Naturwissenschaften an der
Kopernikusschule Freigericht
Liebe Schülerinnen und Schüler,
die Physik (aus dem Lateinischen für Naturlehre) untersucht Naturphänomene, z.B. die temporären Zustandsänderungen von Stoffen beim Erhitzen (Farbveränderung, Volumenveränderung, Wärmekapazität ...) oder die Bewegung von Körpern, und sucht nach den ihnen zugrundeliegenden Gesetzen.
In der Realschule startet der Physikunterricht in der 7. Klasse.
Die Themen sind
- Licht und seine erstaunlichen Eigenschaften (Optik)
- Wärmelehre: Was ist Wärme, was bewirkt sie bei Körpern und wie verhält sie sich?
Termine der Lernkontrollen und Vorbereitungszettel ---> siehe weiter unten
Lichtquellen und Eigenschaften von Licht
Zum Teil durch kleine Experimente angeregt habt ihr erkannt, dass Licht einige interessante, besondere Eigenschaften besitzt:
- Licht ist für uns unsichtbar, außer es gelangt von einer Lichtquelle direkt in unser Auge oder wird von einem Gegenstand in unsere Augen gelenkt
- Licht braucht kein Transportmittel, es durchquert auch leeren Raum, z.B. das Vakuum des Weltalls auf dem Weg von der Sonne zur Erde
- Licht breitet sich in alle Richtungen mit Lichtgeschwindigkeit (ca. 300000 km pro Sekunde) aus
- Licht kann von einigen Materialien geschluckt (absorbiert) werden. Seine Energie wird dabei in Wärme umgewandelt. Hinter dem Gegenstand entsteht ein Schatten.
- Licht kann manche Materialien durchscheinen, wie z.B. Glas
Licht und Schatten
Wenn Licht durch Materialien sehr gut durchgeht, spricht man von lichtdurchlässigen Material, z.B. Glas.
Wenn das Licht nur teilweise durchgeht handelt es sich um ein teildurchlässiges, transparentes Material, z.B. Milchglas, weiß gefärbtes Plastik etc.
Wenn Licht durch Material gar nicht durchkommt spricht man von lichtundurchlässigen Material, z.B. eine Metallplatte, schwarzer Fotokarton etc.
Hinter lichtundurchlässigen Material beobachtet man immer einen Schatten.
Besondere Lichtereignisse bei den Himmelskörpern:
Sonnenfinsternis und Mondfinsternis
Wie entstehen die unterschiedlichen Erscheinungsformen des Mondes, die Mondphasen?
Wir haben dann angesehen, wie Schatten bei zwei Lichtquellen oder einer sehr großen Lichtquelle (Sonne) und kleinem Schattenwerfer (Mond) aussehen. Es bilden sich Zonen mit Halbschatten und Kernschatten. Der Halbschatten ist der Schatten, der von einer Lichtquelle gebildet wird. Hierhin gelangt noch Licht von der zweiten Lichtquelle (oder Seite). In die Zone des Kernschattens gelangt gar kein Licht. Bei zwei Lichtquellen überlappen hier die zwei Schattenzonen.
Reflexion und Streuung von Licht
Am Overheadprojektor haben wir die Umleitung des Lichts mittels eines Spiegels beobachtet. Mit der optischen Bank haben wir durch systematische Untersuchung des Phänomens das Reflexionsgesetz entdeckt:
Einfallswinkel = Ausfallswinkel (Reflexionswiinkel) .
Animation zum Reflexionsgesetz
Wir haben erkannt, dass bei unebenen Oberflächen das Licht in verschiedene Richtungen reflektiert wird. Dies führt zur Streuung von Licht. Auch hierbei gilt allerdings das Reflektionsgesetz, siehe Animation des Streuprozesses !!! Wir sehen bei Lichtstreuung kein Spiegelbild, sondern eine weiße, undurchsichige Oberfläche, während bei einer perfekt ebenen Oberfläche durch die gleichmäßige Reflexion aller Lichtstrahlen ein Spiegelbild entsteht.
- Spiegelbild-Entstehung am ebenen Spiegel
Gebogene Spiegeloberflächen erzeugen interessante Effekte. Nach innen gebogene Spiegel können Licht im Brennpunkt bündeln. Dies nutzt man bei Taschenlampen, Autoscheinwerfern, Leuchttürmen, Overheadprojektoren ..... um Licht gerichtet an einer bestimmten Stelle zu sammeln.
