Physik in aktuellen Filmen (Interstellar, Marsianer, Gravity)

Physik in Filmen ist immer dann besonders spannend, wenn es in den Weltraum hinausgeht. Science-Fiction-Filme vermischen dabei wissenschaftliche Erkenntnisse mit ausgedachten Elementen. Naturgesetze werden eingebaut, so wie sie sind, oder frei erfunden, wie sie sein könnten. In einigen Filmen wird mit den Dimensionen gespielt, mit der Veränderung der Raumzeit, mit der Schwerkraft, die Schauplätze werden in Gegenden des Universums verlegt, wo noch nie jemand war.

  1. Interstellar: https://de.wikipedia.org/wiki/Interstellar
  2. Der Marianer: https://de.wikipedia.org/wiki/Interstellar
  3. Gravity: https://de.wikipedia.org/wiki/Gravity_(Film)

Link: Science Fiction: https://de.wikipedia.org/wiki/Science-Fiction


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.

Laser

Laser

Ein Laser erzeugt Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge. Das Licht ist kohärent, das heißt, die Wellenzüge sind lange und haben eine feste Phasenbeziehung. Laserlicht kann daher leicht interferieren: Wellen können sich überlagern und je nach Phasenunterschied verstärken oder auslöschen. Bekannt ist rotes und grünes Laserlicht. Es breitet sich geradlinig als dünner Strahl aus, der sichtbar wird, wenn er auf Materie fällt (Nebel, Staub).

Das Licht im Laser entsteht durch so genannte “stimulierte Emission”. Elektronen werden angeregt, einen höheren Energiezustand einzunehmen, und alle auf einmal wechseln dann gemeinsam (stimuliert) auf einen niedrigeren Energiezustand, die Energiedifferenz wird als Licht ausgestrahlt.

Das kann konstruktiv verschieden bewerkstelligt werden, am leichtesten verständlich ist das Prinzip der Halbleiterlaser, wo es im Halbleiter ganz bestimmte, wohldefinierte Energiestufen gibt.

Laserlicht kann sehr schwach sein (Laiserpointer) oder sehr energiereich (Lasergravur).

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Laser

Photo by Opt Lasers on Unsplash


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Halbleiter

Es gibt Materialien, die elektrischen Strom nicht leiten. Sie werden Isolatoren genannt.

Es gibt Materialien, die Strom leiten. Im allgemeinen sind das Metalle. Sie werden Leiter genannt. Sie leiten Strom schlechter, wenn sie wärmer sind.

Es gibt Materialien, die Strom etwas leiten. Sie werden Halbleiter genannt. Silizium zum Beispiel. Halbleiter leiten Strom besser, wenn sie wärmer sind.

Man kann Halbleiter gezielt verändern, sie zu n oder p Leitern machen. Wenn man solche veränderte Halbleiter kombiniert, entstehen Dioden und Transistoren. Man kann damit Ströme in ihrer Richtung beeinflussen, Ströme verstärken und Schalter bauen. Halbleiter werden daher auch viel in Computer verwendet.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Halbleiter


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Lärmbelastung/Schallschutz, Solarzellen/Sonnenkollektoren

Lärmbelastung/Schallschutz, Solarzellen/Sonnenkollektoren

Hier werden zwei Themen angesprochen:

  1. Emissionen – Das ist all das, was jemand aussendet. Es gibt Schallemissionen, durch den Verkehr, durch Maschinen, durch Parties. Dagegen gibt es Schallschutz. Schalldichte Fenster, Schallschutzwände an Autobahnen und Eisenbahnlinien.
  2. Solarzellen und Sonnenkollektoren. Sie verwenden die Energie der Sonne, um elektrische Spannung herzustellen, und um kaltes Wasser zu erhitzen.

Links: Lärm und Schallschutz (Stadt Wien): https://www.wien.gv.at/umwelt/laerm/ sowie https://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle und https://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenkollektor


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Alltagselektrotechnik: Wie funktioniert ein elektromotor? Wie funktioniert ein Generator? Wie funktioniert ein Fahrraddynamo?

Alltagselektrotechnik: Wie funktioniert ein elektromotor? Wie funktioniert ein Generator? Wie funktioniert ein Fahrraddynamo?

Früher gab es noch keinen elektrischen Strom. Eine Getreidemühle wurde am Mühlbach gebaut. Die Wasserkraft drehte ein Mühlrad. Erst mit der Erfindung von Generatoren ist es möglich geworden, elektrische Energie aus Wasserkraft zu gewinnen, die man über eine Stromkabel an eine ganz andere Ecke des Landes schicken kann, wo sie von Elektromotoren verwendet werden kann.

Ein Generator besteht aus einem Magneten und einem Draht, der sich in einer Schleife im Magnetfeld dreht. Durch das “Induktionsprinzip” wird dabei Spannung erzeugt. Die Ladungen im Draht werden getrennt, es entsteht eine elektrisch positiv geladene Seite und eine elektrisch negativ geladene Seite. Wechselspannung entsteht, weil sich die Leiterschleife dreht. Diese Spannung wird über Kabel übertragen.

