ABENTEUER PHYSIK

Pfaffl · Rentzsch
ABENTEUER PHYSIK
4. Klasse
Entdecke die Welt
Lehrerheft
Zum Konzept von Abenteuer Physik
Zwei Bilder aus der Bildseite zu einem
Unterkapitel
Magnetische Kupplungen
halten die Wagons
zusammen.
Beim Akkuschrauber wird der
Magnetismus gleich zweimal
genützt.
Zwei Beispiele für Abbildungen zu
Schülerversuchen
Das Lehrbuch Abenteuer Physik besteht aus mehreren Haupt- und
Unterkapiteln. Motivierende Bildseiten leiten die Hauptkapitel ein. Die
Bildseiten zu jedem Unterkapitel enthalten sechs bis neun Bilder aus
Alltag, Technik, Natur, Sport usw., die in inhaltlichem Zusammenhang
zum Lehrstoff des folgenden Kapitels stehen. Bei der Betrachtung und
den Unterrichtsgesprächen zu diesen Bildern muss zunächst nicht
unbedingt die physikalische Sichtweise im Vordergrund stehen. Aus
diesem Grund sind auch die Bildkommentare weitgehend
„unphysikalisch“.
Zwei einander gegenüberliegende Textseiten sind inhaltlich
verwandt. Dies ermöglicht es den Schüler/innen, sich die Lerninhalte
„auf einen Blick“ anzueignen.
gekennzeichnet.
Schülerversuche sind mit dem Logo
Der überwiegende Teil der Schülerversuche ist ohne Geräteaufwand
mit einfachen Mitteln durchführbar. Die Abbildungen zu den
Versuchen stehen fast immer unmittelbar neben den Versuchsbeschreibungen.
gekennzeichnet.
Lehrerversuche sind mit dem Logo
Falls erforderlich, werden die Versuche in diesem Lehrerheft genauer
beschrieben und/oder Tipps zu deren Durchführung und Auswertung
sowie für den Einsatz im Unterricht gegeben.
Die Erkenntnisse aus den Versuchen und Überlegungen werden in
sprachlich einfachen, einprägsamen Merksätzen zusammengefasst.
Das Glühbirne-Logo steht für Aufgabenstellungen wie Informationsbeschaffung, Vorhersagen von Versuchsergebnissen, Planung und
Durchführung von Versuchen, Anfertigung von Versuchsprotokollen
usw. Die Lösungen zu den Aufgabenstellungen finden Sie in diesem
Heft.
Schau dir noch einmal die Bilder auf
S. 35 an. Betrachte sie durch die
„physikalische Brille“ und wende das
Gelernte an!
Am Ende der letzten Textseite zu jedem Unterkapitel werden die
Schüler/innen aufgefordert, die Bildseite zum durchgenommenen
Unterkapitel noch einmal anzusehen. Die Bilder sollen jetzt jedoch
durch die „physikalische Brille“ betrachtet werden.
Die Unterkapitel schließen mit Informationen und Aufgaben. Die
Lösungen der Aufgaben finden Sie in diesem Heft.
Blick in die
Geschichte
2
Am Ende der Hauptkapitel folgt eine Seite mit vorwiegend geschichtlichem Inhalt (Die Grenzen des Wachstums, PhysikerAnekdoten).
Hinweise zu den Versuchen ─ Lösungen der Aufgaben
Seite 6
Glühbirne: Legierungen sind metallische Gemische aus mindestens zwei Komponenten. Die
Hauptmasse
bildet
das
Grundoder
Basismetall. Diesem werden ein oder mehrere
andere metallische oder nichtmetallische
Elemente als Zusätze beigemengt.
Versuch: Die Nagelkette
Tipp: Wenn die Anzahl der in der Versuchssammlung vorhandenen Magnete für die
Durchführung
des
Versuchs
als
Schülerexperiment nicht ausreicht, können auch
magnetisierte Stricknadeln verwendet werden.
Statt der Nägel verwendet man dann möglichst
kurze, dünne Eisenstifte.
Versuch: Anziehung und Abstoßung
Tipp: Besonders gut gelingt der Versuch, wenn
man die beiden Wagons auf eine etwa 1 m
lange Modellbahnschiene stellt.
Versuch: Teilung eines Magneten
Tipp: Wenn man sich auf die Oberflächenspannung nicht verlassen will, legt man den einen
Teil des magnetisierten Laubsägeblatts auf eine
dünne Korkscheibe, die man mit einem scharfen
Messer
von
einem
Flaschenkorken
abgeschnitten hat.
Seite 7
Versuch: Magnetisierung durch Fernwirkung
Das Eisenstück, das man in die Nähe eines
„starken“ Magneten hält, muss aus Weicheisen
sein. Stahl behält seine magnetische Wirkung
auch nach der Entfernung des Magneten.
Glühbirne: Die Nägel der „Nagelkette“ werden
durch magnetische Influenz magnetisiert. Die
Nord- und Südpole der einzelnen Nägel ziehen
einander an.
Versuch: Die schwebende Büroklammer
Dieses Experiment gelingt nur mit einem
starken Magnet. Die an einen Faden
gebundene Büroklammer wird zunächst in
direkten Kontakt mit dem Magnet gebracht.
Anschließend
wird
durch
langsames
Verschieben von Muffe samt Stativstab die
Büroklammer so weit vom Magnet entfernt,
dass seine Kraftwirkung gerade noch ausreicht,
die Büroklammer im schwebenden Zustand zu
halten.
Tipp: Wenn nicht ausreichend Stativmaterial für
Schülerversuche zur Verfügung steht, kann die
Büroklammer auch händisch in den Schwebezustand versetzt werden.
Seite 8
Versuch: Ordnung im Magnetfeld
Kunststoffplatten sind besser geeignet als Glasplatten (Bruchgefahr!). Ursache für die Ordnung
der Eisenfeilspäne ist die magnetische Influenz.
Die Richtung des Magnetfelds vom Nordpol
zum Südpol ist willkürlich festgelegt.
Tipp: Es sollte darauf geachtet werden, dass
keine Eisenfeilspäne am Magnet haften bleiben.
Das Entfernen der Späne vom Magnet ist recht
lästig.
Glühbirne: Die geografischen Pole und die
Magnetpole der Erde fallen nicht zusammen.
Seite 10
Versuch: Oersteds Entdeckung
Von einem Flaschenkorken werden mit einem
scharfen Messer dünne Scheiben geschnitten.
Mit wasserunlöslichem Kleber wird auf jede
Korkscheibe ein Teil eines Laubsägeblatts
(Länge etwa 3-4 cm) geklebt. Vor Beginn des
Versuchs wird das Laubsägeblatt mit einem
Dauermagnet magnetisiert. Korkscheibe samt
Laubsägeblatt wird auf die Wasseroberfläche
gesetzt. Nun wartet man, bis das Laubsägeblatt
zur Ruhe gekommen ist und hält die
stromdurchflossene Leitung parallel über das
Laubsägeblatt. Das Laubsägeblatt dreht sich
um etwa 90°. Wenn man die Leitung direkt mit
den Polen der Flachbatterie verbindet, wird ein
Kurzschluss erzeugt. Diese Verbindung darf
daher nur für wenige Sekunden erfolgen.
Tipp:
Für
eine
ganze
Reihe
von
Schülerversuchen sind billige Netzgeräte
(Baumarkt,
Elektrohandel)
hervorragend
geeignet. An diesen Netzgeräten kann man die
Spannung meist in Stufen von 1,5 V bis 12 V
einstellen. Beim Ankauf ist auf Kurzschlusssicherheit zu achten. Ein solches Netzgerät ist auch als Stromquelle für diesen
Versuch geeignet: Man baut einen einfachen
Stromkreis mit einer 12-V / 20 W-Halogenlampe
und hält eine Leitung wie oben beschrieben
über
das
schwimmende
magnetisierte
Laubsägeblatt. So umgeht man den in der
Versuchsabbildung dargestellten Kurzschluss
und die Schüler/innen können mit Muße
beobachten.
Glühbirne: Hans Christian Oersted (17771851) war ein dänischer Chemiker und
Physiker. Er entdeckte im Pfeffer das Alkaloid
Piperin,
beschäftigte
sich
mit
der
Kompressibilität von Gasen und Flüssigkeiten
und konstruierte zusammen mit J.-B.J. Fourier
das erste Thermoelement. 1820 beobachtete
Oersted während einer Vorlesung zufällig die
Ablenkung einer Magnetnadel durch elektrische
3
Ströme. Daraufhin entwickelte A.M. Ampère
eine Theorie des Elektromagnetismus.
Versuch: Die magnetische Spule
Gut geeignet für diesen Versuch ist eine Spule
mit 600 Windungen.
Tipps: Falls vorhanden, Netzgerät verwenden
(siehe Tipp zum vorhergehenden Versuch
„Oersteds
Entdeckung“).
Ein
Eisenkern
verstärkt die magnetische Wirkung der Spule
und das angestrebte Versuchsergebnis ist noch
besser zu beobachten.
Seite 11
Versuch: Der Elektromagnet
Empfohlene Windungszahl der Spule: 600 Windungen.
Der
Eisenkern
verstärkt
die
magnetische Wirkung der Spule, weil er durch
magnetische Influenz selbst magnetisch wird.
Tipp: Falls vorhanden, Netzgerät verwenden
(siehe
Tipp
zum
Versuch
„Oersteds
Entdeckung“, Lehrbuch S. 10).
Versuch: Windungszahl, Stromstärke und
magnetische Wirkung
Wegen der Serienschaltung ist die Stromstärke
in den beiden Spulen gleich groß. Wenn man
den Versuch wie in der Abbildung aufbaut, wird
wegen der höheren Windungszahl der Spule
zuerst der Wagon 1 angezogen. Nach Erhöhung der Stromstärke setzt sich auch der
Wagon 2 in Bewegung.
Tipps: Die Länge des geraden Schienenstrangs
sollte etwa 1 m betragen. Die auf den Spulen
der Versuchssammlung angegebene maximale
Stromstärke darf für kurze Zeit überschritten
werden.
Versuch: Der magnetische Nagel
Tipps: Die in der Versuchsbeschreibung angegebene Drahtlänge von 30 cm ist die minimale
Länge. Sie sollte nicht unterschritten werden.
Damit sich der Draht nicht vom Nagel löst, wird
die fertige Spule mit einem Isolierband
umwickelt.
Seite 12
Versuch: Die Leiterschaukel
Für das gute Gelingen des Versuchs ist ein starker Hufeisenmagnet erforderlich.
Glühbirne: Für die Umkehr der Bewegungsrichtung der Leiterschaukel gibt es zwei Möglichkeiten: Drehung des Magnetfelds um 180°, Änderung der Stromrichtung
4
Seite 14
Aufgabe 1: z. B. Orientierungshilfe für
Zugvögel, Bienen usw. – Schutz vor kosmischer
Strahlung
Aufgabe 2: Der Heizkörper ist durch
magnetische Influenz im Magnetfeld der Erde
magnetisiert. Die magnetische Wirkung lässt
sich mithilfe der Magnetnadel nachweisen.
Aufgabe 3: Wenn der Taster gedrückt wird, ist
der Stromkreis geschlossen. Der Elektromagnet
ist wirksam und die Kontaktfeder wird
angezogen. Dadurch wird der Kontakt zur
Kontaktschraube unterbrochen. Der Stromkreis
ist nun unterbrochen und der Elektromagnet
verliert seine Wirkung. Die Kontaktfeder schließt
wieder den Stromkreis und die Vorgänge
beginnen von neuem.
Aufgabe 4:
Abbildung 1 (600 Windungen, 2 Ampere)
Abbildung 3 (600 Windungen, 3 Ampere)
Abbildung 2 (1 200 Windungen, 2 Ampere)
Abbildung 4 (1 200 Windungen, 3 Ampere)
Seite 16
Versuch: Fahrraddynamo
Für diesen Versuch ist nur ein analoges Messgerät geeignet, dessen Zeiger in Mittelstellung
gebracht werden kann. Messbereich: z. B. 3 V–
Der Zeiger des Voltmeters schlägt abwechselnd
nach links und nach rechts aus. Daraus folgt:
Der Fahrraddynamo erzeugt Wechselspannung
und im geschlossenen Stromkreis fließt Wechselstrom.
Versuch: Modell des Fahrraddynamos
Ein Stabmagnet (oder ein zylinderförmiger Magnet) wird auf einen Drehfuß gelegt und vor einer
Spule (z. B. 1 200 Windungen) in langsame
Drehbewegung versetzt. Der Zeiger des
Voltmeters schlägt – wie im Versuch
„Fahrraddynamo“ – abwechselnd nach links und
nach rechts aus. Wechselspannung wird
erzeugt.
Glühbirne: Die Größe der erzeugten Induktionsspannung hängt von der Windungszahl der
Spule,
von der Stärke des Magnetfelds und von der
Bewegungsgeschwindigkeit des Magneten ab.
Die Abhängigkeiten der Induktionsspannung
von der Windungszahl der Spule und der Stärke
des
Magnetfelds
können
mit
dem
Versuchsaufbau „Modell des Fahrraddynamos“
gut gezeigt werden. Für den Nachweis der
Abhängigkeit der Induktionsspannung von der
zeitlichen Änderung des Magnetfelds (=
Bewegungsgeschwindigkeit des Magneten) ist
dieser Versuchsaufbau wegen der Trägheit des
Zeigers des analogen Messgeräts nur bedingt
geeignet.
viel elektrische Energie erzeugt
Windpark Zurndorf (Burgenland).
Seite 17
Glühbirne: Wiederholung: „Abenteuer Physik 3.
Klasse“, S. 32 und S. 43.
Glühbirne: Die Dichte der magnetischen Feldlinien, die die Spule durchdringen, ist im zweiten
und im vierten Bild am größten, in den anderen
Bildern am kleinsten. Wenn die Dichte der magnetischen
Feldlinien,
die
die
Spule
durchsetzen, zunimmt, nimmt auch die
Spannung zu (und umgekehrt). Die Richtung
des Magnetfelds ist (willkürlich) vom Nordpol
(rot) zum Südpol (grün) festgelegt. Im ersten
Bild ist somit das Magnetfeld von „oben“ nach
„unten“ gerichtet, im dritten Bild von „unten“
nach „oben“ und im fünften Bild wieder wie im
ersten. Die Richtungsänderung des Magnetfelds
bewirkt einen Wechsel der (elektrischen) Pole.
Die Folge ist eine Richtungs-umkehr des Induktionsstroms.
Seite 18
Glühbirne: Informationsquelle: z. B. Atlas,
fächerübergreifend mit dem Geografieunterricht
Seite 19
Glühbirne:
Whg. „Abenteuer Physik 3. Klasse“, S. 20: Die
Siedetemperatur einer Flüssigkeit hängt vom
Druck über der Flüssigkeit ab. Je größer der
Druck ist, desto höher ist die Siedetemperatur.
Kohlenstoffdioxid (CO2) kann nicht entfernt
werden. CO2 ist eines der Treibhausgase.
Glühbirne: Beispiele für das Auftreten von
Spitzenlast: Mittagszeit − es wird gekocht. Elektroherde haben eine hohe Leistung, daher steigt
der Verbrauch an elektrischer Energie. Fernsehübertragung eines Fußballspiels − in der Pause
holen sich viele Zuseher ein Getränk aus dem
Kühlschrank. In den Kühlschrank gelangt
Wärme. Mithilfe elektrischer Energie muss diese
Wärme wieder aus dem Inneren des Kühlschranks transportiert werden.
Seite 20
Glühbirne: Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht Kohlenstoffdioxid (CO2), ein
Treibhausgas.
Glühbirne: Wenn man pro Haushalt von einem
mittleren Jahresbedarf von 4.500 kWh ausgeht,
kann das Solarkraftwerk Loser etwa 8
Haushalte mit elektrischer Energie versorgen
(siehe auch „Abenteuer Physik 4. Klasse“, S.
21).
Glühbirne:
Im
Donaukraftwerk
YbbsPersenbeug (NÖ) wird pro Jahr etwa 27-mal so-
wie
im
Seite 22
Lehrerversuch: Energietransport
Die in der Versuchsbeschreibung angegebene
Länge und der Durchmesser des Konstantandrahts sind besonders für das Gelingen des
ersten Teil des Versuchs wichtig. Wenn der
Draht zu lang oder der Durchmesser zu groß ist,
erwärmt sich der Draht nicht ausreichend und
das Streichholz entzündet sich nicht. Wegen
des Spannungsabfalls am Konstantandraht wird
die Spannung am Netzgerät höher eingestellt
als die auf der Halogenlampe angegebene
Nennspannung.
Tipp: Sollte keine 25 W-Halogenlampe zur Verfügung stehen, kann man auch ein 20 W-Lampe
verwenden.
Wegen der geringeren Stromstärke reicht die
Temperatur des Drahts nicht aus, das
Streichholz zu entzünden. Sicherheitshinweis:
Vorsicht, lebensgefährliche Spannung!
Glühbirne:
Im Stromkreis mit der Halogenlampe ist die
Temperatur des Konstantandrahts höher, weil
die Stromstärke höher ist.
