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Maturafragen für Big Bang 6 1 © Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2010. | www.oebv.at | Big Bang 6 | ISBN: 978-3-209-04868-4 Alle Rechte vorbehalten. Von dieser Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Die Kopiergebühren sind abgegolten. Für Veränderungen durch Dritte übernimmt der Verlag keine Verantwortung. Maturafragen für Big Bang 6 Martin Apolin (Stand Jänner 2012) Die Modell-Maturafragen auf den folgenden Seiten sind kapitelweise geordnet. Sie sollen zeigen, dass man in der Kapitelstruktur von Big Bang unterrichten kann, also in der Fachsystematik, aber trotzdem kompetenzorientierte Matu- rafragen erstellen kann, die den Poolthemen zugeordnet werden können. Tab. 1 zeigt eine Möglichkeit, den The- menpool einzuteilen. Für den jeweiligen Schultyp muss die richtige Anzahl an Themen ausgewählt werden. Die Zuord- nungen zu den Poolthemen zu Beginn jeder Maturafrage sind ein Vorschlag und nicht dogmatisch zu sehen. Eine Zuordnung zu einem Thema scheint gerechtfertigt zu sein, wenn dieses zumindest auf die Hälfte der Frage zutrifft. Bezeichnung des Poolthemas 1 Astronomie, Astrophysik und Kosmos 2 Berühmte Experimente 3 Energie und nachhaltige Energieversorgung 4 Erhaltungsgrößen 5 Felder 6 Information und Kommunikation 7 Modelle und Konzepte 8 Modellierung und Simulation 9 Möglichkeiten und Grenzen der Physik 10 Naturkonstanten, ihre Bedeutung und ihre Anwendung 11 Naturphänomene 12 Paradigmenwechsel in der Physik/Entwicklung der Welt- bilder 13 Physik als forschende Tätigkeit/Physik als Beruf 14 Physik, Biologie und Medizin 15 Physik bis 1700 16 Physik des 18. und 19. Jahrhunderts 17 Physik vom Ende des 19. Jahrhunderts bis heute 18 Physik und Alltag 19 Physik und Philosophie 20 Physik und Sport 21 Physik und Technik 22 Schwingungen und Wellen 23 Strahlung 24 Teilchen 25 Vereinheitlichungen in der Physik 26 Vermessung des Mikro- und Makrokosmos 27 Von der Naturphilosophie der Antike zur Naturwissen- schaft der Neuzeit 28 Voraussagekraft von Theorien 29 Wetter, Klima, Klimawandel 30 Zufall in der Physik Tab. 1: Der Themenpool im Überblick; Details zum Themen- pool findet man unter bigbang.oebv.at Matura und Co. Themenpool In der rechten Spalte der Maturafragen sind Handlungsdi- mensionen angeführt, die auf die jeweilige Frage zutreffen. In Tab. 2 sind diese Handlungsdimensionen im Überblick dargestellt. Diese sind nicht immer scharf zu trennen, und manchmal treffen mehrere auf eine Frage zu. Das Ziel sollte aber auch nicht sein, dass man den Unterricht und die Ma- turafragen nach Handlungsdimensionen seziert, sondern dass man ein Gefühl dafür bekommt, welchen großen Handlungsspielraum man im kompetenzorientierten Unter- richt und beim Erstellen der Fragen hat. Wissen organisieren: Aneignen, Darstellen und Kommu- nizieren Ich kann einzeln oder im Team … W1 …Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Tech- nik beschreiben und benennen W2 …aus unterschiedlichen Medien und Quellen fachspezifi- sche Informationen entnehmen W3 …Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Tech- nik in verschiedenen Formen (Bild, Grafik, Tabelle, Diagramm, Formeln, Modelle …) darstellen, erläutern und adressaten- gerecht kommunizieren W4 …die Auswirkungen von Vorgängen in Natur, Umwelt und Technik auf die Umwelt und Lebenswelt erfassen und be- schreiben Erkenntnisse gewinnen: Fragen, Untersuchen, Interpre- tieren Ich kann einzeln oder im Team … E1 …zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Umwelt und Technik Beobachtungen machen oder Messungen durchführen und diese beschreiben E2 …zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Umwelt und Technik Fragen stellen und Vermutungen aufstellen E3 …zu Fragestellungen eine passende Untersuchung oder ein Experiment planen, durchführen und protokollieren E4 …Daten und Ergebnisse von Untersuchungen analysieren (ordnen, vergleichen, Abhängigkeiten feststellen), interpretie- ren und mit Modellen abbilden Schlüsse ziehen: Bewerten, Entscheiden, Handeln Ich kann einzeln oder im Team … S1 …Daten, Fakten, Modelle und Ergebnisse aus verschiedenen Quellen aus naturwissenschaftlicher Sicht bewerten und Schlüsse daraus ziehen S2 …Bedeutung, Chancen und Risiken der Anwendungen von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen für mich persönlich, für die Gesellschaft und global erkennen, um verantwortungsbe- wusst zu handeln S3 …die Bedeutung von Naturwissenschaft und Technik für verschiedene Berufsfelder erfassen, um diese Kenntnis bei der Wahl meines weiteren Bildungsweges zu verwenden S4 …fachlich korrekt und folgerichtig argumentieren und na- turwissenschaftliche von nicht-naturwissenschaftlichen Argu- mentationen und Fragestellungen unterscheiden Tab. 2: Die Handlungsdimensionen des Kompetenzmodells im Überblick; Details zum Kompetenzmodell findet man unter bigbang.oebv.at Matura und Co. Kompetenzmodell

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Maturafragen für Big Bang 6 1

© Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2010. | www.oebv.at | Big Bang 6 | ISBN: 978-3-209-04868-4 Alle Rechte vorbehalten. Von dieser Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Die Kopiergebühren sind abgegolten. Für Veränderungen durch Dritte übernimmt der Verlag keine Verantwortung.

Maturafragen für Big Bang 6

Martin Apolin (Stand Jänner 2012)

Die Modell-Maturafragen auf den folgenden Seiten sind

kapitelweise geordnet. Sie sollen zeigen, dass man in der

Kapitelstruktur von Big Bang unterrichten kann, also in der

Fachsystematik, aber trotzdem kompetenzorientierte Matu-

rafragen erstellen kann, die den Poolthemen zugeordnet

werden können. Tab. 1 zeigt eine Möglichkeit, den The-

menpool einzuteilen. Für den jeweiligen Schultyp muss die

richtige Anzahl an Themen ausgewählt werden. Die Zuord-

nungen zu den Poolthemen zu Beginn jeder Maturafrage

sind ein Vorschlag und nicht dogmatisch zu sehen. Eine

Zuordnung zu einem Thema scheint gerechtfertigt zu sein,

wenn dieses zumindest auf die Hälfte der Frage zutrifft.

Bezeichnung des Poolthemas

1 Astronomie, Astrophysik und Kosmos

2 Berühmte Experimente

3 Energie und nachhaltige Energieversorgung

4 Erhaltungsgrößen

5 Felder

6 Information und Kommunikation

7 Modelle und Konzepte

8 Modellierung und Simulation

9 Möglichkeiten und Grenzen der Physik

10 Naturkonstanten, ihre Bedeutung und ihre Anwendung

11 Naturphänomene

12 Paradigmenwechsel in der Physik/Entwicklung der Welt-bilder

13 Physik als forschende Tätigkeit/Physik als Beruf

14 Physik, Biologie und Medizin

15 Physik bis 1700

16 Physik des 18. und 19. Jahrhunderts

17 Physik vom Ende des 19. Jahrhunderts bis heute

18 Physik und Alltag

19 Physik und Philosophie

20 Physik und Sport

21 Physik und Technik

22 Schwingungen und Wellen

23 Strahlung

24 Teilchen

25 Vereinheitlichungen in der Physik

26 Vermessung des Mikro- und Makrokosmos

27 Von der Naturphilosophie der Antike zur Naturwissen-schaft der Neuzeit

28 Voraussagekraft von Theorien

29 Wetter, Klima, Klimawandel

30 Zufall in der Physik

Tab. 1: Der Themenpool im Überblick; Details zum Themen-pool findet man unter bigbang.oebv.at � Matura und Co. �

Themenpool

In der rechten Spalte der Maturafragen sind Handlungsdi-

mensionen angeführt, die auf die jeweilige Frage zutreffen.

In Tab. 2 sind diese Handlungsdimensionen im Überblick

dargestellt. Diese sind nicht immer scharf zu trennen, und

manchmal treffen mehrere auf eine Frage zu. Das Ziel sollte

aber auch nicht sein, dass man den Unterricht und die Ma-

turafragen nach Handlungsdimensionen seziert, sondern

dass man ein Gefühl dafür bekommt, welchen großen

Handlungsspielraum man im kompetenzorientierten Unter-

richt und beim Erstellen der Fragen hat.

Wissen organisieren: Aneignen, Darstellen und Kommu-nizieren

Ich kann einzeln oder im Team …

W1 …Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Tech-nik beschreiben und benennen

W2 …aus unterschiedlichen Medien und Quellen fachspezifi-sche Informationen entnehmen

W3 …Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Tech-nik in verschiedenen Formen (Bild, Grafik, Tabelle, Diagramm, Formeln, Modelle …) darstellen, erläutern und adressaten-gerecht kommunizieren

W4 …die Auswirkungen von Vorgängen in Natur, Umwelt und Technik auf die Umwelt und Lebenswelt erfassen und be-schreiben

Erkenntnisse gewinnen: Fragen, Untersuchen, Interpre-tieren

Ich kann einzeln oder im Team …

E1 …zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Umwelt und Technik Beobachtungen machen oder Messungen durchführen und diese beschreiben

E2 …zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Umwelt und Technik Fragen stellen und Vermutungen aufstellen

E3 …zu Fragestellungen eine passende Untersuchung oder ein Experiment planen, durchführen und protokollieren

E4 …Daten und Ergebnisse von Untersuchungen analysieren (ordnen, vergleichen, Abhängigkeiten feststellen), interpretie-ren und mit Modellen abbilden

Schlüsse ziehen: Bewerten, Entscheiden, Handeln

Ich kann einzeln oder im Team …

S1 …Daten, Fakten, Modelle und Ergebnisse aus verschiedenen Quellen aus naturwissenschaftlicher Sicht bewerten und Schlüsse daraus ziehen

S2 …Bedeutung, Chancen und Risiken der Anwendungen von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen für mich persönlich, für die Gesellschaft und global erkennen, um verantwortungsbe-wusst zu handeln

S3 …die Bedeutung von Naturwissenschaft und Technik für verschiedene Berufsfelder erfassen, um diese Kenntnis bei der Wahl meines weiteren Bildungsweges zu verwenden

S4 …fachlich korrekt und folgerichtig argumentieren und na-turwissenschaftliche von nicht-naturwissenschaftlichen Argu-mentationen und Fragestellungen unterscheiden

Tab. 2: Die Handlungsdimensionen des Kompetenzmodells im Überblick; Details zum Kompetenzmodell findet man unter bigbang.oebv.at � Matura und Co. � Kompetenzmodell

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Maturafragen für Big Bang 6 1

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Kapitel 12 Von Aristoteles bis Kepler

Frage 28 passt zu den Poolthemen 1 Astronomie, Astrophysik und Kosmos, 11 Naturphänomene, 12 Paradig-menwechsel in der Physik/Entwicklung der Weltbilder und 27 Von der Naturphilosophie der Antike zur Naturwis-senschaft der Neuzeit

a Auf einem Planeten scheint an einem be-stimmten Tag die Sonne am Ort A genau senk-recht, am Ort B unter einem Winkel von 10 °. Die Orte sind 2000 km voneinander entfernt. Ist der Planet größer oder kleiner als die Erde? Hilf dir mit der Abbildung. (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

b Erkläre mit Hilfe der Abbildungen, warum das heliozentrische Weltbild (Bild links) eine einfachere Erklärung für die Schleifenbahnen der Planeten am Him-mel liefert als das geozentrische (Bild rechts). (Quellen: Big Bang 6, ÖBV)

S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

c Die Venus wurde früher als „Morgenstern“ oder „Abend-stern“ bezeichnet. Natürlich ist die Venus kein Stern, aber warum ist an den Bezeichnungen etwas Wahres dran? Be-gründe mit Hilfe der Abbildung.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

d Was zeigt die Abbildung? Schätze auf mög-

lichst einfache Weise ab, wie lange sie belichtet

wurde.

(Quelle: Big Bang 6. ÖBV)

E1 Messungen durchführen und beschreiben E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

Kommentare

28a: 10 ° entsprechen 2000 km. Der Umfang des Planeten beträgt 360 °, also 2000 km∙36 = 72.000 km. Der Planet ist daher

größer als die Erde mit ihrem Umfang von 40.000 km.

28b: Im heliozentrischen Weltbild ergeben sich die Schleifenbahnen zwanglos, im geozentrischen muss man sie durch die

Überlagerung von Epizyklen auf Epizyklen auf Deferenten mit Gewalt konstruieren.

28c: Der Winkel zwischen Sonne und Venus kann 44° niemals überschreiten. Deshalb ist die Venus entweder kurz nach Son-

nenuntergang als „Abendstern“ oder kurz vor Sonnenaufgang als „Morgenstern“ zu sehen.

28d: Dazu muss man den Öffnungswinkel des Kreissektors messen, der durch die Bahn eines Sternes und den Drehpunkt auf-

gespannt wird (siehe Abb. 21). Dieser Winkel beträgt 30°. In 24 h rotiert die Erde um 360°, pro Stunde daher um 15°. In un-

serer Aufnahme hat sich die Erde um 30° gedreht, also wurde diese 2 Stunden lang belichtet.

