang zwischen Ausbreitungsgeschwindigkeit, Frequenz und Wellenlänge; • kennen die Interpretation von elektromagnetischer Strahlung als Strahl von Photonen; • können die Gefährlichkeit verschiedener Arten elektromagnetischer Strahlung bewerten. 8 Didaktische Hinweise Elektromagnetische Strahlung ist in unserer Welt von zentraler Bedeutung: Sonnenlicht als Energie- und Lichtquelle, Radiowellen zur Kommunikation, Röntgenstrahlung in der medizinischen Diagnostik und vieles andere mehr. Die Schülerinnen und Schüler haben Alltagserfahrungen mit vielen Formen elektromagnetischer Strahlung, ohne über ihre Natur, über Gemeinsamkeiten und Unterschiede Bescheid zu wissen. Diese Produktion soll schon früh eine Möglichkeit bieten, etwas mehr über das elektromagnetische Spektrum zu erfahren als das im Unterricht in der Regel der Fall ist. Die verschiedenen Wellenlängenbereiche werden mit vielen Anwendungsbeispielen vorgestellt, der Begriff der Welle wird eingeführt und auch das Photonenbild und die quantenhafte Wechselwirkung mit Materie werden beschrieben. Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROMTeil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor: • Die PDF-Dateien können am PC direkt ausgefüllt oder ausgedruckt werden. • Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Materialien Didaktische Hinweise Hinweise zum Einsatz des Films, der Filmsequenzen, den Grafiken, und den ergänzenden Arbeitsmaterialien Arbeitsblätter (mit Lösungen) 1) Berechnungen rund ums Licht 2) Photonen und Materiewellen 3) Anwendungen und Auftreten elektromagnetischer Strahlung 4) Wahr oder falsch? 5)Kreuzworträtse 6–14) Steckbriefe zu den einzelnen Strahlungsarten Bilder und Grafiken • • • • • • • • • • • • • • • • Filmtext Filmtext zum Film als PDF-Dokument Programmstruktur Übersicht über den Aufbau der DVD Weitere Medien Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben Produktionsangaben zur DVD und zum Film Das elektromagnetische Spektrum Steckbriefe Elektromagnetische Welle Frequenz und Wellenlänge Frequenz- und Amplitudenmodulation Ausrichtung von Dipolen Nacktscanner IR-Bild einer Hand und eines Hochhauses Lichtbrechung durch ein Prisma und im Regentropfen Regenbogen Lichtabsorption – Komplementärfarbe Sicherheitsmerkmale auf Banknoten Röntgenbild Röntgenröhre Röntgenspektrum Gammaquant 9 46 11281 Das elektromagnetische Spektrum Programmstruktur Das elektromagnetische Spektrum Programmstruktur Hauptmenü Das elektromagnetische Spektrum Das elektromagnetische Spektrum Film 26 min Das elektromagnetische Spektrum Grafik Elektromagnetische Strahlung Sequenz/Grafik Die verschiedenen Frequenzbereiche Menüs Arbeitsmaterial Untermenü Elektromagnetische Strahlung Elektromagnetische Strahlung 3:20 min Elektromagnetische Wellen Grafik Frequenz Grafik Wellenlänge Grafik Die verschiedenen Frequenzbereiche Niederfrequenzwellen Radiowellen Mikrowellen Sequenz/Grafiken Sequenz/Grafik/Bild Infrarotstrahlung Sequenz/Grafik/Bild Sichtbares Licht Sequenz/Grafiken Sequenz/Grafik/Bild Röntgenstrahlung Sequenz/Grafiken Gammastrahlung Sequenz/Grafiken Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 14 Arbeitsblätter (mit Lösungen) Niederfrequenzwellen Niederfrequenzwellen – Wie kommuniziere ich unter Wasser? 1:00 min Steckbrief „Niederfrequenzwellen“ Grafik Radiowellen – Nützliche Informationsüberträger Steckbrief „Radiowellen“ Frequenzmodulation Amplitudenmodulation Radiowellen 3:20 min Grafik Grafik Grafik Mikrowellen – Praktische Helfer Steckbrief „Mikrowellen“ Ausrichtung von Dipolen Mikrowellen 2:20 min Grafik Grafik Terahertzstrahlung Terahertzstrahlung – Die Technik von morgen? 1:50 min Steckbrief „Terahertzstrahlung“ Grafik Nacktscanner Bild Sequenz/Grafik Sequenz/Grafiken Terahertzstrahlung Ultraviolette Strahlung Untermenü Infrarotstrahlung – Wenn`s mal warm wird Steckbrief „Infrarotstrahlung“ Hochhaus: Realbild und Infrarotaufnahme Sichtbares Licht Sichtbares Licht – Ein Gemisch aus vielen Farben 2:40 min Steckbrief „Sichtbares Licht“ Grafik Lichtbrechung durch ein Prisma Grafik Grafik Lichtabsorption – Komplementärfarbe Ultraviolette Strahlung Ultraviolette Strahlung – Was brennt denn da? 3:50 min Steckbrief „Ultraviolettstrahlung“ Grafik Sicherheitsmerkmale auf Banknoten Bild Röntgenstrahlung – Der Blick in den Körper Steckbrief „Röntgenstrahlung“ Röntgenröhre Röntgenspektrum 31 Grafiken / Bilder Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben 10 Infrarotstrahlung 2:10 min Grafik Bild Gammastrahlung – Klein und nützlich Steckbrief „Gammastrahlung“ Gammaquant Röntgenstrahlung 2:30 min Grafik Grafik Grafik Gammastrahlung 1:20 min Grafik Grafik Produktionsangaben Das elektromagnetische Spektrum (DVD) Didaktische Fachberatung Dr. Sylvia Becker Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2017 Sprecher Ronald Spiess DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann Wir bedanken uns bei allen Beteiligten für die freundliche Unterstützung, besonders bei der Universität Würzburg; Lehrstuhl für Experimen­telle Physik 5 Universitätsklinikum Würzburg; Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie Malteser Hilfsdienst e.V., Würzburg Bundesamt für Strahlenschutz: Michael Sagner Jutta Dernbach Noam Böhle DVD-Authoring und Design TV Werk GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2017 Grafiken FWU Institut für Film und Bild Bildnachweis Coverbild: © tranac – Fotolia.com Arbeitsmaterial Dr. Sylvia Becker Begleitheft Dr. Maike Schuchmann Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zum Film „Das elektromagnetische Spektrum“ Produktion heureka ! film im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2017 Buch Dr. Sylvia Becker Alexander Böhle Bildgestaltung, Regie und Schnitt Alexander Böhle Animationen Markus Krämer Grafik Ildico Böhle Verwendetes Bildmaterial mit freund­ licher Genehmigung von TeraSense, International Telecommunication Union, St. Joseph Post, U.S. Army, Nagel jr., TELUS World of Science, Bundesamt für Strahlenschutz, International Atomic Energy Agency, Universitätsklinikum Köln, iStock.com Redaktion Dr. Maike Schuchmann Gerrit Anke Rau Nur Bildstellen/Medienzentren: öV zulässig © 2017 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D-82031 Grünwald Telefon (089) 6497-1 Telefax (089) 6497-240 E-Mail [email protected] [email protected] Internetwww.fwu.de 11 Didaktische FWU-DVD 46 11281 | Das elektromagnetische Spektrum Was lässt Sonnenbrand entstehen? Woher bekommt mein Handy ein Signal? Wie entsteht ein Regenbogen? Wieso glüht heißes Eisen? Wie funktioniert eine Mikrowelle? Was macht ein Nacktscanner? Und haben diese Dinge etwas gemeinsam? Ja – sie beruhen alle auf elektromagnetischer Strahlung. Ordnet man sie nach ihren verschiedenen Wellenlängen beziehungsweise Frequenz­werten, erhält man das elektromagnetische Spektrum. Werfen wir mal einen Blick darauf … Laufzeit 26 min Klasse 7–12 Sprache DE Film 1 Filmsequenzen 10 Arbeitsblätter 14 Bilder / Grafiken 31 Kompetenzerwerb: Die Schülerinnen und Schüler › lernen die Spektralbereiche des elektromagnetischen Spektrums kennen; › k önnen die Gefährlichkeit verschiedener Arten elektro­ magnetischer Strahlung bewerten; › k önnen Wellenlänge und Frequenz als charakterisierende Größen verwenden; › k önnen technische Anwendungen in verschiedenen Wellenlängen­bereichen beschreiben; › k ennen den Wellencharakter der elektromagnetischen Strahlung bei deren Ausbreitung. Ausführliche didaktische Hinweise finden Sie im Arbeitsmaterial. Themen Klasse 7–10 Klasse 10–12 Verschiedene Strahlungsarten Elektromagnetische Strahlung Technische Anwendungen elektromagnetischer Strahlung Welle-Teilchen-Dualismus Schwingkreis Amplituden- und Frequenzmodulation Lehrprogramm gemäß § 14 JuSchG GEMAFREI 4611281010 4 6 11 2 8 1 0 1 0 www.fwu-shop.de Bestell-Hotline: +49 (0)89-6497-444 [email protected] FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gGmbH Bavariafilmplatz 3 | 82031 Grünwald | Telefon +49 (0)89-6497-1 Telefax +49 (0)89-6497-240 | [email protected] | www.fwu.de