P=U*IÆI=P/U
Halogenlampe: I = 25 W / 12 V ≈ 2 A
Glühlampe:
I = 25 W / 230 V ≈ 0,1 A
Seite 24
Versuch: Fast ein Transformator
Die Magnetfeldverluste sind bei dieser Versuchsanordnung groß. Daher muss die Primärspannung am Netzgerät weit höher eingestellt
werden als die auf dem Lämpchen im
Sekundärstromkreis
angegebene
Nennspannung. Dieser Versuch ist wichtig für
die Vorbereitung des Verständnisses der
Energieübertragung beim Transformator: Viele
Schüler/innen stellen sich nämlich vor, dass der
elektrische Strom auf irgendeine geheimnisvolle
Art und Weise durch den geschlossenen Eisenkern des Transformators von der Primärspule in
die Sekundärspule gelangt.
Tipps: Das Magnetfeld zwischen den beiden
Spulen kann mit einer kleinen Eisenplatte abgeschirmt werden. Das Lämpchen leuchtet dann
schwächer. Der Abstand zwischen den beiden
Spulen wird geändert und die Änderung der
Leuchtstärke des Lämpchens beobachtet und
begründet. Eine der beiden Spulen wird
gedreht. Die Abnahme der Leuchtstärke des
Lämpchens wird beobachtet und begründet.
5
Glühbirne:
Die Änderung der Stromstärke und die Richtungsänderung des Stroms haben eine
Änderung des Magnetfelds zur Folge.
In der Sekundärspule wird durch die Änderung
des Magnetfelds Spannung durch Induktion erzeugt.
Versuch: Transformatormodelle
In den Abbildungen zu diesem Versuch sind bewusst realistische Werte für die Sekundärspannung angegeben. Die „Idealwerte“ werden erfahrungsgemäß mit den in den Schulen
üblichen Experimentiertrafos nicht erreicht.
Beim Einstellen der Primärspannung ist zu beachten, dass die Stromstärke in den Spulen
nicht zu hoch wird. Die maximal zulässige
Stromstärke ist auf den Spulen angegeben.
Glühbirne:
Ein
Beispiel
für
„verloren
gegangene“ Energie: Spulenwicklungen und
Eisenkern geben Wärmeenergie ab.
Seite 25
Neutralleiter. Rechtes Bild: Strom fließt vom
Außenleiter
durch
den
Körper,
die
Wasserleitung aus Metall und die Erde zum
Neutralleiter.
Glühbirne: Die Lebensgefahr ist im zweiten
Bild (feuchte Hände!) und im vierten Bild
(feuchte Erde, barfuß!) besonders groß.
Begründung: Wegen des kleinen Übergangswiderstands ist die Stromstärke hoch. Dieser
Zusammenhang zwischen dem Widerstand und
der Stromstärke ist aus dem ohmschen Gesetz
erkennbar: I = U / R
Seite 27
Glühbirne:
Whg: „Abenteuer Physik 3. Klasse“, S. 91
Whg: „Abenteuer Physik 3. Klasse“, S. 87
Kühlschrank: Schukostecker
Trennscheibe (Š): Konturenstecker
Haarföhn
(Š):
Flachstecker
Konturenstecker
Whg: „Abenteuer Physik 3. Klasse“, S. 88
oder
Glühbirne: Die Sekundärspannung ist etwa
1/20 der Primärspannung. Daher ist das
Verhältnis der Windungszahl der Primärspule
zur Windungszahl der Sekundärspule ungefähr
20:1.
Seite 28
Lehrerversuch: Modell Hochspannungstransformator
Sicherheitshinweis: Lebensgefahr! Die Sekundärspannung beträgt etwa 4.000 V.
Altersgemäße
Erklärung
des
Funkenüberschlags: Die hohe Spannung hat
zur Folge, dass Teilchen der Luft ionisiert
werden. Durch die Luft fließt elektrischer Strom.
Die mit dem Stromfluss verbundene elektrische
Energie wird teilweise in Lichtenergie umgewandelt.
Aufgabe 6: Auf der schräg gestellten
Kupferplatte gleitet der Magnet nur ganz
langsam. Alters-gemäße Erklärung: Durch die
Bewegung des Magneten wird in der
Kupferplatte Induktionsspannung erzeugt. In der
Platte
fließt
Induktionsstrom.
Der
Induktionsstrom erzeugt ein Magnetfeld. Das
Magnetfeld des Dauermagneten und das
Magnetfeld des „Elektromagneten“ wirken so
aufeinander ein, dass die Bewegung des Dauermagneten gebremst wird.
Lehrerversuch: Modell Hochstromtransformator
Um eine entsprechend hohe Stromstärke zu erreichen, muss der Widerstand des Nagels möglichst klein sein. Daher ist ein Nagel mit
möglichst großem Durchmesser zu verwenden.
Berechnung der Sekundärspannung: Verhältnis
der Windungszahlen = 600:5 = 120:1 Daraus
folgt: Die Sekundärspannung beträgt etwa
1/120 der Primärspannung, also etwa 2 V.
Begründung der Bezeichnung Hochstromtransformator: Im Sekundärstromkreis ist die Stromstärke so hoch, dass der Nagel glüht.
Aufgabe 7: Es ist natürlich kein Perpetuum
mobile. Insbesondere Wärmeverluste führen
dazu, dass das Wechselspiel sehr schnell zu
Ende ist.
Seite 26
Glühbirne: Linkes Bild: Strom fließt vom
Außenleiter durch den Körper zum Neutralleiter.
Mittleres Bild: Strom fließt vom Außenleiter
durch den Körper und die Erde zum
6
Aufgabe 5: Die Leitung schwingt im Magnetfeld
der Erde. Es wird Spannung durch Induktion
erzeugt.
Seite 30
Glühbirne: Die Spannung wird mit dem Transformator herabgesetzt.
Versuch: Die Diode im Gleichstromkreis
Im oberen Schaltbild zu diesem Versuch ist die
Diode in Durchlassrichtung geschaltet. Das
Lämpchen leuchtet. Im unteren Schaltbild ist die
Diode in Sperrrichtung geschaltet. Das
Lämpchen bleibt daher dunkel.
Versuch: Die Diode im Wechselstromkreis
Wenn man die Diode mit der Leitung
überbrückt, leuchtet das Lämpchen heller.
Altersgemäße Begründung: Die Diode lässt den
Strom nur in eine Richtung durch. Das
Lämpchen wird deswegen nur mit der halben
elektrischen
Energie
versorgt.
Nach
Überbrückung der Diode kann der Strom wieder
in beide Richtungen fließen. Das Lämpchen
erhält die gesamte elektrische Energie.
Seite 31
Versuch: Der elektrische Speicher
In beiden Versuchen leuchtet das Lämpchen
kurz auf.
Tipps: Um das Aufleuchten des Lämpchens
deutlich beobachten zu können, muss bei Verwendung eines Lämpchens mit den in der Versuchsbeschreibung angegebenen Werten (3,8
V / 70.mA) ein Kondensator verwendet werden,
dessen Kapazität mindesten 1 000 µF beträgt.
Wenn man Kondensatoren geringerer Kapazität
verwendet, muss das Lämpchen durch eine
Leuchtdiode ersetzt werden. In diesem Fall ist
die Polung der Leuchtdiode zu beachten und
ein Vorwiderstand (z. B. 100 Ω) in Serie zu
schalten, um die Leuchtdiode vor Zerstörung zu
schützen.
Tipps zum Schaltbild 2: Die in der Abbildung angegebenen Werte für den Basisstrom und den
Kollektorstrom sind mögliche Messergebnisse.
Die Stromstärken hängen von verschiedenen
Faktoren ab, z. B. vom Transistortyp, von den
Nennwerten des Lämpchens, vom Abstand und
von der Eintauchtiefe der Kohleelektroden.
Durch Verändern der Eintauchtiefe der
Kohleelektroden (Laborhebebühne verwenden!)
kann
annähernd
auch
die
maximale
Verstärkung des verwendeten Transistors ermittelt werden. Der „Wasserwiderstand“ kann wie
im
Schaltbild
1
wieder
durch
den
Körperwiderstand ersetzt werden. Wenn man
die Stecker der beiden Leitungen mit trockenen
(feuchten) Händen anfasst, leuchtet das Lämpchen schwach (stark). Um den Transistor vor
Zerstörung zu schützen, ist ein 100 ΩFestwiderstand
im
Basisstromkreis
empfehlenswert.
Versuch: Die Verstärkerwirkung
Dieser Versuch zeigt die Verstärkerwirkung des
Transistors nur qualitativ.
Seite 33
Glühbirne: Vorgänge beim Entladen des Kondensators: Elektronen fließen von der negativ
geladenen Platte (= Platte mit Elektronenüberschuss) zur positiv geladenen Platte (= Platte
mit Elektronenmangel). Der Stromfluss ist
beendet, wenn die beiden Platten elektrisch
neutral sind.
Versuch: Modell einer Alarmanlage
Tipp: Statt des Festwiderstands mit dem Widerstandswert 1 kΩ können auch Festwiderstände
mit höheren Widerstandswerten (z. B. 10 kΩ)
verwendet werden.
Versuch: Der Pausenfüller
Bei geschlossenem Schalter leuchtet das Lämpchen heller als bei offenem Schalter.
Tipp: Die unterschiedliche Leuchtstärke des
Lämpchens kann auch bei Verwendung von
Kondensatoren geringerer Kapazität (z. B. 470
µF) beobachtet werden.
Aufgabe 8: Wenn man die Stecker der beiden
Leitungen mit trockenen Fingern anfasst,
leuchtet das Lämpchen schwach oder es bleibt
dunkel. Wenn man den Versuch mit feuchten
Fingern durchführt, leuchtet das Lämpchen
stärker. Begründung: Der Übergangswiderstand
zwischen der Haut und den Leitungen ist bei
trockener Haut größer als bei feuchter Haut.
Wenn die Basisstromstärke steigt, nimmt auch
die
Kollektorstromstärke
zu
(Verstärkerwirkung!).
Seite 32
Versuch: Kleine Ströme bewirken große
Ströme
Tipps zum Schaltbild 1: Sollte das Lämpchen in
dieser Schaltung schwach leuchten, liegt es
meist an dem zu geringen „Wasserwiderstand“.
Abhilfe: Abstand zwischen den beiden
Kohleelektroden vergrößern, weniger Wasser
ins Glas füllen. Der Versuch kann auch ohne
Kohleelektroden und Wasserglas durchgeführt
werden, wenn man die Stecker der Leitungen
einfach mit den beiden Händen anfasst und
somit den „Wasserwiderstand“ durch den
Körperwiderstand
ersetzt
(vergleiche
„Abenteuer Physik 4. Klasse“, S. 34, Aufgabe
8). In diesem Fall sind die Schüler/innen
unbedingt darauf hinzuweisen, dass das
Anfassen von blanken Leitungen nur bei
Spannungen unter 50 V~ gefahrlos möglich ist.
Seite 34
Aufgabe 9:
a) Altersgemäße Erklärung: Erst wenn der Kondensator aufgeladen ist, fließt vom Verzweigungspunkt ausreichend Strom zur Basis des
Transistors und macht den Weg frei für den Kollektorstrom.
b) Die Einschaltzeit des Lämpchens kann durch
einen Festwiderstand mit anderem Widerstandswert oder durch einen Kondensator
mit anderer Kapazität verändert werden.
c) Intervallscheibenwischer beim Auto, Umschaltzeit bei Ampelanlagen, …
Tipp: Die Basis des Transistors sollte durch
einen Vorwiderstand (z. B. 100 Ω) vor
Überlastung geschützt werden.
7
Seite 36
Glühbirne: Die unterschiedlich stark magnetisierten Stellen erzeugen in der Spule des LeseSchreibkopfs Spannung durch elektromagnetische Induktion.
Seite 37
Glühbirne: Speicherkapazitäten:
CD-R bzw. CD-RW: z. B. 700 MB (Stand: 2005)
DVD bzw. DVD-RW: z. B. 4,7 GB (Stand: 2005)
Seite 38
Versuch: Modell einer Telefonanlage
Für diesen Versuch sind Mikrofon und
Hörkapsel eines unbrauchbaren Telefons
bestens geeignet. Leitungen ausreichender
Länge werden an
die
Teile
des
Telefons angelötet
(Werkunterricht!)
und mit Krokoklemmen an eine
4,5
V-Batterie
angeschlossen.
Funktionstabelle der UND- Schaltung
S1
0
1
0
1
S2
0
0
1
1
L
0
0
0
1
Funktionstabelle der ODER- Schaltung
S1
0
1
0
1
Aufgabe 11:
E1
0
1
0
1
E2
0
0
1
1
S2
0
0
1
1
L
0
1
1
1
A
0
1
1
1
B
0
0
0
1
C
0
1
1
1
Seite 48
Versuch: Durch die Lupe betrachtet
An den weißen Stellen des eingeschalteten
Farbfernsehgeräts sieht man Stäbchen in den
Grundfarben Rot, Grün und Blau.
Glühbirne:
In jedem Bild ist auch reflektiertes Licht zu sehen. Besonders deutlich erkennt man die Reflexion des Lichts von der Wasseroberfläche,
von der aufgeschlagenen Buchseite, von den
Mauern des Schlosses und von der
Verkehrstafel.
Natürliche Lichtquellen sind z. B. die Sonne, der
Mond und der Blitz. Künstliche Lichtquellen sind
z. B. die Flamme des brennenden Streichholzes
und die elektrische Beleuchtung.
Beispiele für „heiße“ Lichtquellen: Sonne und
Glühlampe; Beispiel für „kalte“ Lichtquellen:
Leuchtstoffröhren, das reflektierende Verkehrsschild oder die reflektierenden Schlossmauern.
Beispiele für die Umwandlung elektrischer
Energie in Lichtenergie: Leuchtstoffröhre, Glühlampe;
Beispiele
für
die
Umwandlung
chemischer
Energie
in
Lichtenergie:
brennendes Streichholz, brennende Kerze
Seite 43
Seite 49
Glühbirne: Zum Speichern einer Seite Text
sind etwa 25 kB erforderlich.
Versuch: Lichtausbreitung
Zusätzlich zum Schülerversuch kann die
Lehrpeson das Experiment auch mit dem
Lichtstrahl eines Laserpointers durchführen.
Laserstrahlen sind für die Schüler/innen
faszinierend! Bei Schülerversuchen ist vom
Gebrauch von Laserpointern jedoch abzuraten.
Glühbirne:
Schaltbild
einer
Gegensprechanlage Æ
Seite 40
Glühbirne: Whg: „Abenteuer Physik 2. Klasse“,
S. 72
Seite 41
Glühbirne: Mit 8 Bit können 28 = 256 Zeichen
codiert werden.
Seite 44
Aufgabe 10:
8
Laserklassen und Gefährdungspotenziale:
Klasse Leistung Wellenlänge
Einsatz-Beispiele
< 25 W 400-700nm
CD-Spieler, Laserdrucker
1
< 25 W 302,5-4.000nm Registrierkassen, Laserdrucker
1M
<= 1 mW 400-700nm
Laserpointer, Ziel- und Richtlaser (Landvermessung)
2
<= 1 mW 400-700nm
Laserpointer, Lasershows (Disco)
2M
1-5 mW 400-700nm
Lasershows (Disco), Zieleinrichtungen für Waffen
3A
1-5 mW 302,5-10.600nm Zieleinrichtungen für Waffen
3R
5-500 mW 302,5-10.600nm Mess- und Einstellungslaser
3B
> 500 mW 302,5-10.600nm Materialbearbeitung, Forschungslaser
4
Handelsübliche Laserpointer gehören zu den
Laserklassen 1 (bzw. 1M) oder 2 (bzw. 2M).
Laser dieser Klassen werden z. B. auch bei der
Landvermessung
und
für
Lasershows
eingesetzt.
Laser der Klasse 1 sind Laser sehr geringer
Leistung
(<
25
µW).
Besondere
Schutzmaßnahmen sind bei Lasern der Klasse
1 nicht erforderlich.
Laser der Klasse 1M sind für das Auge ungefährlich, solange der Strahlenquerschnitt nicht
durch optische Instrumente (Linse, Teleskop
usw.) verkleinert wird.
haben
eine
Laser
der
Klasse
2
Ausgangsleistung von weniger als 1 mW. Sie
sind nicht wirklich sicher. Der Augenschutz ist
jedoch
über
Abwendungsreaktionen
einschließlich
des
Lidschlussreflexes
gewährleistet. Die Verkleinerung des Strahlenquerschnitts durch optische Instrumente
kann jedoch zur Schädigung des Auges führen.
Laser der Klasse 2M sind bei kurzzeitiger Einwirkungsdauer (bis 0,25 s) für das Auge ungefährlich, solange der Strahlenquerschnitt nicht
durch optische Instrumente verkleinert wird. Die
Gefährdung ist vergleichbar mit der Laserklasse
2.
Glühbirne: Zwischen der Taschenlampe und
der Wand sieht man das Licht nicht, weil kein
Licht zum Auge reflektiert wird.
