Die Tage werden Länger

Eine Grußkarte lag in der Post

Der Franz hat geschrieben. Er schreibt über das Tageslicht, das nach dem Winter wieder länger wird. Frage: Welche Funktion beschreibt am besten den Verlauf der Länge eines Tages? Welche nicht. Und welche einige Tage lang zumindest? Wählen Sie zwischen Exponentialfunktion, linearer Funktion, Winkelfunktionen, Logarithmusfunktion, Polynomfunktion und Wurzelfunktion. Zeichnen Sie die typischen Graphen dieser Funktionen und überlegen Sie sich, welche Vorgänge in der Natur sich mit diesen Funktionen modellieren lassen. Schlagen Sie die Begriffe Weihnachten, Dreikönig und Lichtmess nach. Was bedeuten sie? Was bedeuten sie hier bei diesem Beispiel? Was bedeuten sie, wenn Sie die Länge des Tageslichts in Abhängigkeit von der Zeit als Graph skizzieren? Was bedeuten Flohsprung, Hahnensprung und Katzensprung – grundsätzlich, und hier bei diesem Beispiel, wo sehen Sie das im Graphen?

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Warum ist die Sonne heiß?

Warum die Sonne heiß ist, können wir auf zwei Ebene betrachten. Einmal ist da die konkrete Energieumwandlung durch Kernfusion. Wasserstoff wird zu Helium fusioniert (verschmolzen). Die entstehenden Atome haben etwas weniger Maße als die ursprünglichen Atome, und diese Masse wird nach Albert Einsteins Formel E=mc^2 in Energie umgewandelt.

Die zweite Ebene ist aber fast noch spannender: man kann das Ganze auch durch Energieerhaltung beschreiben. Die Sonne ist aus einer Wolke entstanden, die sich zusammengezogen hat, aufgrund ihrer Schwerkraft. Masse, die „hoch“ ist, hat viel potenzielle Energie. Wenn die Atome in einer Wolke weit voneinander entfernt sind, könnte man sie auch als „hoch“ bezeichnen. Sie haben viel potenzielle Energie. Wenn sich die Wolke zusammenzieht, muss diese Energie irgendwie irgendwo hin: Die Temperatur der Sonne erhöht sich.

Wie entsteht ein Regenbogen?

Wie entsteht ein Regenbogen?

Was braucht es für einen Regenbogen?

Regen. Und die Sonne. Wir überprüfen das: gib den Regen weg – kein Regenbogen. Gib die Sonne weg, und lass den Regen – kein Regenbogen. Es braucht also Sonne und Regen.

Genau genommen die Sonnenstrahlen und die Regentropfen. Die Sonnenstrahlen bestehen aus vielen verschiedenen Farben. Die Regentropfen machen diese Farben sichtbar. Wenn alle Farben durch den Regentropfen scheinen, werden sie von ihrem geradlinigen Weg abgelenkt. Sie werden gebogen. Man sagt auch “gebrochen”. Das funktioniert bei blauem Licht besser als bei rotem Licht, und gelb und grün, na ja, so in der Mitte. Was also aus dem Regentropfen herauskommt ist das aufgefächerte Licht. Ein Zuschauer in der Nähe – Du – kannst es sehen. Und zwar nur jenes Licht, jener Regentropfen, die in einem bestimmten Winkel zur Sonne stehen. Und alle diese Tropfen unter diesem Winkel befinden sich auf einem Bogen. Voila. So entsteht ein Regenbogen.

Regenbogenfarben aber, die gibt es auch ohne Bogen:


Photo by Greg Nunes on Unsplash

Wie viele Lampen?

Wie viele Lampen?

Schatten, Halbschatten, Kernschatten. Wie viele Lampen machen dieses Bild? Und können Sie es erklären? Am besten ist, Sie argumentieren mit Zeichnung oder mit einem Experiment, das die Situation nachstellt.

Warum wird die Unordnung im Weltall immer größer?

Warum wird die Unordnung im Weltall immer größer?

Worum geht es?

Unordnung wird physikalisch mit Entropie bezeichnet. Es ist ein Trend in der Natur, dass die Entropie in einem System immer größer wird. Das erleben wir auch daheim: alle Dinge in unserem Zimmer werden sich gleichmäßig “unordentlich” verteilen. Ein zweiter Trend der Natur ist ihr Wunsch nach geringster Energie: die Unordnung wird am Fußboden entstehen.