Das Lot bei unebenen Oberflächen
Aufbau und Funktion eines Overheadprojektors
Die Funktionsweise eines Overheadprojektors (Powerpointpräsentation),
Die Funktionsweise eines Overheadprojektors (Tageslichtprojektors)
Lichtbrechung
Beim Übertritt von einem Stoff in einen anderen Stoff mit anderer Dichte kommt es bei bestimmten Winkeln zur Lichtstreuung. Beim Auftreffen im rechten Winkel findet keine Lichtbrechung statt und beim spitzen Auftreffen findet Totalreflexion statt.
Beim Übertritt von einem dünneren in ein dichteres Medium, z.B. Luft in Wasser oder Luft in Glas, wird das Licht in Richtung zum Lot gebrochen. Beim umgekehrten Übergang, d.h. von einem dichteren in ein dünneres Medium, z.B. Wasser in Luft oder Glas in Luft, wird das Licht in Richtung vom Lot weg gebrochen. Wir nutzen die Lichtbrechung z.B. bei Linsen, die in vielen optischen Geräten Vergrößerungsgläsern, Brillen, Ferngläsern, Mikroskopen usw. verbaut sind.
Lichtleiter und Glasfaserkabel: Totalreflexion
Lichtbrechung bei verschiedene Linsenformen: Sammellinse und Zerstreuungslinse
Vorbereitungsblatt für die Lernkontrolle
Farbiges Licht durch Lichtbrechung
Durch Farbmischung entstehen neue Farben
Wie sehen wir und wie sehen wir farbig?
1) Film Superaugen bei Planet Schule. 2) Interaktives Lernen dazu mit dem Augenbaukasten.
Wie sieht ein Rot-Grün-"Blinder" ? Einfach ein farbiges jpg-Bild mit dem linken Bedienfeld hochladen und dann das Programm mit dem rechten Bedienfeld starten!
Wärmelehre
Was ist Wärme?
Wärme ist eine Energieform, die normalerweise für uns nicht sichtbar ist. Sie hat aber deutlich erkennbare Eigenschaften und wir haben sogar einen Sinn für Wärme - unseren Temperatursinn. Er arbeitet vergleichend, das heißt, dass wir die Temperatur nur relativ zu unserer Körpertemperatur wahrnehmen.
Wärme lässt sich übertragen: Sie kann mit einem Material an einer Stelle aufgenommen und zu einer anderen Stelle transportiert werden. In einem Experiment wurde ein Stein über der
Gasbrennerflamme erhitzt und dann in kaltes Wasser gelegt. Das Wasser erwärmte sich.
Mit dieser Apparatur haben wir in der letzten Physikstunde ein Experiment durchgeführt. Dabei wurde das Wasser im Topf erhitzt. Die in dieses Wasser hineinragenden mit Temperatur-Indikatorfolie
beklebten Stäbe von links nach rechts: Kupfer, Holz, Glas, Aluminium, Eisen und Messing. Was war zu beobachten? Was zeigt uns das Experiment? Das Ergebnis steht hoffentlich
inzwischen in deinem Ordner!
Wie ist die Wärme in den Gegenständen gespeichert?
Wärme ist nichts anderes als die Bewegung der kleinsten, für uns unsichtbaren Teilchen der Materie. Je wärmer ein Stoff ist, desto heftiger bewegen sich seine kleinsten Teilchen. Wärme ist die Energie der Bewegung der kleinsten Teilchen von Stoffen (Wärme = innere Energie). Je nachdem wieviel Wärme ein Stoff gerade enthält liegt er fest, flüssig oder gasförmig vor. Diese drei unterschiedlichen Zustände von Materie nennt man die Aggregatzustände (animierte Abbildung - bitte anschauen!).
Zusammenfassung: Arten der Wärmeübertragung
Vermeidung von Wärmeübertragung durch Isolation
Im Experiment haben wir den Aufbau und die Funktion einer Thermoskanne (physikalisch ein Dewargefäß) untersucht. Ein einfacher Glaszylinder ungefähr gleicher Größe diente als Vergleich. In beide wurde exakt gleich heißes Wasser eingefüllt und jeweils nach 1 min die Temperatur gemessen. Im Glaszylinder fiel die Temperatur rasch, während das Wasser in der Thermoskanne nur langsam abkühlte. Das liegt daran, dass durch den speziellen Aufbau der Thermoskanne alle drei Übertragungswege für Wärme, nämlich Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Wärmemitführung, bestmöglich blockiert werden.
Wir haben außerdem die Isolationswirkung von Luft, Wasser, Wolle und Federn experimentell untersucht, indem jeweils ein Reagenzglas mit heißem Wasser befüllt wurde, in die aufgezählten Stoffe gehalten und wieder der Temperaturverlauf ermittelt wurde.
Hier die Ergebnisse in der R7c:
Ergebnisse der R7d:
Hausaufgabe: Versuchsprotokoll zum Versuch schreiben. Ergebnis formulieren: Was zeigen uns die Messwerte?
Wirkung von Wärme auf Gase (Luft)
Ein im Gefrierfach vorgekühlter Erlenmeyerkolben wurde entnommen und die Öffnung mit einem Luftballon verschlossen. Hier die bei diesem Experiment machbaren Beobachtungen:
Temperaturen messen: Wir bauen ein Thermometer
Durch weitere Experimente haben wir festgestellt, dass feste, flüssige und gasförmige Stoffe / Materialien mehr Raum beanspruchen, also sich ausdehnen, wenn sie erhitzt werden und sich zusammenziehen, wenn sie abgekühlt werden.
Dieses Verhalten lässt sich zur Temperaturmessung nutzen. Ihr habt aus einem Reagnzglas, gefärbtem Wasser, einen Gummi-Lochstopfen und einem Glasröhrchen ein Flüssigkeitsthermometer gebaut. Zur Eichung habt ihr wie der Schwede Anders CELSIUS die Aggregatzustandswechsel von Wasser benutzt, also eine Wasser / Eis-Mischung für 0°C oder siedendes Wasser für 100°C.
Nachfolgend habt ihr noch zwei andere Temperaturskalen kennen gelernt, nämlich die von FAHRENHEIT und die von KELVIN. Die absolut niedrigste Temperatur im Universum liegt bei -273,15 °C = 0 K (K
= Kelvin). Dies zeigte der Natruwissenschaftler GAY-LUSSAC anhand der Volumenmessung von Gasen bei unterschiedlichen Temperaturen. Er verlängerte die Messlinie seiner Ergebnisse in Richtung
kälterer, für ihn damals nicht erzielbarer Temperaturen. Bei -273,15°C wird das Volumen des Gases = 0. Da es negative Volumen nicht gibt, musste dies die tiefstmögliche Temperatur sein!
Der Bimetallschalter - ein temperaturempfindlicher Schalter
Sind zwei Metalle mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung miteinander verbunden, so kann sich der dadurch gebildete Bimetallstreifen beim Erwärmen verbiegen, siehe http://www.zum.de/dwu/depot/pwl208f.gif. Beim Abkühlen nimmt er langsam
wieder seine ursprüngliche Form ein. Dies kann man zur Temperaturmessung nutzen. Außerdem läßt sich mit so einem Bimetall ein automatischer, temperaturempfindlicher Schalter zur
Temperaturregelung bei Bügeleisen, zum Überhitzungsschutz beim Haarfön, Abschalten eines Wasserkochers .... bauen.
Täglich neu: Das Wetter
Dichteanomalie des Wassers: Warum wir im Winter auf einem See Schlittschuhlaufen können
Wasser hat seine höchste Dichte bei 4°C. Dies ist sehr ungewöhnlich, denn das Wasser ist bei dieser Temperatur noch flüssig, da es erst bei 0°C friert. Durch diese so genannte Dichteanomalie hat
festes Wasser (EIS) eine geringere Dichte als flüssiges Wasser: Eis schwimmt auf flüssigem Wasser, wie z.B. der Eisberg, der
die Titanic zum Sinken gebracht hat, oder der Eiswürfel in deiner Cola. In der Regel geht ein Feststoff in seiner Schmelze unter, z.B. sinkt das feste Pflanzenfett im geschmolzenen
Pflanzenfett in einer Fritteuse zum Boden.
Wetter: Wie entstehen Hochdruck- und Tiefdruckgebiete?
Lernkontrollen
R7c am Die. 26. Mai 2015
R7d am Mon. 1. Juni 2015
Nachtrag zur Rauchzeichen-Aktion
Hier, wie versprochen, einige Links zum Thema Rauchen:
Affig, von ´nem Stengel abhängig zu sein (Stern)
Nur Looser stecken sich noch eine an (Spiegel online 10.2.2012)
Jugendliche Raucher - die Verlierer von Heute auf Aktiv rauchfrei)
Hilfe bei SUCHTPROBLEMEN:
Hier bekommt man Hilfe bei Suchtproblemen (Main-Kinzig-Kreis)