Glühbirne: Das Licht kann z. B. mit
Kreidestaub sichtbar gemacht werden.
Tipp: Bei einer Reihe von optischen Versuchen
tritt immer wieder das Problem auf,
Lichtstrahlen
für
einen
längeren
Beobachtungszeitraum sichtbar zu machen.
Dieses Problem kann durch die Verwendung
einer Nebelmaschine gelöst werden. Der
Ankauf einer solchen Maschine lohnt sich. Sie
kann außer im Optikunterricht auch z. B. für
Schulveranstaltungen verwendet werden.
Glühbirne: Ein Lichtjahr sind rund 9,5 * 10
km.
12
Versuch: Lochkamera
Je kleiner das Loch in der Dose ist, desto schärfer ist das Bild. Die Lichtstärke nimmt allerdings
ab.
Glühbirne: Lichtstrahlen, die von der Spitze
des Baums ausgehen, werden auf dem Transparentpapier „unten“ abgebildet, Lichtstrahlen
vom Baumstamm „oben“.
Seite 50
Versuch: Schattenbilder
Tipp: Auf die Löcher im Karton kann verzichtet
werden, wenn es nur um die Beobachtung von
Kern- und Halbschattenbildern geht.
Seite 51
Glühbirne: Eine Sonnenfinsternis ist nur bei
Neumond möglich, weil nur bei dieser
Mondphase der Mond zwischen der Sonne und
der Erde steht.
Glühbirne:
Eine Mondfinsternis kann es nur bei Vollmond
geben, weil nur bei dieser Mondphase die Erde
zwischen der Sonne und dem Mond steht.
Sonne, Erde und Mond müssen bei der Mondfinsternis „Punkte“ einer Geraden sein, und das
ist nicht bei jedem Erdumlauf des Monds der
Fall.
Letzte Sonnenfinsternis in Österreich: 11. August 1999; die nächste Sonnenfinsternis in
Österreich gibt es erst am 3. September 2081.
Pro Jahr gibt es im Mittel 1,5 Mondfinsternisse.
Nächste Mondfinsternisse: März 2007, Februar
und August 2008
Seite 52
Aufgabe 12: Im Bild c ist der Sehvorgang
richtig dargestellt. Der Lichtstrahl wird vom Blatt
Papier reflektiert und gelangt ins Auge.
Aufgabe 13: Sowohl bei Fernlicht als auch bei
Abblendlicht wird ein Teil des Lichts von den
Nebeltröpfchen reflektiert. Der Anteil des
reflektierten Lichts, der in unsere Augen
9
gelangt, ist bei Fernlicht wegen des kleineren
Einfallswinkels
jedoch
größer
als
bei
Abblendlicht.
Aufgabe 14: Unsere Augen sind nicht „Sender“
von Lichtstrahlen, sondern „Empfänger“ des
Lichts.
Der umgangssprachliche Ausdruck
„Einen Blick werfen“ ist daher aus physiklischer
Sicht sinnlos.
Aufgabe 15: Das Licht braucht von der Sonne
zur Erde ca. 500 Sekunden (8 Minuten 20
Sekunden).
Seite 54
Versuch: Der schwarze Spiegel
Tipp: Um Reflexionen vom Tisch weitgehend zu
vermeiden, sollte der Spiegel auf einen großen
Bogen schwarzes Naturpapier gelegt werden.
Versuch: Reflexionsgesetz
Der Versuchsaufbau hat den Vorteil, dass die
Schüler/innen nicht nur Einfallswinkel und
Reflexionswinkel vergleichen können, sondern
auch beobachten, dass einfallender und reflektierter Strahl in einer Ebene liegen.
Tipp: Zusätzlich zu diesem Schülerversuch
kann die Lehrperson das Reflexionsgesetz
qualitativ auch mit dem Lichtstrahl eines
Laserpointers zeigen. Für Schülerversuche ist
von dem Gebrauch von Laserpointern
abzuraten (vgl. Versuch: Lichtausbreitung,
Lehrbuch S. 49).
Seite 55
Versuch: Die gespiegelte Uhr
Die Uhrzeit, die das Spiegelbild zeigt, wird an
einer
(gedachten)
senkrechten
Achse
gespiegelt.
Die Uhr und ihr Spiegelbild haben die gleiche
Größe.
Der Abstand der Uhr vom Spiegel und der
scheinbare Abstand des Spiegelbilds vom
Spiegel sind gleich groß.
Glühbirne: Mit einem ebenen Spiegel kann auf
einer Projektionsfläche kein Bild, sondern nur
ein Lichtfleck erzeugt werden.
Seite 56
Versuch: Der Brennspiegel
Tipps: Im Zusammenhang mit diesem Versuch
können auch Absorption und Reflexion von
Wärmestrahlung (3. Klasse) wiederholt werden:
Die Schüler/innen brennen zunächst ein Loch in
ein weißes Blatt Papier und stoppen die erforderliche Zeit. Der Versuch wird mit schwarzem
Naturpapier wiederholt. Die Zeiten werden
verglichen. Das Ergebnis: Ins schwarze Natur10
papier (Absorption von Wärmestrahlung) ist wesentlich schneller ein Loch gebrannt als ins
weiße Papier (Reflexion von Wärmestrahlung).
Schüler/innen mit ruhiger Hand können auch ein
Zündholzköpfchen im Brennpunkt des Hohlspiegels entzünden.
Versuch: Zerstreute Strahlen
Viel besser als mit Kreidestaub können die
Lichtstrahlen mit dem Nebel aus einer
Nebelmaschine sichtbar gemacht werden.
Glühbirne: Ein Rinnenkollektor ist eine
parabolförmige Rinne, in deren „Brennlinie“ sich
ein Rohr mit einem Wärmeträgermedium
befindet. Die Rinne kann der Sonne nachgeführt
werden. Die Wärmenergie wird dann wie in
einem
herkömmlichen
Wärmekraftwerk
(teilweise) in elektrische Energie umgewandelt.
Bei Fernlicht ist die Lichtquelle im Brennpunkt,
bei Abblendlicht ist sie außerhalb des Brennpunkts.
Seite 57
Versuch: Bilder des Hohlspiegels und des
Wölbspiegels
Das Bild ist vergrößert und aufrecht. Es kann
nicht auf einer Projektionsfläche abgebildet werden und ist daher scheinbar.
Das Bild der Umgebung, das man im Hohlspiegel sieht, ist verkleinert und umgekehrt. Dieses
Bild kann auf einer Projektionsfläche abgebildet
werden. Es ist ein wirkliches Bild.
Das Bild der Kerze ist vergrößert und umgekehrt. Es kann auf einer Projektionsfläche abgebildet werden und ist daher ein wirkliches Bild.
Das Bild, das man im Wölbspiegel sieht, ist verkleinert und aufrecht. Es kann nicht auf einer
Projektionsfläche abgebildet werden, weil es ein
scheinbares Bild ist.
Seite 58
Versuch: Die gehobene Münze
Die Münze scheint höher zu wandern und sich
vom Rand des Gefäßes zu entfernen.
Versuch: Zweimal gebrochen, zweimal reflektiert
Ein Teil des Lichtstrahls wird an der Wasseroberfläche wie von einem Spiegel reflektiert, der
andere Teil des Strahls wird zum Lot
gebrochen. Der Spiegel reflektiert das Licht.
Das
reflektierte
Licht
wird
an
der
Wasseroberfläche vom Lot gebrochen.
Tipps: Statt des Fluorescins kann man dem
Wasser z. B. auch einige Tropfen Milch
zusetzen. Der von der Wasseroberfläche
reflektierte Teil des Lichts kann auch an der
Decke des Raums gesehen werden. Von der
Lehrperson kann das Experiment auch mit dem
Lichtstrahl eines Laserpointers durchgeführt
werden. Für Schülerversuche ist von dem
Gebrauch von Laserpointern abzuraten (vgl.
Versuch: Lichtausbreitung, Lehrbuch S. 49). Um
die Lichtstrahlen in der Luft sichtbar zu machen,
ist der Nebel aus einer Nebelmaschine weit
besser geeignet als Kreidestaub.
Glühbirne: In der Luft beträgt die Lichtgeschwindigkeit ca. 300.000.000 m/s, im Vakuum
sind es 299.792.458 m/s.
Lichtgeschwindigkeit
im
Wasser:
ca.
225.000.000 m/s
Wenn der Lichtstrahl normal auf die Wasseroberfläche auftrifft, wird er nicht gebrochen.
