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?

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 Materialien beobachtet man immer einen Schatten. 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.

Licht breitet sich von einer punktförmigen Lichtquelle geradlinig in alle Richtungen aus.

Merksätze

Materialien können für Licht

 lichtdurchlässig / durchsichtig,

 transparent / lichtdurchscheinend,

 oder lichtundurchlässig 

sein.

Hinter einem mit Licht bestrahlten, nicht lichtdurchlässigen, oder nur transparenten Körper entsteht ein Schatten.

Licht und Schatten im Internet.

Besondere Lichtereignisse mit Himmelskörpern:

Sonnenfinsternis und Mondfinsternis

Sonnenfinsternis (von der Erde betrachtet)

Sonnenfinsternis I (aus dem Weltall beobachtet)

Sonnenfinsternis II (länger; aus dem Weltall beobachtet) 

Mondfinsternis

Tolle Internetseite zu Finsternissen: https://www.timeanddate.de/finsternis/karte/2022-oktober-25

 "Blutmond" bei einer totalen Mondfinsternis. Bild von 2015 von M. Pieke, Sternwarte der KSF.

ÜBERSICHT FINSTERNIS-EREIGNISSE  mit Schema und Realbildern !

Wie entstehen die unterschiedlichen Erscheinungsformen des Mondes, die Mondphasen?

SUPER LINKTIPP: Animation zu den Mondphasen

Mondphasen

Das Nationaltheater von Peking ist ein Gebäude, das im Wasser steht. Es wird nachts mit Scheinwerfern beleuchtet. Dann spiegelt es sich im Wasser und sieht aus wie ein UFO.

Animation zur Reflexion   (mit dem Doppelpfeil kannst Du den Spiegel bewegen)

Es gilt das Reflexionsgesetz: Einfallswinkel ist gleich Ausfallswinkel (Reflexionswinkel). Die Winkel werden zum senkrecht auf der reflektierenden Oberfläche stehenden LOT gemessen.

Bei sehr regelmäßiger Spieglung jedes einzelnen Lichtstrahls entsteht ein tolles Spiegelbild, wie es oben bei dem Gebäude durch die spiegelglatte (!!) Oberfläche des Sees zu sehen ist. Wäre es an dem Abend windig gewesen, hätte ich das tolle Bild nicht erhalten!

Von der Straße aus betrachtet sieht es so aus: 

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 Reflexionsgesetz, siehe Animation des Streuprozesses !!!

Animation zur Streuung, der Reflexion an unebenen Oberflächen

Wir sehen bei Lichtstreuung kein Spiegelbild, sondern eine weiße, undurchsichtige Oberfläche, während bei einer perfekt ebenen Oberfläche durch die gleichmäßige Reflexion aller Lichtstrahlen ein Spiegelbild entsteht.

• Das Lot bei unebenen Oberflächen

• Spiegelbild-Entstehung am ebenen Spiegel

Gewölbte (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.

Beim Übertritt von einem Stoff in einen anderen Stoff mit anderer Dichte kommt es bei bestimmten Winkeln zur Lichtbrechung. (Buch S. 33)

Die Stärke der Lichtbrechung ist abhängig vom Winkel !  

Beim Auftreffen im rechten Winkel findet keine Lichtbrechung statt. Bei größeren Winkeln zum Lot wird die Brechung größer bis zum Winkel der ab dem die Totalreflexion eintritt. (Buch S. 34)

Bei Wasser tritt ab einem Winkel über 48,6 ° zum Lot Totalreflexion ein. Der Lichtstrahl kann die Wasser-Luftgrenze nicht passieren. Er wird reflektiert und hierbei gilt das Reflexionsgesetz: Einfallwinkel = Ausfallwinkel. Dies geschieht also beim spitzen (flachen) Auftreffen des Lichts auf das dichtere Medium (Winkel ähnlich wie beim Steine auf der Wasseroberfläche springen lassen). 

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.