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Kapitel 12 Von Aristoteles bis Kepler

Frage 29 passt zu den Poolthemen 1 Astronomie, Astrophysik und Kosmos, 11 Naturphänomene, 12 Paradig-menwechsel in der Physik/Entwicklung der Weltbilder, 26 Vermessung des Mikro- und Makrokosmos und 27 Von der Naturphilosophie der Antike zur Naturwissenschaft der Neuzeit

a Das 1. Kepler’sche Gesetz besagt, dass sich jeder Planet auf einer Ellipsenbahn um die Sonne bewegt. Die Sonne befindet sich in ei-nem der Brennpunkte. Warum ist aus heutiger Sicht diese Formulierung nicht richtig? Erkläre in diesem Zusammenhang die Abbildung!

Bewegung des Mittelpunkts unserer Sonne in den Jahren 1960 bis 2025. Zum Größenvergleich ist die Sonne ein-

gezeichnet. (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

b Es gibt verschiedene Arten, extrasolare Planeten zu entdecken. Eine davon nutzt den in a angesprochenen Effekt aus. Erkläre das mit Hilfe der Abbildung.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

c Auf www.prosieben.at findet man folgendes Zitat: „Im Sommer ist es wärmer, da die Erde der Sonne näher ist.“ Diskutiere die-ses Zitat, und verwende dabei die Abbildung. (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

d Frühling und Sommer haben auf der Nordhalbkugel zusammen 186, Herbst und Winter 179 Tage. Begründe das mit Hilfe des 2. Kepler’schen Gesetzes und der Abbildung oben.

W2 Informationen entnehmen W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

Kommentare

29a: Im Brennpunkt der Ellipsenbahn befindet sich nicht die Sonne, sondern der gemeinsame Schwerpunkt von Planet und

Sonne. Die Sonne selbst beschreibt ebenfalls eine Ellipse. Die anderen Planeten unseres Sonnensystems beeinflussen einander

und die Sonne noch einmal zusätzlich. Weil die Masse der Sonne aber mehr als 700-mal so groß ist wie die aller Planeten zu-

sammen, befindet sich der Schwerpunkt des Sonnensystems immer in ihrer Nähe, zeitweise auch in ihrem Inneren. Trotzdem:

Die Sonne schlingert ein wenig.

29b: Hat das Sonnensystem nur einen Planeten, dann vollführen sowohl dieser als auch der Stern eine Ellipsenbahn um ihren

Gesamtschwerpunkt. Diese Bewegung des Sterns kann man mit Hilfe des Doppler-Effekts messen.

29c: Im Sommer ist die Erde sogar weiter von der Sonne weg als im Winter. Der Grund für die Jahreszeiten liegt darin, dass

die Erdachse um 23,5° zur Erdbahn, der Ekliptik, geneigt ist. Im Winter zeigt der Nordpol von der Sonne weg. Auf der Nord-

halbkugel sind dadurch erstens die Tage kürzer und zweitens fällt das Sonnenlicht flacher ein. Deshalb ist es im Winter kälter.

29d: Das liegt daran, dass sich die Erde am 3. Jänner am nächsten bei der Sonne befindet und daher eine etwas höhere Um-

laufgeschwindigkeit hat.

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Kapitel 13 Newtons Gravitationsgesetz

Frage 30 passt zu den Poolthemen 2 Berühmte Experimente, 10 Naturkonstanten, ihre Bedeutung und ihre An-wendung, 12 Paradigmenwechsel in der Physik/Entwicklung der Weltbilder, 13 Physik als forschende Tätigkeit, 16 Physik des 18. und 19. Jahrhunderts, 26 Vermessung des Mikro- und Makrokosmos und 27 Von der Naturphi-losophie der Antike zur Naturwissenschaft der Neuzeit

a Die Gravitationskonstante G kann nur im Experiment bestimmt wer-den. Der genaue Wert konnte 1797 von Henry Cavendish ermittelt wer-den. Beschreibe das Experiment mit Hilfe der Abbildung. (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

E1 Messungen durchführen und beschreiben

b Im Weltall schwebt ein einsamer Tisch, auf den du die Erde legst! Wie viel würde die Erde wiegen? Wie muss man vorgehen, um dieses Experiment durchfüh-ren zu können? Erkläre in diesem Zusammenhang den Unterschied zwischen Masse und Gewicht.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

c Cavendish nahm von sich in Anspruch, die Erde „gewogen“ zu haben. Kom-mentiere diese Aussage unter Zuhilfenahme der Antwort zu b.

E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

d Berechne die Masse der Erde nach dem Prinzip von Cavendish. Welche Über-legung musst du dazu anstellen und wie musst du vorgehen? Verwende dafür folgende Daten: g = 9,81 ms–2, r = 6,37∙106 m.

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

Kommentare

30a: Man bringt zwei größere Massen in die Nähe von zwei kleineren. Diese sind an einem Stab befestigt, der wiederum an

einer Schnur hängt. Durch die Gravitation werden die kleinen Massen leicht angezogen, und der Faden verdreht sich ein biss-

chen. Durch die Verdrehung entsteht im Faden eine elastische Kraft. Der Stab kommt zum Stillstand, wenn diese Kraft so groß

ist wie die Gravitationskraft zwischen den Massen. Die elastische Kraft kann man sehr genau berechnen und somit auch FG

und die Gravitationskonstante G.

30b: Erde und Tisch ziehen einander mit derselben Kraft an. Ein Tisch mit zum Beispiel 20 kg wiegt auf der Erde rund 200 N.

Also wiegt die Erde auf dem Tisch ebenfalls 200 N. Um das Experiment durchzuführen, muss dazu nur einen Tisch verkehrt

auf den Boden gelegt werden. Zur Messung der Kraft könnte man eine mit Newton geeichte Waage dazwischen legen! Die

Masse ist ein Skalar. Sie hat nur einen Zahlenwert und keine Richtung. Die Gewichtskraft ist ein Vektor und zeigt in Richtung

Erdmitte. Die Masse eines Gegenstands ist im gesamten Universum immer gleich groß. Die Gewichtskraft oder kurz „das Ge-

wicht“ ist die Kraft, mit der eine Masse von der Erde anzogen wird.

30c: Genau genommen bestimmte Cavendish die Masse der Erde.

30 d: Durch Gleichsetzen der Gravitationskraft aus dem Newton’schen Gesetz und der Gewichtskraft erhält man �� = �� =

� ���

und daraus folgt �� = �

�= 5,97 ∙ 10�� kg.

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Kapitel 13 Newtons Gravitationsgesetz

Frage 31 passt zu den Poolthemen 1 Astronomie, Astrophysik und Kosmos, 5 Felder, 6 Information und Kommu-nikation und 21 Physik und Technik

a Das 2. Kepler’sche Gesetz lautet: Die Linie zwischen einem Planeten und der Sonne überstreicht in gleichen Zeitabschnitten gleiche Flächen (Abb. links). Be-gründe dieses Gesetz mit Hilfe der Richtung der Gravitationskraft und verwende dabei die Abbildung rechts. Erkläre den Begriff Gravitationsfeld.

(Quellen: Big Bang 6, ÖBV)

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

b Die Zentripetalkraft FZP = mv2/r wird bei allen Satelliten durch die Gravitations-kraft (FG) verursacht. Was ist damit gemeint? Berechne die Mindestgeschwin-digkeit, die ein Satellit im Orbit haben muss! (g = 9,81 m/s2; r = 6,37∙106 m)

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

c Erkläre qualitativ, welche Bedingungen ein geostationärer Satellit erfüllen muss. In der Abbildung siehst du Parabolanten-nen an einer Häuserfront. Die Stadt liegt nördlich des Äquators. Schätze ab, in wel-cher Richtung Süden liegt.

(Foto: Georg Slickers, Quelle: Wikipedia)

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

Kommentare

31 a: Starten wir im Perihel (a). Dort stehen v und FG normal. v wird also nur gedreht, FG zeigt aber immer zur Sonne. Wenn

sich der Planet entfernt, entsteht somit eine bremsende Komponente der Gravitationskraft, die gegen die Flugrichtung zeigt

(b). Der Planet wird so lange gebremst, bis er das Aphel (c) erreicht. Dort stehen v und FG wieder normal und seine Geschwin-

digkeit ist ein Minimum. Wenn sich der Planet der Sonne wieder annähert (d), dann gibt es eine beschleunigende Komponen-

te, bis er wieder das Perihel erreicht und so weiter. Gravitationsfeld bedeutet, dass die Gravitationskraft an jedem Punkt in der

Umgebung der Erde eine völlig exakt bestimmbare Richtung und Größe hat.

31b: Wenn man FZP und FG = mg gleichsetzt, erhält man � = ���. Wenn man die bekannten Werte einsetzt, erhält man v =

7,9 km/s.

31c: Ein solcher Satellit muss zwei Dinge erfüllen. Erstens muss seine Flugbahn möglichst in der Äquatorebene der Erde liegen.

Ist das nicht der Fall, pendelt er aus unserer Sicht ständig zwischen Nord und Süd hin- und her. Zweitens muss er genau einen

Tag um die Erde brauchen. Das ist in einer Höhe von 36.000 km über der Erdoberfläche der Fall. Weil sich geostationäre Satel-

liten über dem Äquator befinden, stehen sie, mit gewissen Abweichungen, im Süden. Daher zeigen die Parabolantennen an

der Häuserfassade ebenfalls etwa die Südrichtung an.

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Kapitel 13 Newtons Gravitationsgesetz

Frage 32 passt zu den Poolthemen 1 Astronomie, Astrophysik und Kosmos, 5 Felder und 11 Naturphänomene

a Man sagt, dass der Mond um die Erde kreist. Warum ist das genau genom-men nicht richtig? Wie müsste man es exakt beschreiben? Welche Konsequenz ergibt sich daraus für die Erde?

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

b Was versteht man unter Gezeitenkräf-ten? Erkläre ihre Wirkung am Beispiel ei-nes Astronauten, der in eine schwarzes Loch fällt. Verwende dabei die Abbil-dung. Wovon hängt die Größe der Ge-zeitenkraft ab?

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

c Wie kommen Ebbe und Flut zu Stande? Erkläre das mit Hilfe der Antworten auf die Fragen a und b und verwende die Abbildung.

A Gravitationskräfte des Mondes auf der Erde, wenn dieser übertrieben nahe an-

genommen wird; B Nettokräfte, wenn man die durchschnittliche Kraft auf die

Erde (mittlerer, roter Pfeil bei A) abzieht. (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

Kommentare

32a: Mond und Erde kreisen um ihren gemeinsamen Schwerpunkt, das Baryzentrum. Nicht nur der Mond, sondern auch die

Erde befindet sich ständig im freien Fall. Beide fallen innerhalb eines Monats um das Baryzentrum.

32b: Darunter versteht man ganz allgemein, dass die Gravitationskraft an einem Objekt durch die Inhomogenität des Gravita-

tionsfeldes nicht überall gleich groß ist. Die Abbildung macht Folgendes deutlich: Erstens sind die Gezeitenkräfte umso stär-

ker, je näher man sich bei einer Gravitationsquelle befindet. Weil man sich Schwarzen Löchern am stärksten annähern kann,

haben diese daher auch die größten Gezeitenkräfte. Zweitens wirken die Gezeitenkräfte auf große Objekte stärker als auf

kleine.

32c: Die Gravitationskraft, die für die Kreisbahn der Erde verantwortlich ist, ist nicht an jedem Punkt der Erde gleich groß. Auf

der dem Mond zugewandten Seite ist sie einen Deut größer als im Erdmittelpunkt, auf der dem Mond abgewandten Seite ei-

nen Deut kleiner. Warum dadurch zwei Wasserbäuche entstehen, erkennt man am besten, wenn man die durchschnittliche

Kraft, die auch auf den festen Erdkörper wirkt (mittlerer roter Pfeil bei A), abzieht. Alles auf der Erde wird durch den freien Fall

um das Baryzentrum beschleunigt, aber das Wasser auf der mondnahen Seite stärker und auf der mondfernen Seite schwä-

cher als der feste Erdkörper selbst. Dadurch entstehen zwei Flugbäuche. Ebbe und Flut sind der Beleg dafür, dass das Gravita-

tionsfeld des Mondes nicht homogen ist.

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Kapitel 14 Grundlagen der Schwingungen

Frage 33 passt zu den Poolthemen 2 Berühmte Experimente, 13 Physik als forschende Tätigkeit, 15 Physik bis 1700, 18 Physik und Alltag und 22 Schwingungen und Wellen

a Bau dir ein einfaches Pendel aus einem dünnen Faden und einem daran hän-genden Gewicht. Führe nun Versuche mit kleinen Schwingungsweiten durch und trage alle Werte in eine Tabelle ein. Stoppe für 3 verschiedene Pendellän-gen die Zeitdauer für je 10 Schwingungen. Lass die anderen Werte (Masse und Anfangsauslenkung) gleich. Zwischen welchen Punkten muss man die Pendel-länge messen? Zeichne deine beobachteten Werte in ein Diagramm ein. Um welchen Faktor musst du die Pendellänge vergrößern, damit sich die Pendelzeit verdoppelt? Welcher Zusammenhang zwischen Pendellänge und Schwingungs-dauer ergibt sich daraus?

E3 Experimente planen, durchfüh-ren und protokollieren E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

b Interpretiere das Diagramm. Welche Schlussfolgerung lässt sich daraus ziehen? Welcher Zu-sammenhang ergibt sich zu a? Erkläre in diesem Zusammen-hang, warum in Aufgabe a von „kleinen Schwingungsweiten die Rede ist“. Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

c Kinderschaukel: Hat deine Mas-se einen Einfluss auf die Schau-kelgeschwindigkeit? Wie verän-dert sich die Geschwindigkeit, wenn du im Stehen schaukelst? Was passiert mit der Schaukelge-schwindigkeit, wenn du am Mond schaukelst? (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

Kommentare

33a: Die Pendellänge muss vom Aufhängepunkt bis zum Schwerpunkt der Masse gemessen werden. Als Zusammenhang zwi-

schen Pendellänge und Schwingungsdauer ergibt sich � ~ √�. Daraus folgt, dass eine Vervierfachung der Pendellänge zu einer

Verdopplung der Schwingungsdauer führt.

33b: Bei kleinen Auslenkungen ist die Schwingungsdauer kaum von der Auslenkung abhängig. Selbst bei 20 ° beträgt der

Fehler noch weniger als 1 %. Bei großen Auslenkungen kommt es jedoch zu empfindlichen Abweichungen bis zu knapp

20 %. Um beim Versuch in a sinnvolle Werte zu bekommen, muss daher, wie in der Angabe verlangt, die Auslenkung mög-

lichst klein sein.

33c: Die Masse hat, ähnlich wie beim freien Fall, keinen Einfluss auf die Schwingungsdauer (wenn man vereinfacht annimmt,

dass die Masse der Schaukel selbst vernachlässigbar ist). Wenn man steht, verkürzt sich die Pendellänge und die Schwingung

wird schneller. Am Mond ist die Schwingung langsamer, so wie auch der freie Fall langsamer abläuft.

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© Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2010. | www.oebv.at | Big Bang 6 | ISBN: 978-3-209-04868-4 Alle Rechte vorbehalten. Von dieser Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Die Kopiergebühren sind abgegolten. Für Veränderungen durch Dritte übernimmt der Verlag keine Verantwortung.

Kapitel 14 Grundlagen der Schwingungen

Frage 34 passt zu den Poolthemen 18 Physik und Alltag, 21 Physik und Technik und 22 Schwingungen und Wellen

a Nimm ein Federpendel und bring es in Schwingung, indem du mit der Hand das obere Ende der Feder auf und ab bewegst. Pro-biere verschiedene Frequenzen aus. Welchen Zusammenhang zwi-schen der Anregungsfrequenz und der Amplitude kannst du fest-stellen?

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

E3 Experimente planen, durchfüh-ren und protokollieren E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

b Wenn du einen Teller Suppe oder eine volle Tasse trägst, dann kann es passie-ren, dass die Flüssigkeit immer stärker schaukelt, bis sie schließlich über-schwappt. Warum ist das so? Welcher Zusammenhang ergibt sich zu a?

W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben E2 Fragen stellen und Vermutun-gen aufstellen

c Wie funktioniert ein Stoßdämpfertest? Erkläre dabei die linke und die mittlere Abbildung. Welche Größen sind in der Abb. in der Mitte in radialer Richtung und in Kreisrichtung aufgetragen? Warum ist der Begriff Stoßdämpfer physika-lisch gesehen nicht glücklich gewählt? Stelle einen Zusammenhang zwischen der mittleren und der rechten Abbildung her.

Links: Vorrichtung zum Testen der Stoßdämpfer: Es ist immer nur eine der beiden Exzenterschei-ben in Betrieb; Mitte: Prüfdiagramm (Quellen: Big Bang 6, ÖBV)

E3 Experimente planen, durchfüh-ren und protokollieren E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

Kommentare

34a: Die Amplitude der Schwingung hängt von der Frequenz ab. Bei einer bestimmten Frequenz wird die Amplitude ein Ma-

ximum.

34b: Wenn die Schrittfrequenz mit der Resonanzfrequenz der schwingenden Flüssigkeit übereinstimmt, dann kommt es zu ei-

nem Aufschaukeln und zu einer „Resonanzkatastrophe“ (dem Überschwappen der Flüssigkeit).

34c: Stoßdämpfertest: Dabei wird das Auto auf eine Vorrichtung gestellt, mit der man Schwingungen erzeugen kann (Abb.

links). Dann wird das Auto bei verschiedenen Frequenzen zum Schwingen gebracht und die Amplitude wird gemessen. Selbst

bei der Resonanzfrequenz darf das Auto nicht allzu stark schwingen. Prüfdiagramm Mitte: Rechts hinten ist alles ok, der rech-

te vordere Stoßdämpfer schwingt aber bei der Resonanzfrequenz zu stark. In radialer Richtung ist die Amplitude aufgetragen,

in Kreisrichtung die Frequenz bzw. die Zeit. Stoßdämpfer bestehen im Prinzip aus mit Öl gefüllten Zylindern, in denen sich bei

Zug oder Druck ein Kolben bewegt. Dadurch wird das Öl durch Ventile von einer in eine andere Kammer gedrückt. Es ent-

steht Wärme, und die Schwingung wird gedämpft. Deshalb ist die Bezeichnung Stoßdämpfer nicht gelungen, es wäre besser

von Schwingungsdämpfern zu sprechen. Die Abbildung rechts zeigt den Zusammenhang zwischen der Anregungsfrequenz

und der daraus resultierenden Auslenkung. Um die Stoßdämpfer zu testen, muss man die Frequenz so lange variieren, bis

man die Resonanzfrequenz trifft.

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Kapitel 14 Grundlagen der Schwingungen

Frage 35 passt zu den Poolthemen 11 Naturphänomene, 13 Physik als forschende Tätigkeit, 14 Physik, Biologie und Medizin, 18 Physik und Alltag und 22 Schwingungen und Wellen

a Was versteht man unter einer Schwebung? Erkläre in diesem Zusammenhang die Abbildung links. Was versteht man unter Spring- und Nippflut (Abb. rechts)? Welcher Zusammenhang lässt sich zwischen diesen beiden Phänomenen fest-stellen?

(Quellen: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

b Eine Gitarre kann man mit Flageolett-Tönen stimmen. Dabei zupft man zwei Saiten so an, dass sie eigentlich gleich klingen sollten und hört auf die Schwe-bungsfrequenz. Wie lange braucht man theoretisch, um eine perfekte Stim-mung zu bekommen? Begründe deine Antwort sowohl mit Hausverstand als auch mathematisch. Hilf dir dabei mit der Antwort auf Frage a.

E2 Fragen stellen und Vermutun-gen aufstellen

b Erkläre die Begriffe Ton, Klang und Ge-räusch mit Hilfe der Abbildung. Welche Unterschiede bestehen? Erkläre weiters die Begriffe Obertöne und Klangfarbe. Warum hören wir zum Beispiel eine Trompete anders als ein Klavier?

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

Kommentare

35a: Wenn man zwei Töne mit leicht unterschiedlicher Frequenz überlagert, dann entsteht eine so genannte Schwebung. Die

Amplitude der Gesamtschwingung schwillt dabei ständig an und wieder ab. Die Schwebungsfrequenz ist die Differenz der

Einzelfrequenzen. Sowohl der Mond als auch die Sonne erzeugen eine Schwingung der Meeresoberfläche. Die Schwingungs-

periode der Sonnenflut liegt bei 12 h (also genau einem halben Tag), die der Mondflut bei 12:26 h (weil sich der Mond um

die Erde dreht). Dadurch entsteht eine Schwebung, die wir durch Veränderung der Fluthöhe bemerken.

35b: Je besser die Übereinstimmung ist, desto weiter auseinander liegen die Schwebungen. Um eine perfekte Stimmung zu

bekommen, braucht man ewig lang Zeit. Mathematisch kann man das so begründen:f1 – f2=fschw = 1/Tschw. Die Zeitdauer

zwischen zwei Lautstärkenmaxima bei einer Schwebung ist indirekt proportional zur Schwebfrequenz. Geht diese gegen null,

geht Tschw gegen unendlich.

35c: Ein Ton ist eine reine Sinusschwingung. Ein Klang entsteht durch die Überlagerung von mindestens zwei Schwingungen

mit verschiedener Frequenz. Ein Geräusch (d) besteht wie der Klang aus einem Frequenzgemisch. Die Auslenkungen sind aber

nicht periodisch, wiederholen sich also nicht. Die tiefste, die so genannte Grundfrequenz, macht die Klanghöhe aus. Alle an-

deren Frequenzen nennt man Oberfrequenzen, und diese machen die Klangfarbe aus.

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Kapitel 15 Wellengrundlagen 1

Frage 36 passt zu den Poolthemen 11 Naturphänomene, 18 Physik und Alltag und 22 Schwingungen und Wellen

a Erkläre die Aussage „eine Welle ist die Ausbreitung einer Störung bzw. von Energie ohne Materietransport“ mit Hilfe der Abbildung und weiterer selbst gewählter Beispiele. (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

b Erkläre den Unterschied zwischen Longitudinal- und Transversalwellen mit Hil-fe selbst gewählter, für den Alltag relevanter Beispiele. In welchen Medien kön-nen sich mechanische Wellen ausbreiten?

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

c Wie schwingt ein Korken im freien Wasser, wenn eine Welle vorbeistreicht? In welche Wellenkategorie sind Wasserwellen daher einzuordnen (siehe b)? An welcher Stelle befindet sich der Korken, nachdem die Welle vorbei ist? Kann ein lauter Lautsprecher kleine Objekte in der Nähe „wegblasen“? Begründe!

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

d In welche Kategorie sind Erdbeben-wellen einzuordnen? Begründe mit Hilfe der Abbildung und mit der Ant-wort zu b, warum man weiß, dass der äußere Erdkern flüssig ist.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

Kommentare

36a: Die Abbildung zeigt den Tsunami von 2004. Die mittransportierte Energie führt an den Küsten zu unglaublichen Verwüs-

tungen. Ein Tsunami transportiert nur Energie, keine Materie! Eine Welle ist keine Strömung! Weitere Beispiele: Stein fällt ins

Wasser, Blitz und Donner, Erdbeben, elektromagnetische Wellen durch beschleunigte Ladungen.

36b: Schwingung quer zur Ausbreitungsrichtung: Transversalwelle (Licht); in Ausbreitungsrichtung: Longitudinalwelle (Luft-

schall). Mechanische Longitudinalwellen können sich in allen Medien ausbreiten, mechanische Transversalwellen nur in festen

Stoffen und an der Oberfläche von Flüssigkeiten.

36c: Der Korken beschreibt eine Kreisbahn. Daher haben Wasserwellen longitudinale und transversale Anteile. Nachdem die

Störung der Wasseroberfläche vorüber ist, befindet sich der Korken an derselben Stelle, weil eine Welle keine Strömung ist.

Aus demselben Grund kann der Lautsprecher auch keine Objekte „wegblasen“, sie schwingen nur hin und her.

36d: Erdbebenwellen sind longitudinal und transversal. Nach einem Beben gibt es auf der gegenüberliegenden Seite der Erde

einen sehr großen Bereich, in dem keine Transversalwellen-Wellen auftreten. Richard D. Oldham kam 1906 auf die richtige

Idee, dass der Erdkern flüssig sein muss, weil sich in Flüssigkeiten keine Transversalwellen ausbreiten können.

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Kapitel 15 Wellengrundlagen 1

Frage 37 passt zu den Poolthemen 6 Information und Kommunikation, 13 Physik als forschende Tätigkeit, 18 Phy-sik und Alltag, 21 Physik und Technik und 22 Schwingungen und Wellen

a Wenn man den Drehteller aus einem Mikrowellenherd entfernt und den Boden mit Marshmallows belegt, dann blähen sich diese unterschiedlich stark auf, wenn man den Herd einschaltet. Warum? Erkläre mit dieser Beobachtung die Funktion des Drehtellers.

E3 Experimente planen, durchfüh-ren und protokollieren E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

b Begründe mit Hilfe der Abbildung, warum offene und gedeckte Orgelpfei-fen unterschiedlich klingen. Erkläre in diesem Zusammenhang die Begriffe Grund- und Obertöne und wie diese mit der wahrgenommenen Höhe eines Klangs und dessen Klangfarbe zusam-menhängen.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

c Du hast eine beidseitig offen Röhre, ein hohes Gefäß mit Wasser, eine Stimm-gabel mit bekannter Frequenz und ein Maßband. Schätze mit diesen Utensilien und der Formel c = f∙λ die Schallgeschwindigkeit ab. Hilf dir mit der Abbildung aus Frage b, und überlege, welche Rolle die Resonanz in diesem Versuch spielt.

E3 Experimente planen, durchfüh-ren und protokollieren E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

Kommentare

37a: Im Mikrowellenherd bilden sich durch Reflexionen stehende elektromagnetische Wellen aus. Das bedeutet, dass die Spei-

sen an manchen Stellen stark erhitzt werden (Schwingungsbauch), und an anderen gar nicht (Schwingungsknoten). Deshalb

dehnen sich auch die Marshmallows unterschiedlich stark aus. Damit die Speisen gleichmäßig erwärmt werden, gibt es den

Drehteller.

37b: Wenn die Röhre beidseitig offen ist, beträgt ihre Länge λ/2 des Grundtons, wenn sie aber einseitig geschlossen ist, λ/4.

Die Pfeifen haben einen völlig unterschiedlichen Klang, weil sich in einem Fall alle, im anderen nur ungeradzahlige Obertöne

ausbilden können. Die Höhe, die man von einem Klang wahrnimmt, kommt von der Grundfrequenz, die Klangfarbe hängt

von seinem Frequenzspektrum ab, also von Anzahl und Intensität der Obertöne.