Die Lichtstrahlen, die von der Münze ausgehen,
werden an der Wasseroberfläche vom Lot gebrochen. Da die gebrochenen Strahlen auseinanderlaufen, kann das Bild nicht auf einer Projektionsfläche abgebildet werden. Es ist
scheinbar.
Seite 59
Versuch: Der Wasserspiegel
Tipp: Wenn man die Münze an der Wasseroberfläche nicht wie in einem Spiegel sieht, liegt sie
meist zu nahe am Glas.
Versuch: Reflexion an der Wasseroberfläche
Tipps: Statt des Fluorscins kann man dem Wasser z. B. auch einige Tropfen Milch zusetzen.
Zusätzlich zum Schülerversuch kann die
Lehrperson das Experiment auch mit dem
Lichtstrahl eines Laserpointers durchführen. Für
Schülerversuche ist von dem Gebrauch von
Laserpointern
abzuraten
(vgl.
Versuch:
Lichtausbreitung, Lehrbuch S. 49).
Glühbirne: Die von der Münze ausgehenden
Lichtstrahlen laufen nach der Totalreflexion auseinander. Das Bild kann daher nicht auf einer
Projektionsfläche abgebildet werden. Es ist
scheinbar.
Seite 60
Versuch: Das Brennglas
Tipps: Im Zusammenhang mit diesem Versuch
können auch die Absorption und die Reflexion
von Wärmestrahlung (3. Klasse) wiederholt werden: Die Schüler/innen brennen zunächst ein
Loch in ein weißes Blatt Papier und stoppen die
erforderliche Zeit. Der Versuch wird mit
schwarzem Naturpapier wiederholt. Die Zeiten
werden verglichen. Das Ergebnis: Ins schwarze
Naturpapier (Absorption von Wärmestrahlung)
ist wesentlich schneller ein Loch gebrannt als in
weißes Papier (Reflexion von Wärmestrahlung).
Schüler/innen mit ruhiger Hand können auch ein
Zündholzköpfchen
im
Brennpunkt
der
Sammellinse entzünden.
Glühbirne: Eine Linse mit kleiner Brennweite ist
in der Mitte dicker als eine Linse mit großer
Brennweite.
Versuch: Zerstreute Strahlen
Parallel einfallende Lichtstrahlen werden zerstreut. Tipp: Besser als durch Kreidestaub kann
der Verlauf der Lichtstrahlen in der Luft durch
Nebel aus einer Nebelmaschine sichtbar
gemacht werden.
Seite 61
Versuch: Bilder der Sammellinse und der
Zerstreuungslinse
Das Bild der Kerze ist vergrößert und aufrecht.
Dieses
Bild
kann
nicht
auf
einer
Projektionsfläche abgebildet werden. Es ist
scheinbar.
Das Bild der Umgebung ist verkleinert und umgekehrt. Dieses Bild kann man auf einer Projektionsfläche abbilden. Es ist ein wirkliches Bild.
Das Bild der Kerze ist vergrößert und umgekehrt. Es kann auf einer Projektionsfläche abgebildet werden und ist daher ein wirkliches Bild.
Das Bild der Zerstreuungslinse ist verkleinert
und aufrecht. Es kann nicht auf einer Projektionsfläche abgebildet werden, ist also
scheinbar.
Seite 62
Aufgabe 16: Versuch: Der verschobene
Trinkhalm
Wenn man den Strahlengang von oben betrachtet, kann man die scheinbare seitliche Verschiebung des Trinkhalms erklären: Bei A taucht der
Trinkhalm ins Wasser. Lichtstrahlen, die von
diesem Punkt ausgehen, werden beim Übertritt
in die Luft vom Lot gebrochen (die
Lichtbrechung an der Grenzfläche Wasser – Glas kann
A
vernachlässigt werden, wenn
man annimmt, dass das Glas
sehr dünn ist). Der scheinbare
Eintauchpunkt des Trinkhalms ergibt sich demnach bei B.
Aufgabe 17: Versuch: Der verbogene
Lichtstrahl
Sowohl die Dichte der Lösung als auch die optische Dichte nehmen nach unten hin zu. Daher
wird der Lichtstrahl kontinuierlich zum Lot gebrochen.
Tipp: Zusätzlich zum Schülerversuch kann die
Lehrperson das Experiment auch mit dem
Lichtstrahl eines Laserpointers durchführen. Für
Schülerversuche ist von dem Gebrauch von
Laserpointern
abzuraten
(vgl.
Versuch:
Lichtausbreitung, Lehrbuch S. 49).
11
B
und
das
Ergebnis
zufriedenstellend.
Seite 64
Versuch: Modell der Augenlinse
Herstellung des Modells einer Augenlinse: Aus
einer ca. 8 mm dicken Kunststoffplatte werden
drei quadratische Teile mit ca. 15 cm Seitenlänge geschnitten (in der Abbildung sind das die
Teile 1, 3, 5). Mit einer Lochsäge schneidet man
aus diesen Platten kreisförmige Scheiben und
bohrt in den Ecken Löcher, um die Teile verschrauben zu können. In die mittlere Kunststoffplatte (in der Abbildung: Teil 3) werden von
oben her zusätzlich zwei Löcher gebohrt. In
diesen beiden Bohrungen werden zwei etwa 3
cm lange Messingröhrchen mit Kleber fixiert (in
der Abbildung: 6, 7). Zwischen die Teile 1 und 3
sowie 3 und 5 wird eine durchsichtige
Kunststofffolie (in der Abbildung: 2 und 4) mit
den Abmessungen der Kunststoffplatten gelegt.
Vor dem Zusammenschrauben der Teile legt
man zwischen die beiden Folien (2 und 4) und
die Kunststoffplatten noch Dichtungsringe (z. B.
zwei Gummiringe eines Einsiedglases).
7
6
4
2
5
3
1
Zur Durchführung des Versuchs: In der Abbildung im Buch wurde irrtümlich nur ein
Röhrchen gezeichnet, durch das man das Augenlinsenmodell mit Wasser füllen kann. Das in
der Abbildung oben gezeichnete zweite
Röhrchen ist jedoch unbedingt erforderlich,
damit beim Befüllen des Modells die Luft
entweichen kann. Wenn man das zweite
Röhrchen mit dem Finger verschließt und den
Druck auf den Kolben der wassergefüllten
Spritze erhöht, wölbt sich die „Augenlinse“
stärker. So erhält man auf der Netzhaut wieder
ein scharfes Bild, nachdem man die Kerze
näher an das Modell herangerückt hat.
Seite 66
Versuch: Lichtaufspaltung durch ein Glasprisma
Der hier beschriebene Versuch ist ohne großen
Materialaufwand sehr einfach durchzuführen
12
ist
durchaus
Glühbirne: Die Lösung dieser Aufgabe ergibt
sich unmittelbar aus der Betrachtung der entsprechenden Abbildung im Buch.
Glühbirne: Additive Farbmischung: Rot + Grün
Æ Gelb; Rot + Blau Æ Purpur (Magenta); Grün
+ Blau Æ Blaugrün (Cyan); Rot + Grün + Blau
Æ Weiß
Komplementärfarben: Purpur + Grün Æ Weiß;
Blaugrün + Rot Æ Weiß; Gelb + Blau Æ Weiß
Seite 67
Versuch: Verfälschte Farben
Wirklich eindeutig ist das Versuchsergebnis nur
mit optischen Farbfiltern. Durchaus brauchbare
Ergebnisse erhält man jedoch auch mit Glühlampen der entsprechenden Farbe.
Glühbirne: Das grüne Blattwerk der Tomate
reflektiert aus dem Spektrum vorwiegend den
grünen Anteil und absorbiert die restlichen
Spektralfarben. Im roten Licht einer Glühlampe
ist daher die Farbe des Blattwerks nicht mehr
erkennbar.
Weiße Gegenstände reflektieren das gesamte
Spektrum, schwarze Gegenstände absorbieren
das Spektrum. Physikalisch betrachtet ist demnach Schwarz keine Farbe.
Glühbirne: Der Mondhimmel ist schwarz, weil
die Atmosphäre fehlt, die das Sonnenlicht
streut.
Seite 68
Aufgabe 18: Versuch: Farbkreisel
Die Farben der Sektoren des Farbkreisels sind
annähernd
die
Spektralfarben.
Bei
ausreichender
Drehzahl
des
Kreisels
vermischen sich diese Farben wegen der
Nachbilder auf unserer Netzhaut zur Farbe
Weiß.
Aufgabe 19: Versuch: Blauer Himmel
Wenn man die trübe Flüssigkeit in Richtung Taschenlampe beobachtet, scheint sie gelb
(orange) zu sein, bei seitlicher Betrachtung
hingegen hellblau. Erklärung: Vom weißen Licht
der Taschenlampe wir vor allem der blaue
(violette) Anteil gestreut, das restliche (gelbe)
Licht setzt seinen Weg weitgehend ungestreut
fort.