Achtung: Entropie als Unordnung zu bezeichnen, ist stark vereinfacht. Besser wäre vielleicht “maximale Verteilung”. Beim Studium von Chemie und Physik lernen Sie genauere Definitionen im Bereich der Thermodynamik kennen. Wir werden hier trotzdem mit der “Unordnung” arbeiten, und vielleicht besser mit Entropie als “Informationsverlust”.

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Wie schnell kann man auf eine automatische Schiebetüre zulaufen?


 
Eine automatische Schiebetüre ist üblicherweise geschlossen. Sie beginnt sich zu öffnen, wenn sie eine Bewegung bemerkt. Damit nicht jeder Passant auf der anderen Straßenseite die Tür öffnet, sind ihre Sensoren auf eine bestimmte Entfernung eingestellt. Wenn jemand diese Entfernung unterschreitet, wird das Signal zum Öffnen gegeben. Dieses Öffnen dauert ein wenig. Somit haben wir zwei Geschwindigkeiten, die das Geschehen bestimmen. Wie schnell geht jemand vom Auslösepunkt zur Tür. Wie schnell ändert sie ihre Öffnung von Geschlossen zu “breit genuger Spalt zum Durchgehen”.

Am besten wir probieren das mit konkreten Zahlenwerten aus, die wir einfach einmal annehmen, wie wir sie vermuten.

1. Die automatische Türe braucht eine Sekunde, um zu öffnen.
2. Der Auslösepunkt ist einen Meter vor der Türe.

Wir wissen: Geschwindigkeit=Weg/Zeit. Wir haben 1 Sekunde Zeit, um den einen Meter zur Tür zurückzulegen. Mit einer Geschwindigkeit von 1 m/1s geht sich das aus. Da sind umgerechnet 3,6 km/h (Umrechnung m/s auf km/h dich Nachdenken oder Faustregel “*3,6”) Das ist Gehgeschwindigkeit. Langsamer geht auch. Aber sicher nicht schneller. Wer schneller geht, stößt gegen die geschlossene Tür.

Frage: Wie weit muss denn der Auslösepunkt der Tür gewählt werden, damit man auf sie zulaufen kann?

Machen Sie eine Annahme für seine Geschwindigkeit und bestimmen Sie den Weg, der zur Verfügung stehen muss, um ihn in einer Sekunde zurückzulegen. Dazu formen Sie die Geschwindigkeitsformel Geschwindigkeit=Weg/Zeit auf Weg=… um.

Fortgeschritten: Analysieren Sie verschiedene Türen, die Sie suchen. Oder die Sie im Video finden. Das wäre auch ein Forschungsgegenstand für eine vorwissenschaftliche Arbeit.

Woher kommt Licht, und wohin geht es?

Woher kommt Licht, und wohin geht es?

Spektrallinien einer LED Lampe. Wir sehen sehr gut die wenigen Energiedifferenzen, die sich als Linien (Farben) zeigen.

Licht entsteht in Lichtquellen. Genau genommen im Atom. Genaugenommen in der Hülle des Atoms. In der Elektronenhülle befindet sich ein Elektron im angeregten Zustand. Es fällt in den Grundzustand zurück. Die Energiedifferenz wird als “Lichtquant” ausgestrahlt, es gilt der Zusammenhang: E= hf, und das bedeutet: Energiedifferenz (E) = Plancksches Wirkungsquantum (h) • Frequenz des Lichtes (f)

Licht verschwindet zum Beispiel in einer schwarzen Katze. Ein Lichtstrahl trifft auf ihr Fell. Auf ein Atom ihres Fells, genau genommen: es trifft auf ein Elektron in der Hülle des Atoms. Dieses Elektron geht in einen angeregten Zustand. Das “Lichtquent” wurde absorbiert, Licht ist verschwunden, die Katze hat die Energie aufgenommen und ist wieder ein bisschen wärmer geworden. Wieder gilt der Zusammenhang: E= hf. Die aufgenommene Energie ist zur Frequenz des Lichtes proportional. je größer die Frequenz, desto größer die Energie.

Hat das auch für mein Leben Bedeutung?

Durchaus. Je höher die Frequenz des Lichtes ist, desto energiereicher ist es. Sonnenbrand durch UV-Licht (Ultraviolett). Die Frequenz des UV-Lichtes ist so hoch, dass die Energie ausreicht, um ein Elektron aus seiner Hülle herauszuschlagen. Das Atom wird dadurch ionisiert. Wenn sich dieses Atom im Erbgut eines Lebewesens befindet, kann es dadurch verändert werden. Hautkrebs kann ausgelöst werden.