Beim Elektromotor kommt diese Wechselspannung nun an. Strom fließt in diesem Kabel in die eine und die andere Richtung – ebenfalls wechselnd. Ein fließender Strom reagiert im Magnetfeld mit einer Kraft. Die sogenannte Lorentzkraft. Etwas bewegt sich, insgesamt dreht sich das drehende Teil im Motor.

Wie auch immer das ingenieurstechnisch gelöst wird, in der Physik interessiert uns das Prinzip.

Der Generator wandelt Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Link: Generatorprinzip

Der Motor wandelt elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Link: Motorprinzip


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Strom im Haushalt

Strom im Haushalt

Elektrischer Strom ist das Fließen von elektrischen Ladungen. Das ist möglich, wenn es elektrische Spannung gibt, wenn jemand die + und – voneinander getrennt hat. Das kann in einem Kraftwerk passieren, die diese getrennten Ladungen letztlich in unseren Steckdosen bereitstellt, oder das kann mit Batterien passieren, die nach ihrem Gebrauch weggeworfen werden (schlecht) oder in Akkus, die wieder aufgeladen werden können (gut).

Die elektrische Spannung in unseren Steckdosen, sowie der elektrische Strom in unseren Elektroleitungen im Haushalt, das ist potenziell gefährlich/gesundheitsschädlich. Deswegen gibt es Sicherheitsmechanismen, die im Sicherungskasten zu finden sind. Sicherungen stellen sicher, dass nicht zu viel Strom über die Leitung fließt, FI-Schutzschalter erkennen, dass es wo ein “Leck” gibt, und der Strom einen Weg nimmt, der nicht über das Kabel verläuft.

Links:

  1. Elektrische Energie Bedarf: https://de.wikipedia.org/wiki/Bedarf_an_elektrischer_Energie
  2. Elektrifizierung: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrifizierung
  3. Sicherung: https://de.wikipedia.org/wiki/Schmelzsicherung
  4. FI-Schalter: https://de.wikipedia.org/wiki/Fehlerstrom-Schutzschalter

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Beleuchtung

Beleuchtung

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.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Beleuchtung


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Haushaltstechnik (Druckkochtopf, Wärmekraftmaschine, Kühlschrank, Wärmepumpe, Wärmedämmung, Mikrowellenherd)

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.

Links:

  1. Haushaltstechniik: https://de.wikipedia.org/wiki/Haushaltstechnik
  2. Druckkochtopf: https://de.wikipedia.org/wiki/Schnellkochtopf
  3. Wärmekraftmaschine: https://de.wikipedia.org/wiki/Wärmekraftmaschine
  4. Kühlschrank: https://de.wikipedia.org/wiki/Kühlschrank
  5. Wärmepumpe: https://de.wikipedia.org/wiki/Wärmepumpe
  6. Wärmedämmung: https://de.wikipedia.org/wiki/Wärmedämmung
  7. Mikrowellenherd: https://de.wikipedia.org/wiki/Mikrowellenherd

[Details]

Gesundheit (Solarium, Lichtquellen, Strahlung, Grenzwerte)

Gesundheit (Solarium, Lichtquellen, Strahlung, Grenzwerte)

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.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Solarium


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Energieversorgung (Kraftwerke, Energiewandler, Wirkungsgrad, erneuerbare Energieträger)

Energieversorgung (Kraftwerke, Energiewandler, Wirkungsgrad, erneuerbare Energieträger)

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.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Energieversorgung


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Grundlagen der Elektrizität (Spannung/Stromstärke/Widerstand)

Grundlagen der Elektrizität (Spannung/Stromstärke/Widerstand)

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

Link: https://www.phyx.at/was-ist-der-unterschied-zwischen-spannung-und-strom/


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Physik in Haushalt, Freizeit, Sport

Physik in Haushalt, Freizeit, Sport

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.

Links: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/haushaltsphaenomene/6474 und https://www.uni-muenster.de/imperia/md/content/fachbereich_physik/didaktik_physik/publikationen/einfache_themen_sport.pdf


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Wohnen

Wohnen

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 😉

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Bauphysik und https://de.wikipedia.org/wiki/Behaglichkeit


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Straßenverkehr (Bremsweg, Airbag, plastische Stöße, Beschleunigung, Reibung)

Straßenverkehr (Bremsweg, Airbag, plastische Stöße, Beschleunigung, Reibung)

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.

Links:

  1. Bremsweg: https://de.wikipedia.org/wiki/Bremsweg
  2. Airbag: https://de.wikipedia.org/wiki/Airbag
  3. Plastischer Stoß: https://de.wikipedia.org/wiki/Stoß_(Physik)#Unelastischer_Stoß
  4. Beschleunigung: https://de.wikipedia.org/wiki/Beschleunigung
  5. Reibung: https://de.wikipedia.org/wiki/Reibung

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