Seite 70
Versuch: Modellversuch zur Kurzsichtigkeit
Tipp: Gut geeignet für diesen Versuch ist eine
Sammellinse mit 20 cm Brennweite.
Glühbirne: Die Kerze kann auf der Projektionsfläche wieder scharf abgebildet werden, indem
man eine Sammellinse mit entsprechend geringerer Brechkraft wählt oder zwischen Kerze und
Sammellinse eine Zerstreuungslinse stellt.
Seite 71
Glühbirne: Je dicker die Sammellinse ist, desto
mehr wird der Brennpunkt zur „Brennfläche“.
Glühbirne: Wiederholung: Akkomodation des
Auges (Lehrbuch S. 64).
Glühbirne: Beim Auge wird der Lichteinfall
durch die Pupille geregelt.
Glühbirne: Batterien gehören zur Altbatteriensammlung.
Seite 72
Glühbirne: Der Umlenkspiegel des Overheadprojektors liegt etwa im Brennpunkt des
Objektivs. Bei zugeklapptem Spiegel entsteht
ein Wärmestau, der den Spiegel zerstören
kann.
Versuch: Der Vogel im Käfig
Wegen der Nachbilder auf der Netzhaut unserer
Augen sieht man den Vogel ab einer
bestimmten Drehzahl im Käfig sitzen.
Seite 74
Aufgabe 20: Versuch: Sammellinse oder Zerstreuungslinse?
Vorschlag 1: Im abgedunkelten Raum wird auf
die Linsen der Brille ein paralleles Lichtbündel
gerichtet und durch die Lichtbrechung
festgestellt, ob es sich um eine Sammellinse
oder eine Zerstreuungslinse handelt.
Vorschlag 2: Man hält die Brille nahe an einen
Text: verkleinerter Text Æ Zerstreuungslinsen,
vergrößerter Text Æ Sammellinsen
Vorschlag 3: Man betrachtet die Umgebung
durch die Brille. Der Abstand der Augen zu der
Brille ist dabei groß (z. B. 1,5 m): verkleinertes
aufrechtes
Bild
Æ
Zerstreuungslinse,
verkleinertes umgekehrtes Bild Æ Sammellinse
Aufgabe 21:
D = 1 / f Æ f = 1 / D; – Lösung: f = 0,5 m
Aufgabe 22: Versuch: Sonnenflecken
Vor der Durchführung dieses Versuchs sind die
Schüler/innen eindringlich davor zu warnen, mit
ungeschützten Augen direkt in die Sonne zu
schauen. Durch optische Instrumente, die den
Strahlenquerschnitt verkleinern (z. B. Linsen,
Teleskope, Fernrohre) wird die Gefahr einer
Erblindung noch wesentlich erhöht.
Seite 78
Glühbirne: Geschwindigkeit am Ende des
Starthangs: 25.m/s = 90 km/h
Abnahme der Geschwindigkeit im Flachstück:
5.m/s = 18 km/h „verteilt“ auf 40 s
Zunahme der Geschwindigkeit im Zielschuss:
15 m/s = 54 km/h. Die Geschwindigkeitszunahme „verteilt“ sich auf 40 s.
Glühbirne: Negative Beschleunigung im
2
Flachstück: 0,125.m/s
Positive
Beschleunigung
im
Zielschuss:
0,375.m/s2
Auf den einzelnen Teilstücken der Strecke ist
die Geschwindigkeitszunahme (Geschwindigkeitsabnahme) auch in kleinen Zeitintervallen
sicher nicht gleichmäßig. Einige Gründe: Der
Luftwiderstand
ändert
sich
mit
der
unterschiedlichen Körperhaltung des Läufers.
Die Reibung zwischen den Schiern und dem
Schnee
ändert
sich
wegen
der
unterschiedlichen Beschaffenheit des Schnees.
Die Neigung der Abfahrtsstrecke ändert sich
ständig.
Seite 79
Abbildung rechts oben: Der Flächeninhalt des
Rechtecks und der Flächeninhalt des rechtwinkeligen Dreiecks sind gleich groß.
Glühbirne: v = a * t Æ a = v / t; a ≈ 2,3 m/s2
s = a / 2 * t2 = 42 m
Seite 80
Versuch: Kraft, Masse und Beschleunigung
Brauchbare Messergebnisse erhält man bei dieser
Versuchsreihe
nur
mit
einer
(halb)elektronischen Zeitnehmung.
Tipp: Eine sehr preisgünstige Alternative zu den
(teuren)
Lichtschranken
sind
zwei
Reedkontakte, die man im Elektronikfachhandel
erhält. Häufig findet man sie auch als Impulsgeber bei Fahrradtachometern. Die beiden
Reedkontakte werden auf kleinen Kunststoffplatten montiert und durch Leitungen mit einem
elektronischen Zählgerät verbunden. Da Reedkontakte (mit sehr geringer Verzögerung) auf
Magnetfel-der reagieren, befestigt man auf dem
Modellbahnwagon, z. B. mit Superkleber, einen
kleinen aber starken Magnet.
Seite 81
Glühbirne:
Mögliche
Ursachen
für
Unterschiede sind: Die Beschleunigungsstrecke
kann nicht exakt festgelegt werden. Die Masse
13
der verwendeten Wagons ist unterschiedlich.
Die Reibung zwischen Schnur und Rolle und die
Reibung in den Lagern der Rolle beeinflussen
das Messergebnis.
Die Masse des (der) Wagons ist nicht berücksichtigt.
Glühbirne: Gravitationskraft auf 1 kg Masse:
bei 2-fachem Abstand vom Erdmittelpunkt: ¼
von 9,83 N ≈ 2,5.N; bei dreifachem Abstand
vom Erdmittelpunkt: 1/9 von 9,83 ≈ 1,1 N
Geringere Gravitationskraft Æ geringere Fallbeschleunigung
Seite 82
Seite 84
Versuch: Schweres und Leichtes im freien
Fall
Die meisten Schüler/innen erwarten, dass der
Eisenquader vor dem Aluminiumquader auf
dem Boden aufschlägt.
Aufgabe 23:
a) Beschleunigung: ca. 4 m/s2
b) Weg nach 7 Sekunden: ca. 97 m
Versuch: Wenn die Luft weg ist
Vor dem Absaugen der Luft fällt das Metallstück
deutlich schneller als die Feder. Nach dem Absaugen der Luft fallen beide annähernd gleich
schnell.
Glühbirne: Die beiden Körper fallen nach dem
Absaugen der Luft nur annähernd gleich
schnell, weil es nicht gelingt, die gesamte Luft
aus dem Rohr zu saugen.
Versuch: Fallbeschleunigung
Das Experiment sollte mehrfach wiederholt und
die durchschnittliche Fallzeit berechnet werden.
Glühbirne: Mit der Fallgeschwindigkeit nimmt
auch der Luftwiderstand zu.
Altersgemäße Erklärung: Wenn eine bestimmte
Geschwindigkeit erreicht ist, verhindert der Luftwiderstand
eine
weitere
Geschwindigkeitszunahme.
Altersgemäße Erklärung: Die Fallgeschwindigkeit des Steins nimmt nicht mehr zu, wenn die
vom Luftwiderstand verursachte Gegenkraft
gleich groß ist wie die Gewichtskraft des Steins.
Wegen der geringeren Gewichtskraft des Regentropfens wird dieses Kräftegleichgewicht
beim Regen-tropfen bei einer geringeren Geschwindigkeit
erreicht
als
beim
Stein.
Schneeflocken
haben
einen
großen
Luftwiderstand und eine kleine Gewichtskraft.
Deswegen fallen Schneeflocken nur sehr
langsam.
Seite 83
Glühbirne: Zwei Bewegungen überlagern einander: eine gleichförmige Bewegung in
Richtung
der
Kreistangente
und
eine
beschleunigte
Bewegung
in
Richtung
Erdmittelpunkt.
Glühbirne: Bei 5-fachem Abstand beträgt die
Gravitationskraft
1/25.
Zusammenhang:
Abstand x Æ Gravitationskraft 1/x2
14
Aufgabe 24:
a) Fallzeit des Steins: ca. 5,3 s
b) Geschwindigkeit: ca. 53,3 m/s ≈ 192 km/h
(ohne Berücksichtigung des Luftwiderstands)
Aufgabe 25:
a) Nach ca. 1,4 s erreicht der Stein 50 km/h.
b) Fallhöhe: ca. 9,6 m
c) Ein Frontalaufprall mit 50 km/h ist
vergleichbar mit dem Sturz des Autos aus etwa
10 m Höhe. Ein Abstützen mit Armen oder
Beinen ist sicher unmöglich.
Seite 87
Versuch: Immer im Kreis
Der Kraftaufwand ist beim schwereren Säckchen größer.
Bei höherer Bahngeschwindigkeit ist der Kraftaufwand größer.
Je kürzer die Schnur wird, desto stärker drückt
sie den Finger zusammen.
Tipps: Statt des Sands kann man z. B. auch
Reis in die Säckchen füllen. Vor dem Drehen
des Säckchens auf die Gegenstände in der Umgebung achten! Der Versuch sollte nicht mit
einem Massestück aus der Versuchssammlung
durchgeführt werden. Wenn die Schnur reißt
oder
losgelassen
wird,
besteht
Verletzungsgefahr!
Glühbirne: Bei 4-facher Bahngeschwindigkeit
ist die Zentripetalkraft 16-mal so groß, bei 5facher Bahngeschwindigkeit 25-mal so groß …
Seite 88
Glühbirne: Gedankenexperiment: Der Steinwurf des Riesen
Die Gewichtskraft (Gravitationskraft) zwingt den
Stein, auf einer gekrümmten Bahn zur Erde zurückzukehren.
Die Zentripetalkraft heißt Gravitationskraft.
Glühbirne: 7,9 km/s = 28 440 km/h
Versuch: Der freie Fall eines wassergefüllten
Bechers
Während des freien Falls fließt kein Wasser aus
dem Becher, weil der Becher und das Wasser
gleich schnell fallen.
Seite 89
Glühbirne: Gedankenexperiment: Die schwerelose Masse
Das Massestück „schwebt“ in der Schachtel,
weil Massestück und Schachtel gleich schnell
fallen.
Glühbirne: Satelliten (Raumstationen)
Astronauten fallen gleich schnell.
und
Glühbirne: Fluchtgeschwindigkeit: ca. 40.000
km/h
Seite 90
Glühbirne: Die Monde werden durch die Gravitationskraft zu einer Umlaufbahn gezwungen.
Glühbirne: Bei kleinem Sonnenabstand ist die
Gravitationskraft größer als bei großem Sonnenabstand.
Seite 92
Aufgabe 26:
a) Zentripetalkraft kurz vor dem Abwurf: Fz =
3781,25 N ≈ 4 kN
b) Masse mit der Gewichtskraft 3781 N: 378,1
kg
c) Nach dem Loslassen des Hammers wirkt die
Gewichtskraft (Gravitationskraft).
d) Der Hammer würde sich nach dem
Loslassen in der Richtung der Kreistangente
weiterbewegen.
Aufgabe 27:
Je enger die Kurve ist, desto kleiner ist der Radius der Kurve und desto größer muss die Zentripetalkraft sein, die das Fahrzeug in der Spur
hält. Ist die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu
hoch, reicht die Zentripetalkraft nicht mehr aus,
das Fahrzeug zur Kurvenfahrt zu zwingen und
„es fliegt aus der Kurve“, d. h. das Fahrzeug
bewegt sich in Richtung der Tangente an die
Kurve.
Aufgabe 28: Der Rahm (das Fett) hat im
Vergleich zur Magermilch die geringere Dichte
und damit (bei gleichem Volumen) die geringere
Masse. Wegen der geringeren Masse wirkt auf
den Rahm die kleinere Zentrifugalkraft.
Deswegen fließt der Rahm nach innen.
Seite 96
Glühbirne: Polonium (Po) ist nach der
polnischen Heimat der Entdeckerin Marie Curie
benannt. Po ist ein radioaktives Element der 6.
Hauptgruppe
und
ist
ein
silberhelles
Schwermetall. Wegen seiner Radioaktivität lässt
Polonium die umgebende Luft im Dunkeln
hellblau leuchten. Polonium ist in sehr geringen
Mengen in Uranmineralien enthalten, z. B. in
der Pechblende. In diesem Erz wurde Polonium
1898 durch Pierre und Marie Curie entdeckt.
Polonium wird in Kernreaktoren durch Neutroneneinfang künstlich hergestellt.
Verwendung: Strahlungs- und Ionisationsquelle.
Radium bedeutet „das Strahlende“. Dieses
Element wurde 1898 vom Ehepaar Pierre und
Marie Curie bei der Untersuchung von
Pechblende entdeckt. Radium kommt auf der
Erde äußerst selten vor. In einer Tonne Uranerz
sind nur etwa 20 Milligramm dieses Elements
enthalten. Radium ist ein weiches, silbrig
glänzendes Metall, das wegen seiner Radioaktivität
im
Dunkeln
leuchtet.
Bei
der
Knochenbildung kann es im menschlichen
Körper Calcium ersetzen und wirkt dort als radioaktive Strahlenquelle, die Krebs erzeugen
kann.
Verwendung: Bis in die 50er Jahre des 20. Jahrhunderts wurde Radium in der Krebstherapie
verwendet.
Seite 97
Versuch: Natürliche Strahlung
Radioaktive Strahlung ist ein statistisches
Ereignis. Quantitative Aussagen können nur
getroffen werden, wenn man Messungen über
einen kurzen Zeitraum oft wiederholt oder die
Messung über einen längeren Zeitraum durchführt.
Lehrerversuch: Radioaktive Strahlung im
Magnetfeld
Im Magnetfeld werden die α-Strahlung und die
β-Strahlung abgelenkt. Die durchschnittliche
Impulsrate ist daher geringer als im ersten Teil
des Versuchs. Tipp: Wenn ein starker
Permanentmagnet in der Versuchssammlung
fehlt,
kann
der
Versuch
mit
einem
Elektromagnet durchgeführt werden. Den
Versuchsaufbau zeigt die Abbildung.
Aufgabe 29: Weitere Beispiele für Zentrifugen:
Wäschezentrifuge, Saftzentrifuge, …
15
Strahlenquelle
Seite 107
Polschuhe
Gleichspannung
Zählrohr
Spule, z. B. 600
Windungen
Seite 103
Lehrerversuch: Abstand halten und Abschirmen
Jede Messung sollte mehrmals durchgeführt
und die durchschnittliche Impulsrate berechnet
werden.
Glühbirne:
Die
Bedeutung
von
Sirenensignalen:
3 Minuten Dauerton: Warnung! Herannahende
Gefahr! Radio oder TV (ORF) einschalten und
Verhaltensmaßnahmen beachten.
1 Minute auf- und abschwellender Ton:
Alarm! Gefahr! Radio oder TV (ORF)
einschalten
und
Verhaltensmaßnahmen
beachten.
1 Minute Dauerton: Entwarnung! Ende der
Gefahr! Durchsagen im Radio weiterhin
beachten! Vorübergehende Einschränkungen
sind möglich.
Glühbirne: Im Jahr 2004 gab es in den
folgenden 12 Mitgliedsstaaten der Europäischen
Union keine Atomkraftwerke: Italien, Dänemark,
Österreich, Irland, Luxemburg, Griechenland,
Portugal, Estland, Lettland, Polen, Zypern,
Malta
Seite 110
Aufgabe 30:
Erdwärme ist die Wärme des Erdkörpers. Die
Temperatur der äußeren Erdkruste nimmt mit
der Tiefe zu (geothermische Tiefenstufe).
Außerdem
gelangt
ein
kontinuierlicher
Wärmestrom zur Erdoberfläche (ca. 6,5 * 1020 J
pro
Jahr),
der
durch
radioaktive
Zerfallsprozesse in den Gesteinen entsteht.
Diese beinahe unerschöpfliche Energiequelle ist
in manchen Gebieten der Erde besonders hoch,
z. B. in Vulkangebieten, an den Rändern der
Erdkrustenplatten und im Bereich tektonischer
Störungen. Die Erdwärme gewinnt als
alternative Energiequelle zunehmend an
Bedeutung. Sie wird in Erdwärmekraftwerken,
zur Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung genutzt. Die bedeutenden Wärmereserven heißen Gesteins sind erschließbar,
indem man in Bohrungen kaltes Wasser pumpt,
das als heißes Wasser wieder austritt.
Aufgabe 31:
α-Strahlung
β-Strahlung
α-Strahlung
Aufgabe 32: Abklingkurve: 8 Tage Æ 12 g, 16 Tage Æ 6 g, 24 Tage Æ 3 g, …
Lehrerheft zu Schulbuchnummer 125096 ▪ Hans Pfaffl, Werner Rentzsch ▪ Abenteuer Physik 4. Klasse
© Verlag Ed. Hölzel, Wien ▪ [email protected] ▪ www.hoelzel.at
16