37c: Die Röhre wird fast ganz ins Wasser getaucht, die angeschlagene Stimmgabel über das obere Ende gehalten. Dann wird

die Röhre so lange aus dem Wasser gezogen, bis die Luftsäule darin hörbar in Resonanz gerät. Wenn das der Fall ist, dann

stimmt die Frequenz der Stimmgabel mit der der Luftsäule beim Grundton überein. Die Länge der Röhre über dem Wasser

wird abgemessen. Die Anordnung entspricht einer gedeckten Pfeife (4. Bild in der Abb. zu Frage b, allerdings umgedreht). In

der Röhre hat daher eine viertel Welle Platz. Die Wellenlänge ist also viermal so lang wie der Teil der Röhre über dem Wasser.

Mit Hilfe der Frequenz und der ermittelten Wellenlänge lässt sich nun die Schallgeschwindigkeit abschätzen.

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Kapitel 16 Wellengrundlagen 2

Frage 38 passt zu den Poolthemen 7 Modelle und Konzepte, 18 Physik und Alltag, 21 Physik und Technik, 22 Schwingungen und Wellen und 27 Von der Naturphilosophie der Antike zur Naturwissenschaft der Neuzeit

a Ein Mensch und ein Delfin sind Rettungs-schwimmer. Welchen Weg müssen sie neh-men, damit sie so schnell wie möglich bei der Schwimmerin in Seenot sind und warum?

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

b Baue mit Hilfe des Prismas und der Lampe eine Versuchsanordnung auf, mit deren Hilfe du die Aufspaltung des weißen Lichts in seine Einzelfarben zeigen kannst. Welche qualitative Aussage kann man für die Lichtgeschwindigkeit der einzelnen Farben im Prisma treffen? Welcher Zusammenhang zu a besteht?

E3 Experimente planen, durchfüh-ren und protokollieren E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

c Kann ein Stück Glas wie in der Abbildung als Lupe wirken? Begründe deine Antwort mit Hilfe des Brechungsgesetzes !"α !"β

= #$

# und mit dem Prinzip von Fermat.

(Grafik: Janosch Slama)

W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

Kommentare

38a: Der Mensch ist am Sand schneller als im Wasser. Deshalb ist der schnellste Weg über C. Beim Delfin ist es umgekehrt,

und sein schnellster Weg führt über A. B wäre für beide zwar kürzer, aber trotzdem langsamer.

38b: Das Fermat-Prinzip lautet: Eine Welle läuft zwischen zwei

Punkten auf jenem Weg, für den sie am wenigsten Zeit benö-

tigt. Mit der Welle ist es daher genauso wie mit den Rettungs-

schwimmern in Frage a. Sie nimmt immer den schnellsten

Weg und muss daher die Richtung ändern, wenn sich ihre Ge-

schwindigkeit – also das Medium - ändert. Wie stark der Knick

ist und in welche Richtung er erfolgt, hängt ausschließlich von

den Geschwindigkeiten in den beiden Medien ab. Daraus kann man sofort schließen, dass das blaue Licht im Glas eine höhere

Geschwindigkeit als das rote haben muss, weil es beim Übergang einen stärkeren Knick aufweist.

38c: Damit das Licht der Kerze auf diese Art und Weise gesammelt werden kann, müsste der Brechungswinkel β immer null

sein, weil das Licht beim Übergang von Luft in Glas parallel zum Lot gebrochen wird. Kann das sein? Nein! Das Brechungsge-

setz lautet !"α

!"β= #$

#. Wenn sinβ null ist, muss auch v2 null sein. Das Licht würde praktisch im Glas stecken bleiben und könnte

nie ein Bild erzeugen. Die andere Erklärung dafür, warum es die Darstellung in der Abb. in der Realität nicht geben kann, ist

die, dass das Fermat‘sche Prinzip nicht erfüllt wäre. Denn alle Strahlen müssen zur selben Zeit ankommen. Nun haben aber al-

le Lichtstrahlen den gleichen Weg durch das Glas. Somit können die Randstrahlen keine Zeit gewinnen und kommen später

an. Die charakteristische Linsenkrümmung entsteht daher aus der Notwendigkeit, die „Glaslaufzeit“ der Randstrahlen zu ver-

ringern.

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Kapitel 16 Wellengrundlagen 2

Frage 39 passt zu den Poolthemen 6 Information und Kommunikation, 18 Physik und Alltag, 22 Schwingungen und Wellen und 28 Voraussagekraft von Theorien

a Wie klingt das Geräusch eines schnell vor-beifahrenden Autos? Wie kommt es zu Stan-de? Verwende für deiner Erklärung die Abbil-dung. Erkläre die Bilder C und D für Schall-wellen. Welche Effekte sind hier dargestellt und wo spielen diese eine Rolle?

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

b Welche in der Abbildung zu Frage a dargestellten Effekte können auch bei Licht im Vakuum vorkommen und welche nicht? Kann man die „Lichtmauer“ durchbrechen? Welcher große Unterschied besteht zwischen einer Lichtwelle und einer Schallwelle?

W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

c Du befindest dich mit deinem Raumschiff auf einem Planeten, als hinter dir die Raumbasis explodiert. Wie verändert sich die Wellenlänge von Schall und Licht, wenn du beschleunigst? Was bedeutet das für die Wahrnehmung des Geräusches bzw. des Lichts? Könntest du der Schall-welle entkommen? Könntest du der Lichtwelle entkommen? Stelle einen Zu-sammenhang zu Frage b her.

(Quelle: Big Bang 8, ÖBV)

E2 Fragen stellen und Vermutun-gen aufstellen

Kommentare

39a: Bewegt sich das Auto nach rechts, dann schieben sich in Fahrtrichtung die Wellenberge zusammen (höhere Frequenz)

und gegen die Fahrtrichtung auseinander (niedrigere Frequenz). Beim Annähern des Autos ist das Geräusch daher hoch, beim

Entfernen plötzlich tief. Zwei besondere Fälle treten nur bei mechanischen Wellen auf und wenn sich die Quelle bewegt: Be-

wegt sich die Quelle genau mit Wellengeschwindigkeit, dann können die Wellen nach rechts nicht mehr entkommen (C) und

bilden dort eine so genannte Stoßwelle (Schallmauer). Bewegt sich die Quelle noch schneller, dann entsteht ein Kegel, aus

dem die Wellen nicht nach außen dringen können (D; Mach’scher Kegel). Beide Fälle spielen vor allem bei Flugzeugen eine

Rolle.

39b: Die Bilder C und D aus Frage a können bei einer Lichtwelle im Vakuum nicht vorkommen. Der Unterschied besteht darin,

dass eine Schallwelle ein Medium braucht, eine Lichtwelle jedoch nicht, und dass sich die Lichtwelle immer mit c bewegt. Aus

diesem Grund kann man die „Lichtmauer“ auch nicht durchbrechen.

39c: In beiden Fällen sinkt die Frequenz ab. Das nimmt man als Verringerung der Tonhöhe wahr bzw. als Rotverschiebung.

Man kann einer Schallwelle entkommen, wenn man zumindest mit Schallgeschwindigkeit fliegt. Man kann aber einer Licht-

welle niemals entkommen, weil sich diese immer mit c bewegt, egal wie schnell das Raumschiff wird. Der Grund ist derselbe

wie bei Frage b: Schallwellen benötigen ein Medium, Lichtwellen jedoch nicht, und letztere bewegen sich immer mit c.

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Maturafragen für Big Bang 6 13

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Kapitel 17 Sprache und Gehör

Frage 40 passt zu den Poolthemen 6 Information und Kommunikation, 14 Physik, Biologie und Medizin, 18 Physik und Alltag, 21 Physik und Technik und 22 Schwingungen und Wellen

a Was passiert, wenn du zwischen zwei hängen-den Papierblättern durchbläst? Und was passiert mit dem Papierhütchen, wenn du durch den Trich-ter bläst? Wie kann man diesen Effekt erklären?

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

b Was haben beide Experimente mit der Funktion der Stimme zu tun? Demonst-riere die Arbeitsweise der Stimmbänder mit Hilfe eines Luftballons.

E3 Experimente planen, durchfüh-ren und protokollieren

c Erkläre die Entstehung des Klangs der Stimme mit Hilfe der Abbildung. Erkläre in diesem Zu-sammenhang die Begriffe Grund-ton, Obertöne und Formanten.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

d Erkläre mit Hilfe der Abbildung, wie man Vokale erzeugen kann. Welcher Unter-schied besteht zum Beispiel zwischen ei-nem „u“ und einem „i“?

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

e Was passiert bei Heiserkeit? Welchen Einfluss hat diese auf die Erzeugung ho-her Frequenzen? Die Aussprache welcher Vokale wird bei Heiserkeit als erstes beeinflusst? Stelle eine These auf!

S2 Bedeutung, Chancen und Risi-ken von naturwiss. Erkenntnissen erkennen, um verantwortungs-bewusst handeln zu können

Kommentare

40a: Strömende Luft erzeugt einen Unterdruck. Deshalb sagt man dazu auch aerodynamisches Paradoxon. Und dieses be-

wirkt, dass die Blätter zueinander gesaugt werden und das Hütchen in den Trichter gesaugt wird.

40b: Um die Stimmbänder zum Schwingen zu bringen, werden sie zunächst geschlossen. Dann erhöhen die Lungen den

Druck, um die Stimmbänder wieder aufzudrücken. Die durchströmende Luft erzeugt dann einen Unterdruck, die Stimmbän-

der werden wieder zueinander gesogen und so weiter. Das gleiche Prinzip liegt vor, wenn man aus einem aufgeblasenen

Luftballon die Luft entweichen lässt und dabei das Öffnungsstück verengt.

40c: Die Stimmbänder schwingen nicht sinusförmig und erzeugen daher neben der Grundfrequenz auch jede Menge Ober-

frequenzen bzw. Obertöne. Der Vokaltrakt verstärkt aber nur seine Resonanzfrequenzen. Diese nennt man Formanten.

40d: Unser Mundraum ist sehr flexibel und deshalb können wir die Formantenfrequenzen verändern. Dadurch ist man in der

Lage, verschiedene Vokale zu erzeugen. Bei einem „u“ werden die Frequenzen im Bereich um 300 Hz und 800 Hz verstärkt,

bei einem „i“ um 300 Hz und 2100 Hz. Der Unterschied liegt also nur im zweiten Formanten.

40e: Bei Heiserkeit treten bei der Tonerzeugung zusätzliche Geräusche auf. Bei leichter Heiserkeit sind diese in einem Bereich

um 3000 Hz und können daher vor allem das „i“ beeinflussen. Bei einer starken Heiserkeit können die Störfrequenzen aber

bis auf 500 Hz absinken und sogar die ersten Formanten von „a“ und „o“ beeinflussen.

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Kapitel 17 Sprache und Gehör

Frage 41 passt zu den Poolthemen 6 Information und Kommunikationund Alltag, 21 Physik und Technik und 2

a Beim Flüstern erzeugt man einen Schalldruckpegel von etwa 20 De-zibel. Welche Frequenzen kann man bei dieser Lautstärke nicht hören? Beim Schreien erzeugt man einen Schalldruckpegel von etwa 80 De-zibel. Um welchen Faktor ist die Schallintensität im Vergleich mit dem Flüstern gestiegen? Verwende für deine Erklärungen die Abbildung.

b Eine Erhöhung des Schalldruckpegels um 10dopplung der Lautstärke wahr. Was bedeutet das für die Erhöhung der Schallitensität? Wie viele Menschen müssen schreien, damit man einer Person doppelt so laut hört? Verwende die Abbildung oben.

c Die Luft hat durch ihre Wärmebewegung eine10-13 W/m2. Superman hat angeblich ein Supergehör und hört viel leisere Geräsche als wir Menschen. Begründe mit Hilfe der AbbildungSupergehör nicht viel besser sein kann als das der Menschen.

d Nimmst du die beiden Klänge in der Abbildung gleich wahr oder unterschied-lich? Die beteiligten Töne haben in bei-den Fällen dieselbe Frequenz. Stelle eine These auf und versuche die Antwort mit Situationen aus dem Alltag zu begründen.

Kommentare

41a: Alle Frequenzen unter rund 200 Hz und über rund 9000

schwelle und können daher nicht wahrgenommen werden.

beim Schreien (80 dB) bei 10-4 W/m2. Die Schallintensität hat daher

41b: Eine Verdopplung der Lautstärke entspricht +10

tor 10 (rechte y-Achse). Um die Schallintensität zu

man daher 10 Personen.

41c: Bei 4000 Hz liegt unsere Hörschwelle n

wäre sinnlos besser zu hören, weil wir dann die

könnten. Unser Gehirn würde das wahrscheinlich wegfiltern, aber leisere Geräusche

untergehen. Nur bei tiefen und hohen Frequenzen könnte Superman besser hören als wir.

41d: Die Ohren sind Fourier-Analysatoren! Sie zerlegen Geräusche und Klänge in ihre einzelnen Bestandteile. Die Phasenlage

der Wellen, also wie die Wellenberge und –täler zueinander liegen, ist dabei aber egal

den Klang einer Band aus verschiedenen Richtungen unterschiedlich

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Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauchabgegolten. Für Veränderungen durch Dritte übernimmt der Verlag keine

Information und Kommunikation, 14 Physik, Biologie und Medizin, und 22 Schwingungen und Wellen

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2W3tern und kommunizieren

Eine Erhöhung des Schalldruckpegels um 10 dB nimmt man generell als Ver-Was bedeutet das für die Erhöhung der Schallin-

müssen schreien, damit man sie im Vergleich mit ? Verwende die Abbildung oben.

W2W3tern und kommunizieren

Die Luft hat durch ihre Wärmebewegung eine Schallintensität von etwa . Superman hat angeblich ein Supergehör und hört viel leisere Geräu-

sche als wir Menschen. Begründe mit Hilfe der Abbildung oben, warum sein nicht viel besser sein kann als das der Menschen.

S4 men

d-

Stelle eine Antwort mit

den.

E2 gen aufstellen

Hz und über rund 9000 Hz liegen beim Flüstern nach der Abbildung unter der Hö

schwelle und können daher nicht wahrgenommen werden. Beim Flüstern (20 dB) liegt die Schallintensität bei 10

. Die Schallintensität hat daher um den Faktor 106 zugenommen.

stärke entspricht +10 dB (linke y-Achse) oder einer Erhöhung der Schallintensität um den Fa

Achse). Um die Schallintensität zu verzehnfachen und damit die gefühlte Lautstärke zu verdoppeln, braucht

Hörschwelle nur mehr ganz knapp über der Schallintensität durch die thermische Bewegung

sinnlos besser zu hören, weil wir dann die Brown’sche Bewegung des eigenen Trommelfells als

würde das wahrscheinlich wegfiltern, aber leisere Geräusche würden trotzde

Nur bei tiefen und hohen Frequenzen könnte Superman besser hören als wir.

Analysatoren! Sie zerlegen Geräusche und Klänge in ihre einzelnen Bestandteile. Die Phasenlage

täler zueinander liegen, ist dabei aber egal, denn sonst würde

Klang einer Band aus verschiedenen Richtungen unterschiedlich wahrnehmen.

Maturafragen für Big Bang 6 14

Bang 6 | ISBN: 978-3-209-04868-4 Unterrichtsgebrauch gestattet.

Verantwortung.

, 14 Physik, Biologie und Medizin, 18 Physik

W2 Informationen entnehmen W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

W2 Informationen entnehmen W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

korrekt und folgerichtig argu-mentieren

Fragen stellen und Vermutun-gen aufstellen

nach der Abbildung unter der Hör-

dB) liegt die Schallintensität bei 10-10 W/m2,

zugenommen.

der Schallintensität um den Fak-

erzehnfachen und damit die gefühlte Lautstärke zu verdoppeln, braucht

tensität durch die thermische Bewegung. Es

Brown’sche Bewegung des eigenen Trommelfells als Rauschen wahrnehmen

würden trotzdem in diesem Rauschen

Analysatoren! Sie zerlegen Geräusche und Klänge in ihre einzelnen Bestandteile. Die Phasenlage

denn sonst würde man zum Beispiel

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Maturafragen für Big Bang 6 15

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Kapitel 18 Grundlagen zur Thermodynamik

Frage 42 passt zu den Poolthemen 16 Physik des 18. und 19. Jahrhunderts, 18 Physik und Alltag und 21 Physik und Technik

a Energie bleibt immer erhalten, sie wan-delt sich nur um! Wohin „verschwindet“ aber die Bewegungsenergie, wenn du einen Tonklumpen auf den Boden fallen lässt? (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

b Warum weist der Mensch keine Brown’sche Bewegung auf? Müsste er nicht durch die Stöße mit den Luftmolekülen hin- und herzittern? Beantworte die Frage mit Hilfe der Gleichung � = �3&� �⁄ , die einen Zusammenhang zwischen der absoluten Temperatur und der durchschnittlichen thermischen Geschwin-digkeit darstellt. Arbeite bei deiner Argumentation mit Hilfe von Proportionen. Nimm an, dass die Masse eines Menschen um den Faktor 1028 größer ist, als die eines Luftteilchens, und dass die Gasmoleküle eine Geschwindigkeit in der Grö-ße von 103 m/s besitzen.

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

c Du willst eine neue Temperatur-Skala erfinden. Was brauchst du dazu, damit ein Freund an einem anderen Punkt der Erde ebenfalls diese Skala verwenden kann? Welche Probleme könnten dabei auftreten? Wie wurden diese Probleme bei der Celsius- und Kelvin-Skala gelöst?

E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

d Welche Temperatur misst ein Thermometer? Woran merkt man das im Alltag? Versuche deine Antwort zu begründen!

E2 Fragen stellen und Vermutun-gen aufstellen

Kommentare

42a: Die Teilchen im Tonklumpen führen eine ungeordnete Bewegung aus. Zusätzlich bewegen sich alle Teilchen während

des Fallens gleichzeitig in eine Richtung, führen also eine geordnete Bewegung aus. Nach dem Aufprall ist diese geordnete

Bewegung vollkommen verschwunden, dafür hat sich die ungeordnete Bewegung der Teilchen im Tonklumpen drinnen ver-

stärkt: Sie schwingen schneller und stärker als vorher. Die geordnete Bewegungsenergie des gesamten Klumpens hat sich also

in ungeordnete Bewegungsenergie der einzelnen Teilchen umgewandelt, er hat sich erwärmt.

42b: Es gilt �~1/√�. Wenn der Massenunterschied 28 Größenordnungen beträgt, dann beträgt der Geschwindigkeits-unterschied 14 Größenordnungen. Während Gasmoleküle Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 103 m/s besit-zen, hat der Mensch bloß 10-11 m/s. Er besitzt also tatsächlich eine thermische Geschwindigkeit, aber diese ist einfach nicht zu merken.

42c: Um eine Temperaturskala zu entwickeln, braucht man zumindest zwei Fixpunkte, also zwei Temperaturen, die man je-

derzeit an jedem Ort reproduzieren können muss. Dann muss man festlegen, wie viele Grad bei der neuen Skala zwischen

diesen Fixpunkten liegen. Der erste Punkt ist nicht leicht zu erfüllen! Die Fixpunkte von Celsius beziehen sich auf reines Was-

ser. Das kann man sehr leicht überall herstellen. Der Nachteil ist allerdings, dass Schmelz- und Siedepunkt von Wasser mit

dem Luftdruck schwanken. Bei der Kelvin-Skala wurden der absolute Nullpunkt und der sogenannte Tripelpunkt des Wassers,

der sehr exakt zu reproduzieren ist, als Fixpunkte angenommen.

42d: Ein Thermometer misst immer seine eigene Temperatur. Deshalb dauert es bei einem Fieberthermometer (egal ob Digi-

tal- oder Flüssigkeitsthermometer) auch immer eine gewisse ein Zeit, bis sich das thermisches Gleichgewicht zwischen dem

Thermometer und der Umgebung eingestellt hat.

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Kapitel 18 Grundlagen zur Thermodynamik

Frage 43 passt zu den Poolthemen 6 Information und Kommunikation, 18 Physik und Alltag, 28 Voraussagekraft von Theorien und 30 Zufall in der Physik

a Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich alle Teilchen eines Gases zufällig in einer Hälfte einer Box befinden? Gehe von einem Gas mit nur einem, zwei und drei Teilchen aus, und leite daraus ein allgemeines Gesetz ab. Wie groß ist die Wahr-scheinlichkeit, dass sich eine Gas mit 23 Teilchen in nur einer Hälfte befindet? Ver-gleich dieses Ergebnis mit der Wahrscheinlichkeit für einen Lotto-Sechser. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Mol eines Gases (≈1024 Teilchen) in einer Hälfte befindet? Rechne alle Zahlen auf die Basis 10 um. Es gilt 2x = 10log2∙x.

W3 Vorgänge darstellen, er-läutern und kommunizieren W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

b Übertrage deine Überlegungen aus a auf zwei Gegenstände mit unterschiedlicher Tem-peratur, die man in Kontakt bringt, und erkläre damit den 2. Hauptsatz der Wärmelehre, den man auch so formulieren kann: Wärme kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Tempera-tur übergehen.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

E4 Ergebnisse analysieren, interpretieren und durch Modelle abbilden

c Was spricht dagegen, dass man ei-ne Szene wie in der Abbildung in der Realität sehen kann? Erkläre in die-sem Zusammenhang den Begriff „Zeitpfeil“.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W3 Vorgänge darstellen, er-läutern und kommunizieren

Kommentare

43a: Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen gerade in der linken Hälfte ist, beträgt 50 %, also 1/2. Bei zwei Gasteilchen gibt

es 4 Möglichkeiten der Aufteilung, und die Wahrscheinlichkeit sinkt auf 25 % oder 1/4 ab. Bei drei Gasteilchen gibt es 8

Möglichkeiten, und die Wahrscheinlichkeit liegt bei nur mehr 12,5 % oder 1/8. Allgemein kann man sagen: Die Wahrschein-

lichkeit, dass sich N bestimmte Teilchen in einer Hälfte befinden, liegt bei ½ N. Bei 23 Teilchen ist die Wahrscheinlichkeit, sie

in einer Hälfte anzutreffen, so gering wie ein 6er im Lotto, nämlich etwa 1 zu 8 Millionen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein

ganzes Mol eines Gases zufällig in einer Hälfte ist, beträgt 1:21024, also rund 103∙1023.

43b: Im wärmeren Objekt befindet sich mehr ungeordnete Bewegungsenergie als im kälteren. Nach dem Kontakt verteilt sich

die ungeordnete Bewegungsenergie gleichmäßig. Beide Objekte bekommen dieselbe Temperatur. Warum? Weil dieser Zu-

stand am wahrscheinlichsten ist. In diesem Zustand ist die ungeordnete Bewegungsenergie am ungeordnetsten und die En-

tropie somit am größten.

43c: Zur Zeit des Urknalls hatte das Universum den Zustand der höchsten Ordnung. Die Zeit zeigt nun aber von Richtung Ord-

nung in Richtung Unordnung. Die Szene in der Abbildung könnte zwar rein theoretisch so ablaufen, aber das ist extrem un-

wahrscheinlich. Je mehr Teilchen beteiligt sind, desto unwahrscheinlicher werden solche „Zeitrückläufe“. Im Kleinen können

noch manche Schwankungen auftreten. Das sichtbare Universum hat aber etwa 1080 Teilchen!!! Deshalb hat die Zeit im Uni-

versum nur eine Richtung!

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Kapitel 19 Formen der Wärmeübertragung

Frage 44 passt zu den Poolthemen 3 Energie und nachhaltige Energieversorgung, 16 Physik des 18. und 19 Jahr-hunderts, 18 Physik und Alltag und 21 Physik und Technik

a Beantworte folgende Fragen mit Hilfe der Tabelle: Holz und Metall fühlt sich bei gleicher Temperatur unterschiedlich warm an. Warum? Luft mit 20 °C emp-finden wir angenehm, Wasser mit 20 °C unangenehm. Warum? Warum sollten elektrische Kochplatten, aber auch die Töpfe darauf, vollkom-men eben sein? Begründe das auch quantitativ.

W2 Informationen entnehmen W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren S2 Bedeutung, Chancen und Risi-ken von naturwiss. Erkenntnissen erkennen, um verantwortungs-bewusst handeln zu können

b Du verlässt an einem kalten Tag deine Wohnung. Wie sparst du am besten Energie? a) Die Heizung laufen lassen, b) herunterregeln, c) abschalten. Oder ist es d) egal? Begründe mit Hilfe der Abbil-dung. (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

c Geschäumtes Polystyrol (Styropor) ist ein extrem guter Isolator (siehe Tab. oben). Nicht geschäumtes Polystyrol, das etwa für Joghurtbecher verwendet wird, hat eine Wärmeleitfähigkeit um 0,1 Wm-1K-1. Warum isoliert geschäumtes Polystyrol so viel bes-ser? Stelle mit Hilfe der Abbildung eine These auf und überprüfe sie mit der Tabelle. Wo wird dieser Trick in der Wärmedämmung noch verwendet?

(Foto: Jan Homann, Quelle: Wikipedia)

E2 Fragen stellen und Vermutun-gen aufstellen

Kommentare

44a: Die Wärmeleitfähigkeit von Eisen ist rund 600-mal so gut wie die von Holz! Deshalb fühlen sich Metalle bei Zimmertem-

peratur immer kalt an. Wasser leitet 25-mal so gut wie Luft. Außerdem hat es eine viel größere Dichte und Wärmekapazität.

Eisen leitet die Wärme über 3000-mal so gut wie Luft. Deshalb kostet es unglaublich viel zusätzlichen Strom, wenn alte Koch-

töpfe nicht eben auf der E-Herdplatte aufliegen.

44b: Man kann eine Wohnung mit einem Kübel Wasser mit Löchern vergleichen, in dem man einen konstanten Wasserspiegel

halten möchte. Je höher der Wasserspiegel, desto schneller ist der Wasserabfluss und desto schneller muss auch der Wasser-

nachschub sein. Auf die Wärme umgelegt: Je größer der Temperaturunterschied zwischen innen und außen, desto größer ist

der Wärmeverlust und desto höher muss die Wärmeproduktion durch Heizen sein. Deshalb ist die richtig Antwort c.

44c: Im Wesentlichen isolieren im Styropor die eingeschlossenen Luftbläschen. Diese sind so klein, dass die Konvektion ver-

hindert wird. Daher liegt die Wärmeleitfähigkeit von Styropor in der Größenordnung von Luft (siehe Tab.). Sie ist ein bisschen

höher, weil das Polystyrol selbst eine Wärmeleitfähigkeit hat, die etwa um den Faktor 3 größer ist als die von ruhender Luft.

Der Trick mit dem Einschließen von Luftbläschen zur besseren Isolation wird zum Beispiel auch bei der Kleidung verwendet,

bei Hohlziegeln oder bei anderem Isolationsmaterial.

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Kapitel 19 Formen der Wärmeübertragung

Frage 45 passt zu den Poolthemen 14 Physik, Biologie und Medizin, 16 Physik des 18. und 19 Jahrhunderts, 18 Physik und Alltag und 23 Strahlung

a Sterne haben verschiedene Far-ben! Worin besteht der Unter-schied zwischen einem roten und einem blauen Stern? Verwende für deiner Erklärung die Abbildung.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

b Oft werden die Begriffe Wärmestrahlung und Infrarot synonym verwendet. Erkläre mit Hilfe der Abbildung oben, warum das nur für niedrige Temperatu-ren, etwa bei Zimmertemperatur, gilt.

W2 Informationen entnehmen W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

c Auf http://de.answers.yahoo.com schreibt „Wonko der Verständige“ Folgen-des: „Der Weltraum hat gar keine Temperatur, da der Temperaturbegriff hier versagt.“ Nimm zu diesem Zitat Stellung.

S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

d Man sagt, dass man durch Alkohol den Körper aufwärmen kann. Stimmt das? Er-kläre in diesem Zusammenhang, über wel-che Mechanismen der Körper Wärme ab-gibt und verwende für deine Erklärung die Abbildung.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

Kommentare

45a: Wärmestrahlen gehören zu den elektromagnetischen Wellen. Sie umfassen ein breites Spektrum von Wellenlängen und

besitzen ein temperaturabhängiges Strahlungsmaximum. Je heißer das Objekt ist, desto kurzwelliger ist das Strahlungsmaxi-

mum. Bei sehr heißen Objekten liegt das Maximum im oder in der Nähe des sichtbaren Bereichs. Wir können dann praktisch

die Temperatur „sehen“. Kühle Sterne mit einer Oberflächentemperatur von 3000 K sehen wir rot, sehr heiße Sterne mit

10.000 K oder mehr blau.

45b: Bei Zimmertemperatur liegt das Maximum der Wärmestrahlung weit im infraroten Bereich. Deshalb sagt man zu infra-

rotem Licht oft Wärmestrahlung. Diese Verallgemeinerung gilt aber nur bei niedrigen Temperaturen.

45c: Man unterscheidet zwischen Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung. Im Weltall, das praktisch einem Vakuum

entspricht, kommt nur der letzte Mechanismus zu tragen. Das Weltall hat eine Wärmestrahlung, die einem Objekt mit nur 3 K

entspricht. Diese Strahlung entspricht der Hintergrundstrahlung des Weltalls.

45d: An der Hautoberfläche wird die Wärme durch vier Mechanismen abgegeben: Wärmeleitung durch die Umgebungsluft,

Konvektion, Wärmestrahlung und Verdunstung von Schweiß. Wie groß der jeweilige Anteil ist, hängt aber von sehr vielen

Faktoren ab. Die Haut kann ihre Temperatur verändern. Sinkt die Kerntemperatur unter den Sollwert, ziehen sich die Blutge-

fäße zusammen und die Haut kühlt ab. Dadurch kann der Wärmeverlust gedrosselt werden. Alkohol erhöht die Hautdurchblu-

tung. Man hat dann zwar das subjektive Gefühl der Erwärmung, die Kerntemperatur sinkt aber vor allem bei tiefen Lufttem-

peraturen weiter ab.

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Kapitel 20 Ausdehnung, Diffusion und Phasenübergänge

Frage 46 passt zu den Poolthemen 13 Physik als forschende Tätigkeit, 16 Physik des 18. und 19 Jahrhunderts, 18 Physik und Alltag und 21 Physik und Technik

a Erkläre mit Hilfe der Abbildung, warum die Volumenausdehnung ei-nes Festkörpers in Prozent immer rund 3-mal so groß ist wie die Län-genausdehnung (siehe Tabelle un-ten).

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

b Füllt man heißes Wasser in ein normales Glas, dann bekommt es ei-nen Sprung. Warum? Springen dicke oder dünne Gläser leichter? Und wa-rum zerspringt Quarzglas nicht? Verwende für deine Erklärung Tabel-le und Abbildung.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

E2 Fragen stellen und Vermutun-gen aufstellen S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

c Meistens wird die Masse von 1 Li-ter Wasser mit 1 kg gleichgesetzt. Wie groß ist der Fehler, den man da-durch bei Zimmertemperatur und Siedetemperatur macht? Warum ist es nicht exakt, von „einem Liter Mi-neralwasser“ zu sprechen? Verwen-de für deine Erklärung die Abbil-dung. (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

Kommentare

46a: Angenommen, die Seiten eines Würfels dehnen sich durch Erwärmen um 10 % aus. Das Volumen erhöht sich dann um

den farbig markierten Teil. Wenn man diese drei Flächen an eine Seite des ursprünglichen Würfels stellt, siehst man, dass die

Volumenausdehnung ziemlich exakt 30 %, also das 3fache der Längenausdehnung beträgt. Nur ein kleiner Rest steht über.

46b: Wenn man heißes Wasser in ein normales Glas gießt, dann kommt es zu einem enormen Temperaturgefälle in der Glas-

wand. Das Glas dehnt sich unterschiedlich stark aus und springt. Dünne Gläser springen dabei weniger leicht, weil sich die

Wärme schneller gleichmäßig verteilt und so die mechanischen Spannungen verschwinden. Für hohe Temperaturen verwen-

det man Quarzglas, weil es sich etwa um den Faktor 20 weniger stark ausdehnt als normales Glas.

46c: Ein Liter Wasser hat nur bei 4 °C genau eine Masse von 1 kg. Aus der Abb. kann man abschätzen, dass bei Zimmertem-

peratur (20 °C) 1 kg Wasser ein Volumen von etwa 1005 cm3 besitzt. Das bedeutet umgekehrt, dass ein Liter Wasser in die-

sem Fall eine um etwa 0,5 % geringere Masse hat. Bei Siedetemperatur liegt der Fehler zwischen 4 und 5 % (Volumen zwi-

schen 1040 und 1050 cm3/Liter). Von einem Liter Mineralwasser zu sprechen ist deshalb nicht exakt, weil man dazu die ge-

naue Temperatur angeben müsste. Bei hohen Temperaturen befindet sich in der Flasche nämlich mehr als 1 Liter Wasser.

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Kapitel 20 Ausdehnung, Diffusion und Phasenübergänge

Frage 47 passt zu den Poolthemen 3 Energie und nachhaltige Energieversorgung, 13 Physik als forschende Tätig-keit, 16 Physik des 18. und 19 Jahrhunderts, 18 Physik und Alltag, 21 Physik und Technik und 24 Teilchen

a Auf http://de.answers.yahoo.com fragt Mandy B., wie sie am besten Nudeln kocht. Chiara gibt ihr die Antwort: „Auf Stufe 6, kannst ruhig voll aufdrehen.“ Begründe, warum Chiara in diesem Fall nicht ökologisch handelt!

S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen S2 Bedeutung, Chancen und Risi-ken von naturwiss. Erkenntnissen erkennen, um verantwortungs-bewusst handeln zu können

b In den 1960er-Jahren wurde von der NASA eine Technologie für die Anzüge der Astronauten entwi-ckelt, bei der man Schmelz- und Erstarrungswärme nutzt. Man spricht von Latentspeichermaterialien. Er-kläre diese Technologie und stelle einen Zusammen-hang zu Frage a her. (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

c Erkläre die Funktionsweise eines Druckkoch-topfs mit Hilfe des Phasendiagramms von Was-ser. Begründe, warum es Schwierigkeiten berei-tet, auf hohen Bergen warme Mahlzeiten zuzu-bereiten. Begründe, warum die Aussage „Wasser kocht bei 100 °C“ nicht exakt ist. Begründe wei-ters, warum Eis unter hohem Druck schmilzt.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

Kommentare

47a: Wenn man Wasser erwärmt, dann steigt die Temperatur so lange, bis es zu kochen anfängt. Wenn man weiter Energie

zuführt, bleibt die Temperatur so lange konstant, bis das gesamte Wasser verdampft ist. Um Wasser von einer Phase in eine

andere zu bringen, muss Arbeit gegen die Bindungskräfte verrichtet werden. Die zugeführte Wärmeenergie führt daher nicht

zu einer Erhöhung der Temperatur, sondern zum Auflösen der Verbindungen zwischen den Wassermolekülen. Weil es sich

dabei um eine Erwärmung ohne Temperaturerhöhung handelt, spricht man von der verborgenen bzw. latenten Wärme. Des-

halb sollte man bei Erreichen der Siedetemperatur so weit zurückdrehen, dass man das Wasser gerade noch am Kochen hält.

47b: Im Stoff sind Millionen mikroskopisch kleiner Kapseln, die mit Paraffinwachs gefüllt sind. Hat der Körper überschüssige

Wärme, geht diese auf das Wachs über und es schmilzt. Es speichert dabei Wärme, ohne dass es sich erwärmt (latente Wär-

me, siehe a). Wenn es kälter wird, dann erstarrt das Material und gibt die Erstarrungswärme wieder an den menschlichen

Körper ab.

47c: Bei einem Druckkochtopf kann man den Deckel luftdicht verschließen, damit der Wasserdampf nicht entweicht. Dadurch

erhöht sich beim Sieden der Druck auf etwa den doppelten Normalwert und die Siedetemperatur auf 120 °C. Am Mont Blanc

kocht das Wasser bei 84 °C und am Mount Everest sogar schon bei 70 °C. Deshalb ist es auf hohen Bergen sehr schwer, be-

stimmte Speisen durchzukochen, etwa Kartoffeln. Generell hängt die Siedetemperatur von Wasser vom Druck ab und liegt

nur bei Normaldruck bei 100 °C. Eis schmilzt unter Druck, weil die Kurve zwischen Eis und Wasser nach links oben verläuft.

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Kapitel 21 Die Gasgesetze

Frage 48 passt zu den Poolthemen 7 Modell und Konzepteund 19. Jahrhunderts, 24 Teilchen und 30

a Ein Gasthermometer besteht aus einem Gefäß mit einem dünnen Glasrohr, in das ein bestimmtes Gasvolumen eingeschlossen ist, etwa durch einen Quecksilber-tropfen (siehe Abb.). Das Gasthermome-ter wird in ein Glasgefäß mit Wasser ge-stellt, so dass das Gas dessen Temperatur annimmt. Die Höhe des Tropfens ist ein Maß für die Temperatur. In der Tabelle

siehst du Messwerte bei verschiedenen Temperaturen. Trage diese Werte in ein Diagramm ein und beschrifte die AchsenWelche Zustandsänderung kann man damit messedu durch diese Punkte legst, die x-Achse schneiden? schließen? Kann man das Gas so weit abkühlen, dass es das Volumen 0 bkommt?

b Welche Zustandsänderung ist in der Abbildung dargestellt? Erkläre mit ihrer Hilfe, warum ein Taucher unbedingt ausatmen muss, wenn er wider an die Oberfläche zurück will. Wieso kommt es zu den „belegten Ohren“, wenn man fliegt, mit der Seilbahn fährt oder unter Wasser taucht? Warum ist dieses Gefühl bei einer Erkältung bsonders stark?

(Quelle: Big Bang 6

Kommentare

48a: Bei gleichem Druck (isobare Zustandsänderung)

eines idealen Gases ist proportional zu seiner absoluten Temperatur. Das nennt

man Gesetz von Charles oder Gesetz von Gay

Achse daher beim absoluten Nullpunkt schneiden. Kann man das Gas tatsäc

lich so weit abkühlen, dass es das Volumen 0 bekommt? Nein! Es wird vorher

flüssig oder fest und wenn nicht, dann werden die Moleküle einander beeinflu

sen. Der wichtige Gedanke ist jedoch, dass sich bei Zimmertemperatur alle Gase

so verhalten, als wenn ihr Volumen bei 0 K verschwinden würde.

48b: Bei gleicher Temperatur (isotherme Zustandsänderung)

ses ist indirekt proportional zum Volumen. Das nennt man das Gesetz von

genvolumen auf 4 l bringt, liefert die Flasche dazu viermal so viel Luft

auszuzatmen auftaucht, würde sich die Lunge theoretisch

lich würde man schon nach wenigen Metern einen Lunge

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Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauchabgegolten. Für Veränderungen durch Dritte übernimmt der Verlag keine

Modell und Konzepte, 14 Physik, Biologie und Medizin, 1630 Zufall in der Physik

Ein Gasthermometer besteht aus einem Gefäß mit einem dünnen Glasrohr, in das ein bestimmtes Gasvolumen eingeschlos-

--

essen Temperatur annimmt. Die Höhe des Tropfens ist ein

Temperaturen. Trage diese Werte in ein und beschrifte die Achsen.

Welche Zustandsänderung kann man damit messen? Wo wird die Gerade, die Achse schneiden? Was kann man daraus

Kann man das Gas so weit abkühlen, dass es das Volumen 0 be-

E1 beschreibenE4 pretieren und durch Modelle abilden

ist in der Abbildung warum ein

Taucher unbedingt ausatmen muss, wenn er wie-Wieso kommt

wenn man fliegt, oder unter Wasser taucht?

Gefühl bei einer Erkältung be-

Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2W4beschreibenS1 bewerten und Schlüsse ziehen

(isobare Zustandsänderung) gilt V ~ T. Das Volumen

eines idealen Gases ist proportional zu seiner absoluten Temperatur. Das nennt

Gesetz von Gay-Lussac. Die Gerade wird die x-

Achse daher beim absoluten Nullpunkt schneiden. Kann man das Gas tatsäch-

lich so weit abkühlen, dass es das Volumen 0 bekommt? Nein! Es wird vorher

flüssig oder fest und wenn nicht, dann werden die Moleküle einander beeinflus-

ige Gedanke ist jedoch, dass sich bei Zimmertemperatur alle Gase

K verschwinden würde.

(isotherme Zustandsänderung) ist p ~ 1/V und somit p ∙V konstant.

zum Volumen. Das nennt man das Gesetz von Boyle-Mariotte. Wenn

bringt, liefert die Flasche dazu viermal so viel Luft wie an der Oberfläche. Wenn

ich die Lunge theoretisch auf 16 l ausdehnen. Das ist natürlich völlig unmöglich.

Metern einen Lungenriss erleiden.

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Verantwortung.

, 14 Physik, Biologie und Medizin, 16 Physik des 18.

Messungen durchführen und beschreiben

Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

W2 Informationen entnehmen W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

konstant. Der Druck eines idealen Ga-

Wenn man in 30 m Tiefe das Lun-

wie an der Oberfläche. Wenn man dann ohne

auf 16 l ausdehnen. Das ist natürlich völlig unmöglich. Wahrschein-

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Maturafragen für Big Bang 6 22

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Kapitel 21 Die Gasgesetze

Frage 49 passt zu den Poolthemen 7 Modelle und Konzepte, 16 Physik des 18. und 19. Jahrhunderts, 24 Teilchen, 29 Wetter, Klima, Klimawandel und 30 Zufall in der Physik

a Erkläre die Zusammenhänge zwischen den Gasgesetzen unter speziellen Bedingungen und dem allgemeinen Gasgesetz mit Hilfe der Abbildung. Begründe in diesem Zusam-menhang die allgemeine Gasgleichung: )*+

= ,-.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

b Was versteht man unter einer adiabatischen Zustandsänderung? Begründe, was beim schnellen Zusammendrücken von Luft passiert und wie daher eine Adiabate im Vergleich zu einer Isothermen verlaufen muss. Versuche auf Grund deiner Überlegungen, eine Adiabate in der Abbildung oben in die dreidimensio-nale Fläche und in das Isothermendiagramm einzuzeichnen.

W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

c Erkläre mit Hilfe der Antwort auf Frage b, warum es mit zunehmender Höhe kälter wird.

W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

d Erkläre mit Hilfe der Abbil-dung das Zustandekommen des Föhns. Warum genügt für die Erklärung nicht alleine das adi-abatische Verhalten von Gasen?

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

Kommentare

49a: Das allgemeinen Gasgesetz besagt Folgendes: Man kann Druck, Temperatur und Volumen eines Gases nicht beliebig

wählen. Sein Zustand liegt fest, wenn zwei der Werte festliegen. Die Werte liegen daher auf einer dreidimensionalen Oberflä-

che.Die Gasgesetze für spezielle Bedingungen sind die zweidimensionalen Projektionen davon. Um vom allgemeinen Gasge-

setz auf eine allgemeine Gasgleichung zu kommen, muss man bei Kenntnis von zwei Größen die dritte auf experimentellem

Weg bestimmen. Man erhält dann eine Konstante (R ), die für alle Gase gültig ist.

49b: Eine Kompression, bei der kein Wärmeaustausch erfolgt, nennt man adiabatisch, und der

dabei entstehende Druck ist höher als erwartet. Erst wenn die entstandene Wärme abgeflossen

ist, dann sinkt der Druck auf den erwarteten Wert ab. Es gilt auch die Umkehrung: Wenn man

das Volumen rasch vergrößert, dann sinkt dabei die Temperatur. Das ist eine adiabatische Expan-

sion. Daher verläuft eine Adiabate steiler als eine Isotherme (siehe Abbildung rechts).

49c: Der Luftdruck sinkt mit der Höhe und deshalb expandiert die Luft, wenn sie aufsteigt. Weil

Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, expandiert sie adiabatisch und kühlt sich dabei um 1 °C pro 100 Höhenmeter ab.

49d: Durch die Expansion wird das Gas zunächst kälter, durch die Kompression (Depression) wieder wärmer. Beide Effekte

sind aber gleich groß. Die Erwärmung kann man nur durch die Kondensationswärme erklären, die bei der Bildung von Wolken

auf der Südseite der Alpen frei wird. Föhn auf der Nordseite ist also immer mit Wolkenbildung auf der Südseite verbunden.

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Kapitel 22 Kältetechnik und Wärmekraftmaschinen

Frage 50 passt zu den Poolthemen 3 Energie und nachhaltige Energieversorgung, 13 Physik als forschende Tätig-keit, 16 Physik des 18. und 19. Jahrhunderts, 18 Physik und Alltag und 21 Physik und Technik

a Auf www.cosmic.de schreibt Michael-CH: „Hallo, habe da mal wieder so eine verrückte Idee, den Minikühlschrank offen lassen, um das Zimmer zu kühlen.“ Kann das tatsächlich funk-tionieren? Verwende für deine Erklärungen ei-nerseits den Energiesatz und andererseits den 2. Hauptsatz der Wärmelehre und gehe dabei auch auf die Abbildung ein. (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

b Welche prinzipielle Möglichkeit gibt es, einen Eiskasten als Klimaanlage zu betreiben? Verwende für deine Antwort die Überlegungen aus Frage a.

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

c Wie funktioniert eine Wärmepumpe allgemein? Warum ist eine Wärmepumpe ökologischer als eine normale Zentralheizung? Verwende für deine Erklärung die beiden Abbildungen. (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen S2 Bedeutung, Chancen und Risi-ken von naturwiss. Erkenntnissen erkennen, um verantwortungs-bewusst handeln zu können

d Warum ist eine Zentralheizung keine Wärmepumpe? W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

Kommentare

50a: Ein Absinken der Temperatur würde ein Absinken der Entropie im Zimmer bedeuten. Der 2. Hauptsatz der Wärmelehre

verbietet das aber. Es ist also nicht möglich, das Zimmer mit dem Eiskasten zu kühlen. Der Energiesatz besagt, dass die Anzahl

der Joule immer gleich bleibt. Nun fließen aber mit der Energie des Stroms Joule in dein Zimmer. Das Zimmer wird sich also

sogar erwärmen! Ein Eiskasten produziert auf der Rückseite mehr Wärme, als er im Inneren entzieht.

50b: Man kann den Eiskasten mit der Rückseite nach außen ins Fenster stellen und rundherum gut abdichten. Drinnen wird es

kälter, draußen wird es wärmer. Das Zimmer ist nun kein abgeschlossenes System mehr.

50c: Von selbst fließt Wärme immer nur zu Orten niedrigerer Temperatur. Ein Eiskasten oder eine Klimaanlage sind aber in der

Lage, Wärme von einem kälteren Ort (von innen) zu einem wärmeren (außen) zu transportieren, also gegen die natürliche

Flussrichtung. Das nennt man allgemein eine Wärmepumpe. Diese werden auch zum Heizen eingesetzt. Dabei wird dem

Grundwasser Wärme entzogen. Weil die Heizwassertemperatur nur bei etwa 45 ° liegt, spricht man von Niedrigtemperatur-

wärme. Sinnvoll ist das nur in Kombination mit einer Fußbodenheizung, weil eine normale Zentralheizung etwa 80 °C Wasser-

temperatur benötigt. Der Vorteil der Wärmepumpe: Man wendet zum Betreiben eine gewisse Arbeit auf und bekommt die

gepumpte Wärme gewissermaßen gratis dazu! Deshalb ist sie effizienter als eine normale Zentralheizung.

50d: Eine Zentralheizung heizt die Wohnung und macht sonst nichts. Eine Wärmepumpe heizt die Wohnung, kühlt aber

gleichzeitig etwas anderes ab. Das ist ein völlig anderes Prinzip.

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Kapitel 22 Kältetechnik und Wärmekraftmaschinen

Frage 51 passt zu den Poolthemen 3 Energie und nachhaltige Energieversorgung, 13 Physik als forschende Tätig-keit, 16 Physik des 18. und 19. Jahrhunderts, 18 Physik und Alltag und 21 Physik und Technik

a In den Abbildungen siehst du den schematischen Vergleich zwi-schen Wärmepumpe und Wärme-kraftmaschine. Ordne die Bilder richtig zu und erläutere sie. Be-schreibe die Wirkungsweise von Wärmepumpe und Wärmekraft-maschine allgemein mit möglichst einfachen Worten.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

b Beim Komprimieren des Gases in einem Otto-Motor muss man Arbeit aufwenden, beim Arbeitstakt be-kommt man aber mehr zurück. Die Differenz beider Flächen entspricht der Arbeit, die das Gas am Kolben verrichtet hat (siehe Abb.). Zeige rechnerisch, dass diese Fläche tatsächlich einer Arbeit entspricht.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

c Der Wirkungsgrad des gesam-ten menschlichen Organismus liegt bei einer Belastung in der Größenordnung eines Automo-tors. Ist die „Maschine Mensch“ daher ein Wärmemotor? Begrün-de zunächst allgemein und dann mit Hilfe des theoretisch maxima-len Wirkungsgrads eines Wär-memotors: ηmax = 1 – T min /T max. (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

Kommentare

51a: Wärmemotoren oder Wärmekraftmaschinen (A) verwandeln die ungeordnete Bewegungsenergie der Wärme (zumindest

teilweise) wieder in geordnete zurück. Eine Maschine, die Wärme gegen ihre natürliche Flussrichtung transportiert, nennt man

allgemein eine Wärmepumpe (B). Mit dieser erzeugt man also gleichzeitig Wärme und Kälte, aber an verschiedenen Stellen.

51b: Einerseits ist Arbeit gleich Kraft mal Weg (W = F∙s), andererseits ist Druck gleich Kraft pro Fläche (p = F/A). Wenn man

F = p∙A in die erste Gleichung einsetzt, erhält man W = p∙A∙s = p∙V. Druck mal Volumen hat also wie die Arbeit die Einheit

Joule. Die Fläche unter einer Kurve im p-V-Diagramm entspricht der Arbeit!

51c: Bei einer Wärmekraftmaschine bräuchte man ein Reservoir, das wesentlich wärmer ist als die Umgebung. Das ist beim

Mensch nicht der Fall, weil die Körpertemperatur im Normalfall rund 37 °C beträgt und 42 °C niemals übersteigen darf. Wenn

man in die Gleichung für den maximal erreichbaren Wirkungsgrad für Tmax die Temperatur des Menschen einsetzt (37 °C oder

310 K) und für Tmin die Umgebungstemperatur (20 °C oder 293 K), dann könnte die „Maschine Mensch“ nur einen Wir-

kungsgrad von rund 5,5 % besitzen.

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Kapitel 23 Grundlagen der Elektrizität 1

Frage 52 passt zu den Poolthemen 4 Erhaltungsgrößen, 5 Felder, 10 Naturkonstanten, ihre Bedeutung und An-wendung und 24 Teilchen

a Welche der folgenden Teilchenumwandlungen sind erlaubt und welche nicht? Überprüfe dabei die Ladungen. Überlege dazu, welcher Erhaltungssatz für diese gilt und was das für eine Teil-chenumwandlung bedeutet.

Erklärung: p+: Proton, p-: Antiproton, π+, π-, π0: Pi-Mesonen oder Pionen, e-:

Elektron, e+: Anti-Elektron oder Po-sitron, n: Neutron, γ: Photon.

W2 Informationen entnehmen W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

b Warum fliegen Atomkerne eigentlich nicht auseinander? Die Protonen stoßen einander doch alle ab und die Neutro-nen können die elektrische Abstoßung nicht wesentlich ab-schirmen! Welche Schluss kann man sofort daraus ziehen, dass Atomkerne von nichtradioaktiven Elementen trotz der Abstoßung stabil sind?

E2 Fragen stellen und Vermutun-gen aufstellen

c Berechne allgemein, um welchen Faktor die elektrische Kraft größer ist als die

Gravitationskraft. Verwende dazu die Formeln �� = � �$�

und �� = & .$.

.

Nimm für deine Berechnung ein Proton (p+) und ein Anti-Proton (p-). Beide ha-ben die Elementarladung von ±1,6∙10-19 C und die Masse 1,673∙10-27 kg. Die Gravitationskonstante G hat den Wert 6,67∙10-11 m3kg-1s-2, k hat den Wert 8,99∙109 Nm2C-2. Sowohl die Gravitation als auch die elektrische Kraft führen zu einer Anziehung.

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

Kommentare

52a: In einem abgeschlossenen System ist die Gesamtladung immer gleich groß. Es können nur gleich viele positive und nega-

tive Ladungen entstehen oder vernichtet werden. Daher können die Reaktionen A, D (jeweils vorher elektrisch neutral und

nachher positiver Ladungsüberschuss) und E (vorher positiver Ladungsüberschuss, nachher negativer) nicht vorkommen.

52b: Nachdem Atomkerne nicht auseinander fliegen, muss es eine noch stärkere Kraft als die elektrostatische geben, die die

Protonen zusammenhält. Diese Kraft ist die starke Wechselwirkung, die zwischen allen Nukleonen herrscht, und sie ist etwa

100-mal so groß wie die elektrische Kraft.

52c: /�

/0=

12$23

�4$43

= 1.$.

��$�. Wenn man nun die bekannten Werte einsetzt, erhält man

/�

/0= 1.$.

��$�= 5,66∙789∙:7,;∙78<$9=

;,;>∙78<$$∙:7,;>?∙78<@= = 1,23 ∙ 10?;. Die elektrische Kraft ist also rund um den Faktor 1036 größer als die

Gravitationskraft.

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Kapitel 23 Grundlagen der Elektrizität 1

Frage 53 passt zu den Poolthemen 3 Energie und nachhaltige Energieversorgung, 5 Felder, 16 Physik des 18. und 19. Jahrhunderts und 21 Physik und Technik

a Man kann die elektrische Spannung auch als „elektri-schen Höhenunterschied“ bezeichnen. Erläutere, was damit gemeint ist, und ver-wende dabei die Tabelle.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

b Setze mit Hilfe der bereitgestellen Materialien (Apfel, verschiedene Metalle und Kabel) die Digitalzeige in Gang. Warum kann man damit Strom erzeugen? Verwende für deine Erklärung auch die Tabelle unten.

E3 Experimente planen, durchfüh-ren und protokollieren E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

c In der Tabelle siehst du die Spannungsreihe einiger Metalle und von Kohle. Er-kläre, warum die Wahl des Nullpunktes Geschmackssache ist. Welche Spannung herrscht zwischen zwei Stoffen? Warum verwen-det man in modernen Bat-terien meistens das Ele-ment Lithium?

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

Kommentare

53a: Zwischen dem Gravitationsgesetz und dem Coulomb-Gesetz gibt sehr viele Gemeinsamkeiten. Auch die gespeicherten

Energien lassen sich gut vergleichen. Wenn man eine Masse im Gravitationsfeld der Erde hebt, muss man dazu Arbeit auf-

wenden. Diese Arbeit ist in Form von potenzieller mechanischer Energie in der Masse gespeichert und kann später wieder

freigesetzt werden. Ganz ähnlich ist das beim elektrischen Feld. Wenn man eine negative Ladung gegen das elektrische Feld

verschiebt, dann musst man Arbeit aufwenden. Diese Arbeit ist dann in Form von potenzieller elektrischer Energie gespeichert

und kann später wieder freigesetzt werden.

53b: Je unedler ein Metall, desto stärker löst es sich in einem Elektrolyten auf. Dabei gehen nur die Atomrümpfe (also die po-

sitiven Ionen) in den Elektrolyten über, die Elektronen bleiben im Metall. Aus Zink lösen sich z. B. mehr positive Ionen als aus

Kupfer. Deshalb bleiben im Zink mehr Elektronen zurück. Das unedlere Metall, in diesem Fall Zink, bildet daher immer den

negativen Pol. Ein Elektrolyt (in diesem Fall die Flüssigkeit im Apfel) ist notwendig, damit der Stromkreis geschlossen ist. In ihm

bewegen sich positive Ladungen.

53c: Spannungsmessung ist immer eine Differenzmessung. Wenn man den Nullpunkt anders legen würde, wäre die Span-

nungsdifferenz trotzdem gleich groß. Es ist ähnlich, wie bei der Höhendifferenzmessung. Auch hier kann man den Nullpunkt

beliebig legen (z.B. Meeresspiegel oder Erdmittelpunkt). Die Spannung zwischen zwei Stoffen ist die Differenz der angegebe-

nen Werte (bei Zink und Kupfer sind es knapp 1,3 V). Batterien, die auf Lithiumbasis funktionieren, haben hohe Spannungen,

weil Lithium in der Spannungsreihe weit unten steht.

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Kapitel 24 Grundlagen der Elektrizität 2

Frage 54 passt zu den Poolthemen 5 Felder, 7 Modelle und Konzepte, 11 Naturphänomene und 24 Teilchen

a Schätze mit Hilfe der Formel für die elektrische Stromstärke ab, wie viele Elekt-ronen pro Sekunde bei einer Gleichstromstärke von 1 A an einer Messstelle vor-beifließen. Ein Elektron hat eine Ladung von 1,6∙10-19 C.

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

b Was versteht man unter der ungeordneten Bewegung der Elektronen und un-ter ihrer Driftgeschwindigkeit? In welcher Größenordnung liegt diese ungefähr?

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

c Das Polarlicht (Abb. ganz unten) kommt durch den Sonnenwind zu Stande, der überwiegend aus Elektronen und Protonen besteht. Im Magnetfeld der Erde werden diese Teilchen auf spiralförmige Bahnen gezwungen. Überlege, A) wa-rum die Teilchen eine Spiralbahn beschreiben, B) warum sich die Elektronen weiter außen befinden als die Protonen und C) in welche Richtung die Elektro-nen und Protonen zuerst abgelenkt werden (aus der Papierebene oder hinein), wenn der Sonnenwind von links kommt. Bedenke, dass der magnetische Südpol im Norden ist!

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

d Im Film „Alien versus Predator“ betrachtet ein Wissenschaftler das Polarlicht und sagt: „Es ist in der oberen Atmosphäre. Protonenströme und Elektronen von der Sonne wurden vom Magnet-feld der Erde abgelenkt, was einen Sonnen-sturm zur Folge hat.“ Kommentiere dieses Zitat.

(Foto: U.S. Air Force, Quelle: Wikipedia)

S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

Kommentare

54a: Aus I = ∆Q/∆t folgt, dass bei einem A pro Sekunde ein Coulomb an Ladung fließen muss. Daher fließen

1 C/1,6∙10-19 C = 6,25∙1018 Elektronen pro Sekunde durch den Querschnitt.

54b: Die Elektronen in einem Metall sind wie Gasmoleküle in ständiger, ungeordneter Bewegung. Ihre Geschwindigkeit liegt

in der Größe von 105 m/s! Liegt eine Spannung an, beginnen sich alle Elektronen zusätzlich in Richtung Plus-Pol zu bewegen.

Man spricht von der Driftgeschwindigkeit. Auf Grund der hohen Ladungsdichte liegt diese nur in der Größenordnung von

0,1 mm/s.

54c: A) Die Lorentz-Kraft steht normal zu den Feldlinien und normal zur Bewegungsrichtung. Wenn ein Teilchen immer nor-

mal zur Bewegungsrichtung abgelenkt wird, entsteht eine Kreisbahn oder, wenn sich das Teilchen schräg zu den magneti-

schen Feldlinien bewegt, eine Spiralbahn. B) Die Stärke des Erdmagnetfeldes nimmt nach außen hin ab. Weil die Elektronen

leichter sind, reicht die Stärke des Feldes schon weiter außen aus, um diese abzulenken. C) Die Ablenkung kann mit der Drei-

Finger-Regel bestimmt werden. Die Protonen werden daher aus der Papierebene abgelenkt, die Elektronen hinein.

54d: Mit dem Anfang hat er Recht. Allerdings sind diese Protonenströme und Elektronen von der Sonne bereits der Sonnen-

sturm (oder Sonnenwind). Sinngemäß sagt er also, dass der Sonnenwind einen Sonnenwind verursacht.

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Kapitel 24 Grundlagen der Elektrizität 2

Frage 55 passt zu den Poolthemen 5 Felder, 9 Möglichkeiten und Grenzen der Physik, 13 Physik als forschende Tätig-

keit, 14 Physik, Biologie und Medizin, 16 Physik des 18. und 19.Jh.s., 18 Physik und Alltag und 21 Physik und Technik

a Man spricht im Alltag oft von „Stromverbrauch“. Warum ist dieser Begriff falsch?

S4 korrekt und folgerichtig argu-mentieren und Naturwissenschaft-liches von Nicht-Naturwiss. unter-scheiden können

b Was versteht man unter dem Begriff Spannungsabfall? Verwende für deine Erklärung die Abbildung.

ein „aufgebogener“ Schaltkreis (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

c Wieso ist es gefährlich, wenn ein Blitz in deiner Nähe in den Boden einschlägt? Und warum soll man sich, wenn man von einem Gewitter überrascht wird, so hinhocken, dass nur die Füße am Boden sind? Wa-rum ist ein Blitzeinschlag für Kühe gefährlicher als für Menschen? Er-kläre mit Hilfe der Abbildung.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

E4 Ergebnisse analysieren, inter-pretieren und durch Modelle ab-bilden

d Zwei Vögel sitzen auf blankem Draht. Was passiert, wenn der Strom eingeschaltet wird? Begründe mit Hil-fe deiner Antwort auf Frage b.

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

Kommentare

55a: Das ist irreführend, weil der Ladungsfluss an jeder Stelle im Stromkreis gleich groß ist. Der Strom wird also nicht ver-

braucht. Es wird allerdings die Energie der Ladungen entwertet.

55b: Die Spannung gibt an, welche Energie in einer Ladung steckt, die sich in einem Spannungsfeld befindet. Wenn die La-

dung von selbst zum anderen Pol fließt, dann gibt sie diese Energie wieder ab. Je größer der Widerstand im Leiter, desto mehr

Energie verliert die Ladung an dieser Stelle. Mit der Energie verliert sie aber auch an Spannung, weil U ~ W ist.

55c: Weil die Ladungen in alle Richtungen fließen, erfolgt der Spannungsabfall nicht linear, und man spricht von einem Span-

nungstrichter. Die Spannung zwischen den Füßen (Schrittspannung) kann mehrere hundert Volt betragen! Je weiter man vom

Einschlag weg ist, desto geringer ist die Schrittspannung. Am besten ist es, wenn man sich gehockt auf den Boden setzt, weil

man dann keine Erhöhung bietet und der Spannungsabfall am geringsten ist. Kühe leben bei Blitzen sehr gefährlich, weil ihre

Schrittspannung so groß ist.

55d: Der Spannungsabfall erfolgt praktisch ausschließlich in der Lampe. Der „elektrische Höhenunterschied“ zwischen den

Füßen des linken Vogels (die Schrittspannung) ist daher viel größer. Deshalb bekommt er einen Stromschlag. Die Schrittspan-

nung beim rechten Vogel beträgt aber praktisch 0 V. Daher können Vögel ohne Gefahr auf Überlandleitungen sitzen.

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Maturafragen für Big Bang 6 29

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Kapitel 25 Mensch und Elektrizität

Frage 56 passt zu den Poolthemen 5 Felder, 7 Modelle und Konzepte, 13 Physik als forschende Tätigkeit, 14 Phy-sik, Biologie und Medizin und 21 Physik und Technik

a Im Internet findet man zum Thema Nervenleitgeschwindigkeiten auf www.neuro24.de folgende Passage: „Hier wird in Meter pro Sekunde gemessen, wie schnell ihre Nerven Impulse weiter lei-ten können. […] Da Nerven so ähnlich wie Stromkabel funktionieren und ihre Impulse auch über elektrischen Strom weitergeben, wird bei der Untersuchung auch mit kurzen Stromstößen gereizt.“

Diskutiere dieses Zitat mit Hilfe der Abbildung. (Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen S1 Quellen aus naturwiss. Sicht bewerten und Schlüsse ziehen

b Warum braucht man zum Aufzeichnen der Herztätigkeit mindestens zwei Elektroden? Warum reicht nicht eine aus?

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren W4 Auswirkungen erfassen und beschreiben

c Erkläre mit Hilfe der Abbildung die Funktionsweise eine Defibrillators. Warum müssen die Elektroden großflächig sein? Wieso kann man durch einen Defibrillator das Herz wieder zum Schlagen bringen?

(Quelle: Big Bang 6, ÖBV)

W2 Informationen entnehmen E2 Fragen stellen und Vermutun-gen aufstellen S2 Bedeutung, Chancen und Risi-ken von naturwiss. Erkenntnissen erkennen, um verantwortungs-bewusst handeln zu können

d Berechne die Leistung eines Defibrillators, wenn seine Ladeenergie von 360 J in 5 Millisekunden abfließt. Berechne die Ladungsmenge in voll aufgeladenem Zustand, wenn die Spannung 2000 V beträgt. Vergleiche den Wert mit den 4000 C einer AAA-Batterie. Was fällt auf?

W3 Vorgänge darstellen, erläu-tern und kommunizieren

Kommentare

56a: Die Ladungen und somit auch der Strom fließen in den Nervenzellen quer zur Ausbreitungsrichtung des Signals. Es ist al-

so anders als bei einem Gleichstromkreis, bei dem der Stromfluss parallel zum Leiter erfolgt. Nervenzelle und Stromkabel sind

nur sehr bedingt miteinander zu vergleichen.

56b: Spannungsmessung ist immer eine Vergleichsmessung. Man braucht also mindestens zwei Punkte auf der Haut, zwi-

schen denen man misst, zum Beispiel die Arme. Um den Herzrhythmus zu beurteilen, ist das vollkommen ausreichend. Will

man es genauer wissen, dann nimmt man zusätzliche Elektroden an den Beinen oder am Brustkorb.

56c: Der Trick besteht darin, die Ladungen aus dem Kondensator in extrem kurzer Zeit abzugeben. Dadurch entsteht eine be-

achtlich hohe Stromleistung. Deshalb ziehen sich alle Herzmuskelfasern gleichzeitig zusammen, und das Herzflimmern hört

auf. Kleinere Elektroden würden zu einer starken Erwärmung führen und die Haut des Patienten verbrennen.

56d: Die Leistung P = W/t = 360 J/0,005 s = 72000 W. W = U∙Q, daraus folgt Q = W/U = 360 J/2000 W = 0,18 C. Die Ladung

ist erstaunlich gering. Die hohe Leistung entsteht durch die extrem kurze Entladungszeit des Kondensators.