Lichtbrechung

Lichtleiter und Glasfaserkabel: Totalreflexion

Wir nutzen die Lichtbrechung z.B. bei Linsen, die in vielen optischen Geräten Vergrößerungsgläsern, Brillen, Ferngläsern, Mikroskopen usw. verbaut sind.

In den folgenden Filmchen könnt ihr den Weg der Lichtstrahlen durch die Linse und ihre Wirkung ansehen. 

Hier ein Arbeitsblatt zum Aufarbeiten der Informationen:

Lichtbrechung bei verschiedene Linsenformen: Sammellinse und Zerstreuungslinse

Die Sammellinse wird im Alltag z.B. als Lupe verwendet, weil mit ihr vergrößerte Bilder erzeugt werden können. 

Zum Aufarbeiten der Informationen hier wieder ein Arbeitsblatt:

Bildentstehung bei der Sammellinse

Unsere Augen - wie wir sehen

Sehfehler und ihre Korrektur

Arbeitsblatt dazu https://www.zum.de/dwu/depot/pop109k.gif

Welche Brillenlinse braucht nun ein kurzsichtiger Mensch, welche ein Weitsichtiger?

Wie entsteht ein Regenbogen: Simple Physics VIDEO

Für Menschen sichtbares und unsichtbares Licht: farbiges, infrarotes (IR) und ultraviolettes (UV) Licht

Die meisten Farben entstehen durch Überlagerung von Grundfarben. Dies sind bei der additiven Farbmischung von Licht die drei Farben Rot - Grün -Blau (RGB-Farben eines Beamers / Bildschirmes). Bei gleich starker Leuchtstärke entsteht als Produkt weißes Licht, ansonsten Mischfarben, wie z.B. gelb aus grün und rot. 

Die subtraktive Farbmischung kennen wir vom malen mit Wasserfarben und vom Tintenstrahldrucker. Dieser Drucker verwendet die Farben gelb, magenta und cyan. Sie ergeben beim Zusammenmischen schwarz, nur magenta und gelb ergibt zusammen rot usw., siehe Abbildung.

Leifi-Physikseite zur Additiven Farbmischung (mit interaktiven online Experimenten)

Leifi-Physikseite zur Subtraktiven Farbmischung (mit interaktiven online Experimenten)

Wie sehen wir? Wie sehen wir farbig?

Unsere Augen nutzen zum Farbsehen genauso wie ein Handydisplay oder Beamer das RGB System der additiven Farbmischung. Es gibt drei unterschiedliche Sehsinneszellen: 1) für grünes Licht, 2) für blaues Licht und 3) für rotes Licht. Ist eine Art nicht funktionstüchtig, so leiden wir unter einer Farbenblindheit. Ein Rot-Grün-Blinder hat keine normal funktionierenden Sehsinneszellen für rot und grün und kann diese Farben daher nicht normal sehen.

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!

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.

Wege der Wärmeübertragung

Vermeidung von Wärmeübertragung durch Isolation

Die Isolationswirkung von Luft, Wasser, Wolle und Federn kann experimentell untersucht werden, indem jeweils ein Reagenzglas mit heißem Wasser befüllt wird, in die aufgezählten Stoffe gehalten und wieder der Temperaturverlauf ermittelt wird.

Hier die Ergebnisse einer anderen Klasse:

Im Experiment haben wir außerdem 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.

Wirkung von Wärme auf Gase (Luft)

Ein im Gefrierfach vorgekühlter Erlenmeyerkolben wurde entnommen und die Öffnung mit einem Luftballon verschlossen.

Ergebnisse Physik R7 

Fragestellung: Wie verhalten sich Stoffe / Materialien beim Erhitzen und Abkühlen?

Die verschiedenen Aufgaben müssten Euch zu folgenden Ergebnis geführt haben:

Alle Materialien, egal in welchem Aggregatzustand (fest / flüssig / gasförmig) sie sich befinden, dehnen sich beim Erwärmen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. 

Dieses Verhalten nutzt man bei verschiedenen Geräten aus, z.B. bei einem Bimetall. Das Bimetall verbiegt sich beim Erwärmen. Dies liegt daran, dass es aus zwei sich bei Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnenden Metallen besteht. Durch diese unterschiedlich starke Ausdehnung verbiegt sich das Bimetall automatisch. 

Um dies zu Verstehen: Denkt einmal an ein 200m Wettrennen auf einer Stadiumbahn. In der Innenkurve ist der Weg kürzer als auf der Außenkurve. Die Ziellinie ist für alle an der gleichen Stelle damit man sofort sieht, wer der Sieger ist. Damit die Läufer alle 200m laufen starten sie deshalb nicht alle an der gleichen Stelle, sondern gestaffelt. Der Außenbahn-Läufer weiter vorne, der Innenbahn-Läufer weiter hinten. Würden sie an der gleichen Stelle starten dann hätte der Innenbahnläufer keine 200m bis zur Ziellinie.

Bimetall Demo-Experiment (Vorbereitung des Experimentes)

Verhalten des Bimetalls beim Erwärmen (Film)

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 Haarföhn, Abschalten eines Wasserkochers .... bauen.

Ein weiteres Ergebnis: Je mehr Wärme zugeführt wird, desto größer ist die Ausdehnung eines Materials. Bei vielen Materialien erfolgt sie sogar gleichmäßig.

Wofür lässt sich dieses Wissen nutzen? Welche Art von Gerät könnte ich mit diesem Wissen bauen?

Mehr zum Bimetall und die Antwort zu den Fragen gibt es hier: 

https://www.oesz.at/download/chawid/agbs_su_bau_bimetallthermometer_physik_103.pdf

Temperaturen messen: Wir bauen ein Thermometer

Temperaturmessgeräte - Thermometer - lassen sich aber auch noch auf andere Art bauen. Durch 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. Aus einem Reagenzglas, gefärbtem Wasser, einen Gummi-Lochstopfen und einem Glasröhrchen kann ein Flüssigkeitsthermometer gebaut werden. Zur Eichung benutzt man wie der Schwede Anders CELSIUS die Aggregatzustandswechsel von Wasser benutzt, also eine Wasser / Eis-Mischung für 0°C und siedendes Wasser für 100°C.

Es gibt noch zwei andere Temperaturskalen, nämlich die von FAHRENHEIT und die von KELVIN. Sie haben andere Fixpunkte, die aber deutlich unpraktischer sind. Die absolut niedrigste Temperatur im Universum liegt bei -273,15 °C = 0 K (K = Kelvin). Dies zeigte der Naturwissenschaftler 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 tiefste mögliche Temperatur sein!

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 aber in seiner Schmelze unter, z.B. sinkt das feste Pflanzenfett im geschmolzenen Pflanzenfett in einer Fritteuse zum Boden und festes Wachs sinkt in geschmolzen Wachs auf den Boden:

Wegen seines ungewöhnlichen Verhaltens spricht man beim Eis auch von einer Dichteanomalie.

Die Dichteanomalie hat wichtige Folgen.

Überlege: 

1) Wie friert ein See im Winter zu -  wo befindet sich das Eis, wenn er anfängt zuzufrieren? Was würde mit Fischen und anderen Wasserlebewesen passieren, wenn sich Wasser normal wie die anderen Stoffe (siehe oben) verhalten würden?

2) Was geschieht mit schlecht geschützten Wasserleitungen im Winter, wenn sie nicht abgestellt und entleert wurden?

3) Was geschieht bei wasserdurchlässigen, rissigen Straßenoberflächen im Winter?

Dein Buch S. 78 und 79 helfen Dir bei der Beantwortung dieser Fragen.

Wärmeunterschiede sind die Ursache für unser Wetter. Ständig entstehen  auf der Erde Wärmeunterschiede, die sich dann ausgleichen möchten, indem Wärme vom heißeren zum kälteren Stoff übertritt und diesen erwärmt, während der "Wärmespender" dabei abkühlt. Diese Wärmeübertragungen mittels Wärmestrahlung, Wärmemitführung und Wäremleitung haben wir bereits in einer früheren Stunde besprochen.

Hier erfährst Du, 1) warum es an vergleichbarer Stelle auf der Erde in Europa viel wärmer ist, als in Asien oder Nordamerika, und 2) wieso es am Meer oder großen Seen oft so unterschiedlich, aber vorhersagbar windig ist.

Der segensreiche Golfstrom

Wetter: Wie entstehen Hochdruck- und Tiefdruckgebiete?

Was ist Wärme? Wie ist sie in Gegenständen / Körpern gespeichert?

1) Reibe einmal Deine Hände fest und schnell mit den Handinnenflächen aneinander! Was stellst Du fest?

2) Schon einmal ein Seil schnell durch die Hand rutschen lassen?

3) Schau Dir den folgenden Film "Massai machen Feuer" an.

Beobachtungen? Schlussfolgerung(en)?

Da alle Stoffe aus kleinsten Teilchen bestehen muss Wärme etwas mit diesen kleinsten Teilchen zu tun haben.

Und tatsächlich: 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 wie viel Wärme ein Stoff gerade enthält liegt er fest, flüssig oder gasförmig vor. Diese drei unterschiedlichen Zustände von Materie nennt man die Aggregatzustände 1,     Aggregatzustände 2 

Buch S. 100

Animation zu den Aggregatzuständen: https://www.ltam.lu/chimie/AggregatzustaendeCD.html

Film dazu: Die Eigenschaften der drei Aggregatzustände (Film "The states of matter").

James Watt hat die Dampfmaschine nicht erfunden, aber seine großartigen Weiterentwicklungen dieser Wärmekraftmaschinen haben ihren Siegeszug und enormen Beitrag bei der industriellen Revolution ermöglicht.

Die enorme Volumenreduzierung beim Abkühlen und Kondensieren von Wasserdampf (gasförmiges Wasser wird zu flüssigen Wasser) wird deutlich durch die Kraft des Luftdruckes, der hier im Film einen Tankwagen zusammendrückt: https://www.youtube.com/watch?v=hgdMA7kUR8M

Diese Kraft drückt bei den ersten Dampfmaschinen den Kolben wieder zurück in die Ausgangsposition. In den verbesserten, späteren Versionen der Dampfmaschine drückt Dampf durch Ventile gesteuert abwechselnd von den beiden unterschiedlichen Seiten gegen den Kolben. Jede Bewegung ist dadurch ein kraftvoller Arbeitsvorgang.

Die Dampfmaschinen wurden jedoch später durch verschiedene Bauarten von Verbrennungsmotoren verdrängt. Auch Verbrennungsmotoren sind Wärmekraftmaschinen. Sie nutzten Wasser aber nicht mehr als Arbeitsmittel, sondern höchstens noch zur Kühlung. Es gibt Verbrennungsmotoren als Otto- und Dieselmotoren, die entweder nach dem Zwei- oder Viertaktprinzip arbeiten.

Aufbau und Funktionsweise eines 4-Taktmotors (Ottomotor)

Funktionsweise eines 2-Taktmotors

Die Erfindung des Dieselmotors

Das Automobil - das Auto

Das Auto erfunden hat Carl Benz, ein deutscher Ingenieur. Allerdings war der erste Autofahrer dann eine Autofahrerin: Berta Benz entführte mit ihren zwei Söhnen das Auto aus der Werkstatt ihres Manns und fuhr damit zu ihren Eltern nach Pforzheim. Sie demonstrierte dadurch eindrucksvoll die Alltags-tauglichkeit der Erfindung.

"Geburt" des Vulkans in Litli-Hrútur

Live-Streaming

Flug mit einer Wärmebild-Kamera-Drone über den aktiven Vulkan

Überblick über die Lavafelder der Ausbrüche von 2021 bis heute