Und was ist Licht eigentlich?

Licht ist eine elektromagnetische Welle, so wie Radiowellen, nur mit einer höheren Frequenz. Die Netzhaut in unseren Augen ist für diese Frequenzen empfindlich. In der Quantenphysik spricht man auch davon, dass Licht aus einem Strom von Teilchen besteht, den “Photonen”. Es sind sogenannte – unteilbare – Energiequanten, die die Energieportionen E=hf tragen. Man spricht insgesamt vom “Welle-Teilchen-Dualismus” von Licht. Manche Experiment kann man gut erklären, wenn man annimmt, dass Licht eine Welle ist (Interferenzen), manche kann man gut erklären, wenn man annimmt, dass Licht aus Teilchen besteht (Photoelektrischer Effekt).

Immer noch interessiert?

Eine Episode der Physikalische Soiree beschäftigt sich mit dem Licht, seinen Eigenschaften, und wie man das Licht kennenlernen kann. Link zum Gespräch.

Was ist Wissenschaft?

Was ist Wissenschaft?

Wissenschaft ist in der Lage Glauben von Wissen zu trennen. Es ist dabei gar nicht die Frage, was besser ist, denn beides hat seine Berechtigung. Wichtig ist, dass man weiß, wo die Grenze ist. Der Philosoph René Descartes hat im 17. Jahrhundert diese Grenze formuliert.

Vier Kriterien, macht die Wissenschaft zur “Marke”, so wie Bio-Essen und geprüfte Betriebsabläufe die  Ja natürlich  von Billa definieren, oder das Selbstzusammenschrauben die Marke Do-it-yourself.

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Regenbogen und blauer Himmel

Regenbogen und blauer Himmel

Der Wiener Hochstrahlbrunnen macht an Blauer-Himmel-Tagen die Besucher nass, wenn der Wind eine feine Gischt durch die Gegend weht. Diese Gischt macht in Zusammenarbeit mit der Sonne einen schönen Regenbogen. Warum?

Wie ist das Universum entstanden?

Wie ist das Universum entstanden?

Beitragsfoto by Greg Rakozy on Unsplash
Wer den Himmel beobachtet, sieht die nahe Umgebung des Weltalls. Das Universum. Was denken die Menschen, wie ist es entstanden? Und wer von ihnen hat recht?
Gute Frage!

https://www.youtube.com/watch?v=EccE5NpEcUo
Hören Sie mal…
Viele Kulturen haben ihren eigenen Schöpfungsmythos. Die Geschichten haben oft mit Göttern und der Natur zu tun. Naturwissenschaftler haben ihre eigene Geschichte der Entstehung des Universums. Es entstand vor 13,8 Milliarden im Urknall. Raum und Zeit entstand. Es gibt bei der Beobachtung des Weltalls Hinweise darauf: das Hintergrundrauschen als eine Art “Echo des Urknalls”, und die Rotverschiebung der Sterne und Galaxien – alles dehnt sich aus – und damit muss auch alles einen Anfang gehabt haben.
Simulationen am Computer zeigen, dass die Idee mit dem Urknall eine gute Idee ist. Ein schönes Modell. Es funktioniert allerdings erst dann, wenn man zur beobachtbaren Materie noch “dunkle Materie” und zur beobachtbaren Energie noch “dunkle Energie” hinzufügt. Was auch immer es ist, das muss es geben, damit am 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall das zeigt, was wir heute im Universium beobachten. Mit Teleskopen, mit Antennen, und mit Satelliten.

Definitionen

Hier erfahren wir die Definitionen der verwendeten Konzepte.
Die Schöpfungsmythen vieler Kulturen spiegeln die Art, Geschichten zu erzählen wieder, die es damals gab, als sie entstanden sind.

 

Die schwarz geflügelte Nacht, eine Göttin, vor der selbst Zeus in Ehrfurcht stand, wurde vom Wind umworben
und legte ein silbernes Ei in den Schoß der Dunkelheit; Eros, den manche Phanes nennen, entschlüpfte diesem Ei und setzte das All in Bewegung. Die Göttin selbst zeigte sich in der Dreiheit von Nacht, Ordnung und Gerechtigkeit.
Griechische Mythologie

Dunkel und unsichtbar war die erste Welt am Anfang allen Seins, so dunkel wie die Wolle schwarzer Schafe. Diese Welt der dunklen Erde war klein, eine winzige Insel auf dem unendlichen Weltennebel. Vier Himmelsrichtungen gab es, und über jeder lag eine Wolke. In der Mitte aber wuchs die Weltenkiefer, von der alle Kiefern ihren Anfang genommen haben. Die vier Wolken enthielten das Wesen dieser ersten Welt, die gestaltlos war, und jede Wolke hatte eine bestimmte Farbe.
Erzählungen der Navaho-Indianer

Izanagi und Izanami standen auf der schwebenden Brücke des Himmels und beratschlagten und sprachen: ,Ist unten am Boden nicht etwa gar ein Land?’ Hierauf stießen sie mit dem himmlischen Juwelenspeer nach unten und rührten damit im blauen Meer herum. Als sie die Salzflut gerührt hatten, bis sie sich zäh verdickte, und sie den Speer wieder heraufzogen, häufte sich das vom Ende des Speeres herabtropfende Salz des Wassers an und wurde eine Insel, die den Namen bekam Ono-goro-zima: “Von selbst verdichtet und geronnen.”
Japanische Überlieferung

Es gibt eine Sage von einem Feigenbaum, dem riesigen Acvatha, dem immer lebenden, der wurzelt im Himmel, die Zweige abwärts gerichtet … Seine wahre Gestalt, sein Ursprung, sein Ende, sein wirkliches Wesen, kann keiner auf Erden erfahren.
Indische Überlieferung

Sie selbst

Hier nähern wir uns selbst der Sache an.
Auch die Wissenschaftler haben ihre “Geschichte” entwickelt. Sie ist über die letzten 100 Jahre entstanden. Die Sendung “Das dunkle Schwarze”, die im Deutschlandfunk ausgestrahlt wurde, stellt diese Entwicklung dar:

1900: Das Universum ist ein fester, unbeweglicher Raum, starr wie ein Tierkäfig, aber unvorstellbar groß. Darin bewegen sich die Sterne. Die Astronomen wissen, dass es Sterneninseln, also Galaxien, gibt. Sie sind sich aber noch uneins darüber, ob diese Sterneninseln innerhalb unserer Milchstraße liegen oder ob sie noch viel weiter entfernt sind.

1930: Es gibt Galaxien weit außerhalb der Milchstraße. Die Milchstraße steht nicht mehr im Zentrum, sie ist nur eine von vielen Galaxien, und diese Galaxien entfernen sich alle voneinander, wie Rosinen in einem aufgehenden Hefeteig. Der Weltraum hat keine starre, ewige Struktur mehr, sondern er hat eine dynamische Geometrie. Er bläht sich auf.

1980: Der Kosmos hat einen Anfang – den Urknall. Er expandiert zu Beginn explosionsartig, und wurde nach einigen hundert tausend Jahren durchsichtig. Die Dunkle Materie bildete die ersten filamentartigen Strukturen und großen Klumpen. Sie zog die gewöhnliche Materie an und verdichtete sie zu Sternen, Galaxien und Galaxienhaufen. Die Konstante Lambda, also die Dunkle Energie, taucht in den Gleichungen der Kosmologen zur Relativitätstheorie kaum noch auf. Sie ist aus der Mode gekommen.

2003: Die Astronomen haben sich in ungewohnter Eintracht auf das so genannte Konkordanz-Modell geeinigt: Das Weltall ist 13,7 Milliarden Jahre alt. Es besteht zu 70 Prozent aus der Dunklen Energie, die Expansion des Kosmos vorantreibt, zu 25 Prozent aus einer noch unbekannten Dunklen Materie und zu 5 Prozent aus gewöhnlicher, sichtbarer Materie.

Text: Lothar Bodingbauer, Hintergrundsendung vom 13.04.2004: “Das Dunkle Schwarze”, Deutschlandfunk. Foto Universum: Greg Rakozy, Unsplash
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Was ist Energie?

Was ist Energie?

Die Energie ist gespeicherte Arbeit. Das ist die Kurfassung. Eine physikalische Größe, die in allen Teilgebieten der Physik sowie in der Technik, der Chemie, der Biologie und der Wirtschaft eine zentrale Rolle spielt. Ihre SI-Einheit ist das Joule. In der theoretischen Physik wird Energie abstrakt als diejenige Größe definiert, die aufgrund der Unveränderlichkeit der Naturgesetze im Lauf der Zeit erhalten bleibt. Viele einführende Texte definieren Energie als Fähigkeit, mechanische Arbeit zu verrichten.

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