Big Bang Physik 6, Schulbuch

Lösungen zu den Kompetenzchecks  119 Kompetenzcheck 20 Wellengrundlagen 2 Hilfe zu A1:  Auf diese Frage antworten die meisten mit „ja“. Das ist ein Beweis dafür, dass wir oft eine völlig ungenügende Kenntnis der alltäglichs- ten Dinge haben. Ein guter, sauberer Spiegel ist nämlich völlig unsichtbar. Man kann den Rahmen des Spiegels sehen, das schützende Glas oder die Gegenstände, die sich in ihm spiegeln. Aber den Spiegel selbst, also wo das Licht reflektiert wird, sieht man nicht. Jede reflektierende Oberfläche ist zum Unterschied von einer zerstreuenden Fläche als solche völlig unsichtbar. Hilfe zu A2:  Da ein Spiegel die normal auf ihn stehende Achse vertauscht, befindet sich jedes Spiegelbild genauso weit hinter dem Spiegel wie das dazugehörige Objekt davor. Das Spiegelbild des Hinterkopfs befindet sich dadurch 20cm hinter dem Handspiegel und somit wiederum 200cm hinter dem Wandspiegel. Die Augen des Professors befinden sich etwa 20cm vor seinem Hinterkopf, also 140cm vor dem Spiegel. Somit sieht er seine sich lichtende Stelle in 340cm Entfernung (Abb. 13). Hilfe zu A3:  Du kannst die Frage mit der Wasserblase lösen, indem du das Brechungsgesetz anwendest und dir überlegst, wie die Lichtstrahlen bei den Übergängen gebrochen werden. Zuerst erfolgt eine Brechung vom Lot und dann eine zum Lot. Beide Brechungen führen dazu, dass der Lichtstrahl nach außen abgelenkt wird. Du kannst das Problem aber auch ganz allgemein anpacken. Was macht ein großer Wassertropfen mit parallelem Licht? Er wirkt wie eine dicke Sammellinse und wird es bündeln. Was passiert mit parallelem Licht, wenn du unsere Luftblase mit diesem großen Wassertropfen ganz ausfüllst? Weil sich das Licht nur in Wasser bewegt, läuft es gerade weiter. Die kombinierte Wirkung der Luftblase und des Tropfens ist daher ein gerader Strahl. Welche Wirkung führt kombiniert mit dem Zusammenlaufen der Strahlen zu keiner Wirkung? Auseinanderlaufen! Also muss die Luftblase alleine dazu führen, dass die Strahlen divergieren. Und genau das macht sie. Hilfe zu A4:  Das Licht wird beim Übergang vom Wasser zur Luft vom Lot gebrochen und täuscht uns dadurch einen größerer Sehwinkel vor, d.h. der Öffnungswinkel der beiden Strahlen ist größer als an Luft. Daher erscheinen uns Objekte größer (Abb. 14). Hilfe zu A5:  Alle Effekte sind eine Folge der Beugung von Schallwellen an Hindernissen. Schall kann also auch ums Eck gehen oder um ein Hindernis herum und so in deine Ohren gelangen. Das ist deshalb möglich, weil Schallwellen im Bereich von Dezimetern und Metern liegen und daher von alltäglichen „Hindernissen“ wie dem eigenen Kopf, Türen oder Kanten von Wänden nennenswert gebeugt werden – im Gegensatz zu Lichtwellen. Hilfe zu A6:  Du hörst deine Stimme nicht nur durch Beugung über die Luft, sondern auch durch deinen Schädelknochen. Dieser überträgt aber fast nur tiefe Frequenzen bis etwa 300Hz, und dieser zusätzliche tieffrequente Schall verleiht deiner eigenen Stimme ihren fülligen Klang. Vom Aufzeichnungsge- rät, das natürlich nur den Luftschall aufnimmt, hörst du deine Stimme normal, also höher und dünner – aber eben so, wie dich alle anderen Menschen hören. Hilfe zu A7:  Wenn du von einem Meteor verfolgt wirst und deine Geschwindigkeit erhöhst, dann sinkt die Relativgeschwindigkeit und mit ihr die Energie des Meteors. Wie ist das aber, wenn du von einem Photon verfolgt wirst? Ein Photon hat immer c ! Aber Licht hat nicht nur Teilchen-, sondern auch Welleneigenschaften. Wenn du Licht als Welle betrachtest und du beschleunigst, dann muss sich auf Grund des Doppler-Effekts die Frequenz verringern, weil sich die Relativgeschwindigkeit zwischen dir und der Lichtquelle erhöht. Die Frequenz des Photons verschiebt sich in Richtung des roten Bereichs des Spektrums, und man spricht daher von Rotverschie- bung. Dadurch wird die Energie des Photons trotzdem geringer (weil E = h ∙ f ), obwohl seine Geschwindigkeit gleich bleibt. Das ist schon erstaunlich! 21 Sprache und Gehör Hilfe zu A1:  Heiserkeit kann verschiedene Ursachen haben, aber es treten in jedem Fall bei der Tonerzeugung zusätzliche Geräusche auf. Bei leichter Heiserkeit sind diese in einem Bereich um 3000Hz und können daher vor allem das „i“ beeinflussen (siehe Abb. 21.8, S. 67). Bei einer sehr starken Heiserkeit können die Störfrequenzen aber bis auf 500Hz absinken und sogar die ersten Formanten von „a“ und „o“ beeinflussen. Abb. 13 Abb. 14 Hilfe zu A2:  Es stehen uns verschiedene Mechanismen zur Richtungsbe- stimmung zur Verfügung, zunächst einmal der Zeitunterschied und die Phasenlage eines Signals. Das funktioniert nur im unteren Frequenzbereich, weil nur diese Wellen lang genug sind, dass sie um den Kopf herum gebeugt und mit beiden Ohren gleich laut gehört werden. Liegen die Frequenzen höher, dann tritt eine merkliche Abschattung durch den Kopf ein. Daher wird bei höheren Frequenzen vor allem der Intensitätsunterschied gemessen. Schließlich spielen auch noch die asymmetrischen Ohrmuscheln eine große Rolle. Ändert sich die Richtung einer Schallquelle, so entsteht aus diesem Grund ein geringer Klangfarbenwechsel, den du aus Erfahrung als Richtungswechsel umzudeuten gelernt hast. Hilfe zu A3:  In einer offenen Pfeife können sich alle Obertöne ausbilden, in einer gedeckten aber nur die ungeradzahligen. Nachdem der Klang eines Instruments nur vom Obertonspektrum abhängt, erzeugen die beiden Pfeifentypen sehr unterschiedliche Klänge. Hilfe zu A4:  Um Vokale unterscheiden zu können, muss man die ersten beiden Formanten übertragen, also bis etwa 2500 Hz. Wenn die Über- tragungsfrequenz 4,5kHz (4500Hz) beträgt, kann man also alle Vokale gut unterscheiden. Zischlaute erzeugen aber auch viele höhere Frequenzen. Deshalb kann man übers Handy „s“ und „f“ schwer auseinanderhalten, weil sich diese beiden Konsonanten vor allem im höherfrequentigen Bereich unterscheiden. 22 Grundlagen der Elektrizität 1 Hilfe zu A1:  Durch das Rutschen wurden das Mädchen und somit auch seine Haare durch Reibung elektrisch aufgeladen. Die Haare des Mädchens haben daher einen Ladungsüberschuss. Weil gleichnamige Ladungen einander abstoßen, entfernen sich die Haare so weit wie möglich vonein- ander und stehen dadurch ab. Es ist ein ähnlicher Effekt wie bei den Blättchen eines Elektroskops. Welche Ladung die Haare haben, kann man an Hand dieses Bildes nicht erkennen. Dazu müsste man das Material der Rutsche und der Kleidung des Mädchens kennen. Hilfe zu A2:  Stoffe, die sich eher negativ aufladen, haben eine hohe Elektronenaffinität. Stoffe, die sich eher positiv aufladen, haben eine geringere Elektronenaffinität. Hilfe zu A3:  Wenn man jedem Punkt eines Raumes eine bestimmte Eigenschaft zuordnen kann (etwa eine Kraft), dann spricht man von einem Feld. Kraftfelder kann man durch Feldlinien darstellen. Sie zeigen Größe und Richtung der Gesamtkraft an jedem Ort an. Sowohl das elektrische Feld als auch das Gravitationsfeld kann man durch radial verlaufende Feldlinien darstellen. Hilfe zu A4:  Die elektrische Kraft bewirkt zum Beispiel, dass Elektronen und Protonen einander anziehen und somit Atome entstehen. Ohne elektrische Kraft gäbe es also gar keine Elemente. Außerdem beruhen auf ihr alle chemischen Bindungen und somit die Festigkeit der Materie, also auch des Sessels, auf dem du sitzt, und des Bodens, auf dem du stehst. Die elektrische Kraft hat zwar auf den ersten Blick für dich keine direkte Bedeutung, aber ohne sie wäre das Universum nur eine Ansammlung chaotisch umherschwir- render Elementarteilchen oder Materieklumpen. Hilfe zu A5:  Wasser besteht bereits aus Dipolmolekülen. Diese ordnen sich durch das elektrische Feld des Löffels lediglich um. Man nennt das auch Ordnungspolarisation. Dann werden die ausgerichteten Moleküle vom Löffel angezogen. Die Atome und Moleküle im Papier sind aber nicht polarisiert. In der Umgebung des Löffels werden jedoch die Elektronenorbitale verzerrt, und es verschieben sich die Ladungsmittelpunkte. Aus den neutralen Atomen werden dadurch elektrische Dipole. Diesen Effekt nennt man auch Verschiebungspolarisation. Den Rest übernimmt dann wieder die elektrische Anziehungskraft. Hilfe zu A6:  Es ist keine Energie notwendig, weil sich die kleine Ladung quasi immer auf derselben Höhe des Potenzialberges befindet. Diese entspricht einer Äquipotenzialfläche. Hilfe zu A7 a:  Darunter versteht man die potenzielle Energie eines einzigen Elektrons, wenn dieses im Spannungsfeld von 1 V verschoben wird. Seine Energie beträgt dann E p = 1,6·10 –19 C·1 V = 1,6·10 –19 J = 1 eV. b:  Man kann ohne Rechnung überlegen: 1 eV ist die Energie, die nötig ist, um 1 Elektron im Spannungsfeld von 1 V zu verschieben. Wenn für die Ablö- sung des Elektrons 13,6 eV notwendig sind, muss das Spannungsfeld auch 13,6 V betragen. Oder rechnerisch: Zum Ablösen des Elektrons ist eine Energie von 13,6 eV notwendig. Aus E p = Q · U folgt daher U = E p / Q = 13,6 eV/1 e = 13,6 V. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv