Big Bang 7, Schulbuch

Lösungen zu den Kompetenzchecks 107 Kompetenzcheck Hilfe zu A2: 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, dort, wo das Licht reflektiert wird, sieht man nicht. Jede reflektierende Oberfläche ist zum Unterschied von einer zerstreuenden Fläche als solche völlig unsichtbar. Hilfe zu A3: Das Licht wird beim Übergang vom Wasser zur Luft vom Lot gebrochen und täuscht uns dadurch einen größerer Sehwinkel vor. Der Öffnungswinkel der beiden Strahlen ist größer als an Luft (Abb. 18). Daher erscheinen uns Objekte größer. Hilfe zu A4: Je größer die Geschwindigkeit im Glas, desto weniger stark ist die Lichtbrechung. Rotes Licht wird weniger stark gebrochen als blaues Licht ( β ist also größer). Daher muss die Geschwindigkeit von rotem Licht in Glas größer sein als die von blauem, und daher muss Abb. 11 b (S. 104) richtig sein. 30 Energieübertragung durch elektromagnetischen Wellen Hilfe zu A1: Nein! Physikalisch gesehen gibt es nur Wärme. Das, was wir im Alltag als Kälte bezeichnen, ist das Fehlen von Wärme. Es gibt auch keine Kältestrahlung. Du spürst im Tiefkühlfach, dass die Hand auf Grund ihrer eigenen Wärmestrahlung an Wärme verliert, weil die Umgebung weniger Wärme zurückstrahlt. Hilfe zu A2: Nicht jeder schwarze Gegenstand muss zwangsläufig auch ein Schwarzer Körper im Sinne des physikalischen Fachbegriffs sein. Es kann zum Beispiel sein, dass das Objekt zwar im sichtbaren Wellenlängenbereich die Strahlung sehr gut absorbiert, im infraroten aber schlecht. In diesem Fall wäre das Objekt schwarz, aber kein Schwarzer Strahler. Umgekehrt können aber nicht schwarze Objekte in sehr guter Näherung Schwarze Strahler sein. Das trifft zum Beispiel auf alle Sterne zu. Hilfe zu A3: Nein! Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung, die ein Körper auf Grund seiner Temperatur aussendet. Das ist ja bei der Erzeugung der EM-Wellen durch ein Magnetron nicht der Fall. Außerdem werden hier nur Wellen in einem sehr eng begrenzten Frequenzbereich erzeugt. Hilfe zu A4: Das stimmt nicht! Vitamine gehen vor allem verloren, wenn das Essen zu stark und zu lange gekocht wird oder wenn sie durch das Kochwasser „ausgewaschen“ werden. Beides ist aber gerade bei der Mikrowelle nicht der Fall. Mikrowellen sind also sogar umgekehrt sehr vitaminschonend, vor allem für Vitamin B und C. Hilfe zu A5: Nein! Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung, die ein Körper auf Grund seiner Temperatur aussendet. Das ist ja bei einem Laser nicht der Fall. Infrarot ist nicht zwangsläufig gleich Wärmestrahlung, auch wenn diese Begriffe im Alltag oft synonym verwendet werden. Hilfe zu A6: Die IR-Strahlung wurde um 1800 vom deutsch-britischen Astronomen F RIEDRICH W ILHELM H ERSCHEL entdeckt. Er ließ dazu Sonnenlicht durch ein Prisma fallen und bemerkte, dass jenseits des roten Endes des sichtbaren Spektrums ein Thermometer die höchste Temperatur anzeigte. Aus dem beobachteten Temperaturanstieg schloss er, dass sich das Sonnenspektrum jenseits des Roten fortsetzt. Etwa zur selben Zeit machte der deutsche Physiker J OHANN W ILHELM R ITTER die Beobachtung, dass der Bereich außerhalb des violetten Lichts der Sonne unglaublich effektiv war, Fotopapier zu schwärzen. Daraus schloss er, dass sich das Sonnenspektrum jenseits des Violetten fortsetzt. Hilfe zu A7: Manchmal befinden sich die Nukleonen in einem angeregten Zustand (etwa nach einem α - oder β -Zerfall). Das heißt, dass zumindest ein Nukleon nicht das niedrigstmögliche Niveau besetzt. Es ist ähnlich wie bei einem angeregten Elektron in der Hülle. Wenn das Nukleon „zurückspringt“, gibt es die überschüssige Energie in Form eines hochenergetischen Photons, also eines γ -Quants, ab. Man kann also salopp von einem „Quantensprung im Kern“ sprechen. Der Begriff ist historisch bedingt aber nicht günstig, weil ja im Gegensatz zu α - und β -Zerfall nichts zerfällt. 31 Informationsübertragung durch elektromagnetische Wellen Hilfe zu A1: Bei einer Flüssigkeitswelle wird zum Beispiel die ruhende Wasseroberfläche gestört. Beim Donner wird die ruhende Luft durch die plötzliche Ausdehnung der Luft im Blitzkanal gestört. Bei einer elektroma- gnetischen Welle wird das elektromagnetische Feld durch die Beschleuni- gung einer Ladung gestört. Abb. 18 Hilfe zu A2: Bei der Frequenzmodulation liegt die Information in der Änderung der Frequenz. Würde sich die Frequenz der Trägerwelle nicht ändern, dann könnte man auch keine Information übertragen, also nur Stille. Kurz: Ohne Bandbreite koa Musi. Hilfe zu A3: Ein kB entspricht 10 3 B. Man müsste daher vor dem Beamen 10 31 B an Information auslesen. Hilfe zu A4: Die Aussage, dass das Innere eines Autos feldfrei ist, gilt nur für elektrostatische Felder, nicht aber für elektromagnetische Wechselfelder. EM-Wellen können in das Auto sowohl eindringen als auch aus diesem herauskommen. Wäre das nicht so, könnte man in ein Auto weder hinein noch aus diesem hinaus sehen, weil auch Licht eine EM-Welle ist. Außerdem wäre es dann unmöglich, im Auto mit dem Handy zu telefonieren. Hilfe zu A5: Das sind zum Beispiel Radio, Handy, schnurlose Telefone, W-LAN, Bluetooth, Infrarot-Fernbedienung, Fernsehen und Babyphones. 32 Klimaänderung und erneuerbare Energie Hilfe zu A1: Die Angabe 400ppm bedeutet, dass sich 400 Moleküle CO 2 in einer Million Luftmolekülen befinden. Es gilt daher 400 Moleküle CO 2 /10 6 Luftmoleküle = 1 Molekül CO 2 /(10 6 /400 Luftmoleküle) = 1/2500. Auf 2500 Luftmoleküle kommt daher nur ein einziges Molekül CO 2 , und das ist schon überraschend wenig! Hilfe zu A2: Das Problem dabei ist, die Dicke der Atmosphäre zu definieren, weil diese keine scharfe Grenze hat. Ziehen wir eine willkürliche Grenze bei 100km – dort beginnt per Definition der Weltraum. Das entspricht 10 5 m/(6,37·10 6 m) ≈ 0,016 = 1,6% des Erdradius. Angenommen, ein Globus hat einen Radius von 15cm (= 150mm). 1,6% davon sind 2,4mm. In Wirklichkeit ist die Atmosphäre also dicker als im Film behauptet, aber die Größenord- nung stimmt halbwegs. Hilfe zu A3: Weil man beim Klimaszenario ja nicht die Temperatur für einen bestimmten Ort an einem bestimmten Tag berechnet, sondern die globale Durchschnittstemperatur für ein Jahr, und das ist etwas ganz anderes! Wenn man die Temperatur, die es zum Beispiel in einer Woche in Graz haben soll, prognostiziert, kann man gut und gerne bei einer überraschenden Wetterentwicklung auch einmal um 10°C danebenliegen. Wenn man aber die globale Jahresdurchschnittstemperatur berechnet, wird man nur Bruchteile eines Grades danebenliegen, weil sich die „Temperaturüberraschungen“ die Waage halten. Hilfe zu A4: Wenn man dem Wind die gesamte kinetische Energie entziehen könnte, dann würde die Luft hinter dem Rotor eines Windrades zum Stillstand kommen. Dann käme es aber gewissermaßen zu einem Luftstau, der auch die Luft vor dem Rotor zum Stillstand bringen würde, und dann käme der Rotor zum Stillstand. Hilfe zu A5: Der Begriff CO 2 -neutral ist nicht glücklich gewählt. Man meint damit nicht, dass kein CO 2 frei wird, sondern dass die CO 2 -Bilanz im längeren Schnitt ausgeglichen ist. Beim Verbrennen wird CO 2 frei, beim Wachsen von Pflanzen wird CO 2 gebunden. Wenn in einer bestimmten Zeit genauso viele Pflanzen nachwachsen, wie man verbrannt hat, dann ist die CO 2 -Bilanz ausgeglichen. Das nennt man dann CO 2 -neutral. Warum ist das Verbrennen fossiler Stoffe nicht CO 2 -neutral? Öl, Gas und Kohle sind zwar letztlich auch aus Biomasse entstanden, aber dieser Prozess hat viele Millionen Jahre gedauert. Bis zum Beispiel wieder Erdöl „nachwächst“, gibt es vielleicht gar keine Menschen mehr. Deshalb produziert dessen Verbrennung einen momentanen CO 2 -Überschuss. 33 Welle und Teilchen Hilfe zu A1: Ein Schatten entsteht dort, wo kein direktes Sonnenlicht hinfällt. Ist dieser Schatten völlig schwarz? Das wäre ohne Erdatmosphäre so. Der blaue Teil des Sonnenlichts wird aber von dieser durch Streuung verteilt (und zwar wesentlich stärker als der rote), und deshalb ist der Himmel blau. Der Schnee im direkten Sonnenlicht hat natürlich die Farbe der Sonne, ist also gelblich bis weiß. Den Schnee im Schatten erreicht kein direktes Sonnenlicht, aber er wird indirekt vom Himmel beleuchtet. Die Antwort lautet daher: Der Schatten ist blau. Hilfe zu A2: Bei der Ausbreitung von Licht ist in diesem Fall die Energie nicht kontinuierlich über den Raum verteilt, sondern in einer endlichen Zahl von Energiequanten lokalisiert. Licht ist also ein Strom von Energiepaketen. Bei gleicher Frequenz bedeutet intensiveres Licht das Auftreten von mehr Lichtquanten pro Zeiteinheit (Abb. 19). Abb. 19: Licht mit geringerer (a) und höherer (b) Intensität im Teilchenmodell Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv