Es gibt natürliche Lichtquellen und künstliche Lichtquellen. Feuer und Sonne, und wenn verfügbar, Glühwürmchen. Oder auch der Mond in der nacht. Das sind die natürlichen Lichtquellen. Künstliche Lichtquellen funktionieren auch dann, wenn die eben genannten nicht verfügbar sind. Sie funktionieren mit elektrischem Strom. Es gibt Glühlampen, die vorwiegend heiß werden, und dabei leuchten. Es gibt LED-Lampen, die sich wenig erhitzen und dabei vergleichsweise viel leuchten. Leuchtstoffröhren werden kaum mehr eingesetzt, bei ihnen beginnt Gas zu leuchten. Speziallampen gibt es natürlich auch: Natriumdampflampen zum Beispiel.
Beim Beleuchten muss beachtet werden, ob es gesetzliche Grenzwerte für minimal- oder maximale Beleuchtungsstärken gibt, an Arbeitsplätzen zum Beispiel. Im Wohnbereich kann man sich überlegen, ob alles gleichmäßig hell sein soll, oder ob es nicht besser ist, Lichtinseln zu schaffen.
Diese Texte sind Starthilfen zum Lernen. Sie geben Ihnen einen Einblick, worum es bei dem Thema geht. Die Idee. Achtung: Es ist möglicherweise nicht unbedingt genau das, was Ihr:e Prüfer:in darüber hören möchte. Es ist auch nicht der ganze Stoff. Machen Sie sich nach dem Lesen des Textes ein eigenes Bild mit Ihren Büchern und den anderen Quellen. Ein freies Online-Schulbuch aus Österreich: https://physikbuch.schule, aus Deutschland: https://www.leifiphysik.de/. Weitere empfehlenswerte Schulbuchreihen der Oberstufe aus Österreich: Big Bang, Sexl, Physik kompakt.
Haushaltstechnik soll uns das Leben erleichtern. Was bedeutet “erleichtern” eigentlich? Wahrscheinlich ist Effizienz gemeint. Sie soll gesteigert werden. Was ist Effizienz? Das Gleiche mit weniger Zeit, oder das Gleiche mit weniger Energie erreichen.
Druckkochtopf: Durch den höheren Druck kann Wasser auf über 100°C aufgeheizt werden. Die Kartoffel sind schneller gar.
Wärmekraftmaschine: Ein Verbrennungsmotor zum Beispiel. Etwas wird verbrannt, damit eine hohe Temperatur im Kolben entsteht. Das heiße Verbrennungsgas drückt den beweglichen Kolben heraus.
Kühlschrank: Eine Wärmepumpe, die Wärme aus dem Kühlschrank raus in die Küche pumpt. Die Lebensmittel werden gekühlt. Früher wurde das mit Eisblöcken gemacht, die immer wieder neu herangebracht werden mussten.
Wärmepumpe: eine Klimaanlage zum Beispiel, die Wärme aus dem Inneren der Wohnung nach außen pumpt und sie dabei abkühlt. Oder: eine Erdwärmeheizung, die den Boden abkühlt und die Wärme daraus in die Wohnung bringt.
Wärmedämmung: Sie verhindert, dass Wärme aus der Wohnung wieder nach draußen dringt.
Mikrowellenherd: Mit elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich werden besonders die Wassermoleküle in den Lebensmittel gut erwärmt.
Sonnenlicht ist wichtig für uns Menschen. Wichtig für das Gemüt. Wichtig für die Erzeugung von Vitamin D. Sonnenlicht ist aber auch Energie, und diese Energie kann zu Sonnenbrand führen. Besonders die hochfrequenten Anteile (UV-Strahlung) im Licht sind dafür verantwortlich. UV-Strahlung kann so energiereich sein, dass sie auch das Erbmaterial in Zellen verändern kann. Hautkrebs kann entstehen. Daher müssen wir uns vor intensivem, länger andauernden Sonnenlicht schützen.
Im Solarium passiert das Gegenteil. Wer sich dort bräunen lassen will, setzt sich absichtlich der Strahlung der Lampen aus. Grenzwerte, die Art der Lampen, und die Dauer der Bestrahlung stellen sicher, dass hier gewisse Energiemengen nicht überschritten werden.
Ob im Sonnenstudio oder am Strand: wir sollen vorsichtig und zurückhaltend mit dem Sonnenbaden umgehen.
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Energie ist notwendig, um Geräte zu betreiben, die wir täglich verwenden. Lampen für Licht, Mühlsteine zum Mahlen von Getreide, Backöfen für Brot. Bleiben wir beim Müller: früher kam die Energie für das Drehen der Mühlen aus dem angrenzenden Mühlbach. Mit Wasserrädern wurde die potenzielle Energie des Wassers umgewandelt in Rotationsenergie des Rades, mit Lederriemen wurde diese Drehung in das Innere der Mühle gebracht, wo sie die Mahlsteine antrieben. Das funktioniert auch mit Windrädern.
Heute geht das vorwiegend mit elektrischem Strom. Dazu muss elektrische Spannung hergestellt werden: Plus und Minus – die elektrischen Ladungen müssen getrennt werden. In Kraftwerken. Die elektrische Energie wird im ganzen Land verteilt. Elektromotoren wandeln sie wieder in mechanische Energie (Rotation) um.
Wasser, Wind und Sonne sind erneuerbare Energieträger. Erdöl, Erdgas sind fossile Energieträger – sie werden verbrannt, und dann sind sie weg. Zusätzlich entstehen bei der Verbrennung schädliche Treibhausgase.
Bei allen Energieumwandlungen fällt ein Teil als Wärmeenergie an – wird dieser Teil nicht genutzt, reduziert sich der sogenannte “Wirkungsgrad”. Er gibt an, wie gut die Umwandlung funktioniert.
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Es gibt zwei Arten von elektrischer Ladung: Plus und Minus. Elektronen tragen die Minus-Version der Ladung. Wenn ich ein Elektron aus dem Atom wegnehme, wird das Atom einfach positiv geladen. Man kann also Ladungen trennen. Wenn ich – mit viel Aufwand (Arbeit/Energie) Plus und Minus trenne, entsteht “Elektrische Spannung”. Wenn es eine Verbindung zwischen den beiden Gebieten gibt, gleicht sich das wieder aus – die negativ geladenen Elektronen fließen in Richtung Pluspol. Und das nennen wir “elektrischer Strom”. Wie viel Strom bei wie viel Spannung fließen kann, gibt der elektrische Widerstand an. Das Ohmsche Gesetz verbindet die drei Größen Spannung (U), Strom (I) und Widerstand (R): U=R•I
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Einerseits können wir in der Physik sehr gut Bewegungen beschreiben. Geschwindigkeiten. Änderungen der Geschwindigkeiten erfolgen durch Kräfte. Dann können wir uns die Energien anschauen, die eingesetzt werden, oder die frei werden. Oder die Energieumwandlungen. Oft wiederholt sich eine Bewegung, da können wir unser Wissen um harmonische Schwingungen einsetzen. Wir haben es also mit sehr vielen “mechanischen” Vorgängen zu tun, die wir gut verstehen. Wenn wir uns die Kräfte genauer anschauen, ist oft die Schwerkraft, die vorgibt, wie etwas passiert – alles fällt nach unten. Oder es sind elektrische Kräfte, die im Alltag wenig auffallen, bis es irgendwo mal blitzt, dann bemerkt man sie natürlich schon. Elektrische Antriebe können mechanische Antriebe ersetzen, das bemerken wir gerade bei Verbrennungsmotoren, die durch elektrische Antriebe ersetzt werden. Im Sport sind es besonders die Energieumwandlungen, die faszinierend sind: beim Stabhochsprung wird chemische Energie in den Muskeln der Athlet:innen in Bewegungsenergie umgewandelt, in potenzielle Energie des gebogenen Stabes, diese wiederum in die potenzielle Energie des gesamten Körpers über der Latte und dann wieder in Bewegungsenergie des fallenden Körpers und in Wärmeenergie, wenn die Matte verbeult wird. Oft sind es Erhaltungssätze, die helfen, etwas zu verstehen: Energieerhaltung, Impulserhaltung, Drehimpulserhaltung. Für jede Situation gibt es physikalische Grundlagen, auf die sie beruht. Ach ja, der Druckkochtopf beim Kochen, wegen dem höheren Druck kann Wasser eine höhere Temperatur als 100 Grad Celsius bekommen, bevor es siedet.
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Beim Wohnen spielen viele Teilgebiete aus der Physik eine Rolle. Es geht um Helligkeit, um Temperatur, um Feuchtigkeit. Um Lärm. Um Gleichgewichte und um Austauschprozesse. Um Statik – was die Höhe der Häuser betrifft. Um Wärmelehre, weil man auch einheizen oder kühlen möchte oder muss. Es gibt auch den Begriff der “Behaglichkeit” – besonders Katzen wissen, was das ist 😉
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Im Straßenverkehr trifft die gesamte Physik zu – wenn alles gut läuft, und wenn es einmal zu Problemen kommt.
Einerseits geht es um Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, und Kräften die dazu notwendig sind. Was dabei entsteht ist ein schnell fahrendes Fahrzeug. Ob Roller, Fahrrad, Auto oder Bus, egal. Es ist Reibung notwendig, das Fahrzeug auf der Straße zu halten, in den Kurven gibt es Zentripetal- und Zentrifugalkräfte. In der Bewegung steckt – je nach Masse – mehr oder weniger viel kinetische Energie. Die übrigens quadratisch mit der Geschwindigkeit steigt. Diese Energie muss bei einer Kollision in der Verformung von Blech abgebaut werden – umgewandelt in Wärmeenergie letztlich. Ein Airbag hilft, dem Körper bei einem Aufprall mehr Zeit zu geben, abgebremst zu werden, denn diese Zeit ist maßgeblich für die Kräfte die dabei entstehen – je mehr Zeit zur Verfügung steht, desto geringer sind die Kräfte.
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Wenn etwas eigentlich hell ist, und dann wird es plötzlich finster, unerwartet, dann ist das immer interessant für uns Menschen. Wenn die Sonne verschwindet am hellen Tag. Wenn der Mond verschwindet in der Nacht.
Die Sonnenfinsternis entsteht, wenn der Schatten des Mondes die Sonne bedeckt. Wenn sich also der Mond zwischen Erde und Sonne schiebt.
Die Mondfinsternis entsteht, wenn der Erdschatten den Mond bedeckt. Wenn sich also die Erde zwischen Sonne und Mond befindet.
Es gibt totale Finsternisse, und partielle (teilweise). Mondfinsternisse gibt es öfter, als Sonnenfinsternisse. Bei einer totalen Sonnenfinsternis kann man die Atmosphäre der Sonne sehen, die sonst von der hellen Sonne selbst überstrahlt wird.
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Der Mond sieht alle 28 Tage gleich aus. Dazwischen ändert er seine Form. Er hat sogenannte Mondphasen. Von Vollmond (voll) bis Neumond (alles weg) sind Sicheln zu sehen (schmal) oder größere Bereiche (Halbmond und mehr). Das Ganze zunehmend und abnehmend.
Es ist nicht der Schatten der Erde, der die Mondphasen verursacht. Es ist sein eigener Schatten. Die Sonne strahlt in von der Seite an, und diese Seite ändert sich, weil der Mond in 28 Tagen um die Erde kreist.
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Wir kennen zwei grundsätzlich verschiedene Bewegungen der Erde. Es ist sehr wichtig, sie gut auseinanderzuhalten.
Die Drehung der Erde in 24 Stunden um sich selbst. Da die Sonne fix am Himmel ist, erscheint es, als ob sich die Sonne von Sonnenaufgang zu Sonnenuntergang bewegt. Die Erddrehung bestimmt also die Tageszeit. Tag und Nacht.
Die Bewegung der Erde in einem Jahr um die Sonne. Dass wir dabei Jahreszeiten bemerken, liegt nicht daran, dass wir einmal näher an der Sonne sind, und dann wieder weiter weg, sondern dass die Erdachse ein wenig geneigt ist. So schaut die Erde bei ihrer täglichen Drehung im Sommer in Europa eher zur Sonne hin, in Australien eher von der Sonne weg. Ein halbes Jahr später schaut diese Erdachse immer noch in die gleiche Richtung, die Erde ist aber auf der anderen Seite der Sonne, sodass die untere Hälfte der Erde zur Sonne hinschaut. In Australien ist Sommer. In Europa Winter. Wir kriegen dieses Phänomen nur zustande, weil es die Drehimpulserhaltung gibt, die Erdachse bleibt beim Lauf der Erde um die Sonne fix ausgerichtet und schlabbert nicht drum. Es ist – ein Vergleich – ein bisschen so sich vorzustellen wie bei einem Brathähnchen. Man kann den Spie ein wenig zum Feuer hinneigen, dann wird der obere Teil des Hähnchens eher gebräunt, der untere Teil eher nicht so.
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Vielleicht sollten wir gleich zu Beginn hier festhalten: Wenn du am Strand bist, und das Wasser zieht sich ins Meer zurück, dann ist das Zeichen für einen Tsunami. Eine große Welle, die kommen wird. Begib dich sofort in die andere Richtung – auf einen Hügel.
Gut. Soweit das wirklich Wichtige. Der Rest ist interessant.
Gezeiten ist das ruhige, regelmäßige und sehr bekannte Zurückziehen und Herkommen des Wassers im Laufe jeden Tages. Gezeiten entstehen, weil der Mond durch seine Anziehungskraft das Wasser anzieht, festhält sozusagen, und die Erde dreht sich in dieses Wasser hinein (Flut, es scheint so, als ob es auf uns zukommt), oder es dreht sich aus diesem Wasser heraus (Ebbe, es scheint so, als ob das Wasser von uns zurückweicht).
Anomalie des Wassers: Das bezieht sich auf die Temperatur. Wir wissen ja, kalte Körper sind dichter, sie ziehen sich zusammen. Bei Wasser ist die Maximale Dichte bei 4 Grad. (Das wird als Anomalie des Wassers bezeichnet). Bei dieser Temperatur ist es am dichtesten. Und dichtes Wasser ist (bezogen auf eine bestimmte Menge) schweres Wasser. Es befindet sich am Grund eines Sees. Auch im Winter hat es dort 4 Grad. Jede andere Temperatur bewirkt, dass Wasser weniger dicht ist. In Richtung 0 Grad und kälter wird es zu Eis (weniger dicht, es schwimmt oben auf), und alles zwischen 4 Grad und wärmer, auch dieses Wasser ist dann oben. Es entsteht also eine Schichtung des Wassers aufgrund seiner Temperaturen.
Strömungen entstehen, wenn Meerwasser zum Beispiel unterschiedliche Temperaturen hat, oder unterschiedlichen Salzgehalt. Die Ausgleichsbewegungen machen sich als Strömungen bemerkbar. Oder zwischen Inseln. Achtung: aufpassen beim Schwimmen, bei den “Locals” erkundigen, wo man gefahrlos schwimmen kann. Und Strömungen entstehen auch durch die Drehung der Erde als Gesamtes.
Der Golfstrom zum Beispiel bringt warmes Wasser aus Amerika nach Europa. Er ist eine sehr berühmte Meeresströmung.
Hinweis: Eine Radiosendung in 5 Teilen zu je 5 Minuten erzählt mehr über Meeresströmungen. Link zur Sendereihe.
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Die Erdoberfläche ist in Bewegung. Es handelt sich um die Bewegung der Kontinentalplatten. Sie werden in manchen gegenden auseinander gezogen, an anderen Stellen tauchen sie ab in die Tiefe. An den Rädern gibt es Vulkane. Erdbeben entstehen, wenn sich plötzlich Spannungsunterschiede ausgleichen. Wenn das in den Böden der Ozeane passiert, kann das eine oder mehrere große Wellen auslösen, die Uferregionen der angrenzenden Länder überschwimmen können: wir sprechen von Tsunamis. Das Erdmagnetfeld entsteht im Inneren der Erde und zieht sich bei den Polen austretend außerhalb der Erde um sie herum. Mit einem Kompass kann man das Erdmagnetfeld feststellen – man weiß damit auch wo Norden und Süden ist. Das Erdmagnetfeld “fängt” geladene Teilchen ein, die aus dem Weltraum zu uns kommen, und führt sie zu den Polen. In einem ringförmigen Gebiet um die Pole treffen sie auf die hohe Atmosphäre – Nordlichter entstehen.
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Das Wetter hat uns immer schon begleitet. Die Wetterkunde wird ach Meteorologie genannt. Es geht um ein Zusammenspiel von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Windgeschwindigkeit und Niederschlag. Um Bedeckung des Himmels und Sonnenscheindauer. Um Energie in der Atmosphäre. Die zum Beispiel wie im Golf von Mexiko aus dem warmen Wasser kommen kann – Hurricane entstehen. Aber auch ganz normales Wetter. Zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort kann man das Wetter feststellen. Über längere Zeiträume sprechen wir von Klima an dieser Stelle. Niederschlag ist alles, was vom Himmel fällt – Wasser, Schnee, Hagel. Und wenn es ein Gewitter gibt, haben sich die Wolken elektrisch aufgeladen an unterschiedlichen Stellen, auch im Vergleich zum Erdboden. Wenn es blitzt, gleichen sich die Ladungen aus, die transportierte Energie lässt die Luft ausdehnen, ganz plötzlich, ein Donner entsteht.
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Es ist wichtig zu wissen, dass Sonnenlicht aus einer Mischung aller Regenbogenfarben besteht. Diese Mischung erscheint dem Auge weiß. Isaac Newton ist es gelungen diese Mischung mit einem Prisma in seine einzelnen Farben zu zerlegen. Regentropfen können das auch – es entstehen die Regenbogenfarben, wenn die Sonne in einem passenden Winkel zum Regenbogen ist. Dass er ein Teil eines Kreises ist kann man nicht ganz leicht erklären, wir sagen mal kurz: “aus geometrischen Gründen ist das nicht anders möglich”.
Der Himmel ist blau, weil die Sonnenstrahlen die Atmosphäre durchqueren. Normalerweise – ohne Atmosphäre – würden wir nur genau an der Stelle einen hellen gleißenden Punkt (Fläche der Sonnenscheibe) sehen. Mit Atmosphäre wird das Licht gestreut, es kommt also auch von anderen Stellen des Himmels zu uns in unser Auge. Diese Streuung funktioniert mit blauem Licht am besten. Am Abend und am Morgen, wenn die Sonne nahe dem Horizont ist, ist der Weg der Lichtstrahlen zu uns sehr lange – durch die Atmosphäre wurde schon das ganze blaue Licht weggestreut, der Rest erscheint in seiner Mischung sehr gelb/oranger/rot.
Luftspiegelungen treten auf, wenn es unterschiedlich heiße Luftschichten gibt. Sie werden Fata Morgana genannt.
Ach ja, die Wolken sind weiß, wenn sie von der Sonne seitlich angeleuchtet werden, und schwarz/grau/dunkel, wenn die Sonne dahinter steht.
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