2 Physik Mašin | Grois | Glaeser verstehen PHYSIK verstehen
Physik verstehen 2, Schulbuch + E-Book Schulbuchnummer: 215261 Physik verstehen 2, Schulbuch E-Book Solo Schulbuchnummer: 215263 Mit Bescheid des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Forschung vom 10. Oktober 2023, GZ 20220.734.278, gemäß § 14 Abs. 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBl. Nr. 472/86, und gemäß den derzeit geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch für die 2. Klasse an Mittelschulen im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2023) und für die 2. Klasse an allgemein bildenden höheren Schulen – Unterstufe im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2023) geeignet erklärt. Dieses Werk wurde auf der Grundlage eines zielorientierten Lehrplans verfasst. Konkretisierung, Gewichtung und Umsetzung der Inhalte erfolgen durch die Lehrerinnen und Lehrer. Liebe Schülerin, lieber Schüler, du bekommst dieses Schulbuch von der Republik Österreich für deine Ausbildung. Bücher helfen nicht nur beim Lernen, sondern sind auch Freunde fürs Leben. Kopierverbot Wir weisen darauf hin, dass das Kopieren zum Schulgebrauch aus diesem Buch verboten ist – § 42 Abs. 6 Urheberrechtsgesetz: „Die Befugnis zur Vervielfältigung zum eigenen Schulgebrauch gilt nicht für Werke, die ihrer Beschaffenheit und Bezeichnung nach zum Schul- oder Unterrichtsgebrauch bestimmt sind.“ Das Schulbuch verwendet Ideen für Unterrichtskonzeptionen (Text und Abbildungen) aus diesen Quellen: Alle Kapitel: H. Schecker, Th. Wilhelm, M. Hopf & R. Duit (Hrsg., 2018). Schülervorstellungen und Physikunterricht. Heidelberg: Springer Spektrum; Th. Wilhelm, H. Schecker & M. Hopf (Hrsg., 2021). Unterrichtskonzeptionen für den Physikunterricht. Heidelberg: Springer Spektrum Kapitel 3–5 (Frankfurt/Grazer-Optikkonzeption): C. Haagen-Schützenhöfer, I. Fehringer, J. Rottensteiner, J. Pürmayer. Optik für die Sekundarstufe I. https://physik.unigraz.at/de/fachbereich-physikdidaktik-und-fdz-physik/forschen/forschungs-und-entwicklungsprojekte/das-optikprojekt/ (Abgerufen am 28.09.2021) Umschlagbild: Andy119 / Shutterstock Illustrationen: Matthias Pflügner, Berlin: 8.4; 9.3; 10.3; 10.6; 11.2; 12.2; 14.4; 15.5; 18.3; 19.2; 19.15; 22.2; 22.6; 23.2; 24.3; 25.4; 25.5; 25.7; 26.3; 27.3; 28.2; 29.3; 35.4; 36.1; 38.3; 38.4; 39.4; 40.4; 40.5; 41.2; 42.1; 42.7; 42.8; 42.9; 43.4; 46.1; 48.4; 49.3; 50.4; 55.1; 55.2; 55.5; 56.2; 57.2; 58.4; 59.4; 60.1; 60.3; 61.4; 62.5; 65.1; 65.2; 66.4; 67.4; 69.4; 70.2; 70.6; 71.6; 72.5; 73.4; 74.3; 75.5; 76.1; 78.2; 80.4; 82.3; 83.5; 86.3; 87.4; 94.1 Technische Zeichnungen: Arnold & Domnick, Leipzig: 8.5; 10.2; 18.7; 19.11; 20.2; 20.3; 20.4; 20.5; 25.8; 21.1; 22.7; 23.5; 26.1; 26.4; 27.1; 27.2; 27.4; 27.5; 27.8; 28.4; 31.4; 31.6; 33.1; 33.2; 37.1; 37.2; 37.3; 40.7; 41.5; 42.3; 43.1; 43.6; 45.2; 45.5; 46.2; 46.5; 47.1; 48.3; 49.2; 50.2; 50.5; 51.1a; 51.5; 51.6; 54.1; 54.2; 55.3; 55.4; 57.7; 58.5; 59.1; 59.2; 61.2; 61.6; 63.1; 63.3; 63.7; 64.2; 64.5; 66.7; 68.4; 69.3; 70.5; 72.7; 72.8; 73.3; 73.6; 74.4; 74.6; 75.1; 75.7; 75.8; 76.7; 77.1; 78.1; 78.5; 78.6; 79.1; 79.4; 80.3; 81.3; 82.4; 82.5; 82.6; 83.2; 84.4; 86.7; 86.8; 87.2; 87.5; 89.1; 89.4; 90.3; 90.4; 90.5; 92.1; 94.2 1. Auflage (Druck 0001) © Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2024 www.oebv.at Alle Rechte vorbehalten. Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, gesetzlich verboten. Redaktion: Sandra Nemecek, Wien Herstellung: Harald Waiss, Wien Umschlaggestaltung: Power-Design Thing GmbH, Berlin Layout: Power-Design Thing GmbH, Berlin Satz: Arnold & Domnick, Leipzig Druck: Ferdinand Berger & Söhne Ges.m.b.H., Horn ISBN 978-3-209-12319-0 (Physik verstehen 2, Schulbuch + E-Book) ISBN 978-3-209-12870-6 (Physik verstehen 2, Schulbuch E-Book Solo) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Physik verstehen 2 Christian Mašin Gerald Grois Pia Glaeser www.oebv.at Hol dir die Quiz-App zum Schulbuch im App-Store (iOS) oder Google Play-Store (Android)! Wähle in der App dein Buch aus, gib den Gratis-Code phv2 ein und los geht’s! www.esquirrel.at Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
2 Die Welt, in der wir uns bewegen 1! Wie arbeite ich mit diesem Buch? Liebe Schülerin, lieber Schüler! In diesem Schuljahr lernst du vielleicht zum ersten Mal in deiner Schulzeit das Fach „Physik“ genauer kennen. Wahrscheinlich kennst du aber bereits ein paar interessante Versuche und Vorgänge aus dem großen Gebiet der Naturwissenschaften – sei es von deiner Familie, aus der Volksschule oder aus den Medien. Dieses Buch soll dir helfen, tiefer in die spannende Welt der Physik einzutauchen. Wir wünschen dir und deiner Lehrerin oder deinem Lehrer viel Vergnügen beim Physikunterricht! Auf dieser Doppelseite zeigen wir dir, wie das Schulbuch aufgebaut ist. Dein Schulbuch hat fünf große Kapitel (zB „Vom Schall und vom Hören“). Jede Doppelseite behandelt ein Thema (zB „Wie sich der Schall ausbreitet“). 24 25 Vom Schall und vom Hören 2 Arbeitsheftseiten 12–13 Wie sich der Schall ausbreitet Wie überträgt die Luft den Schall? Noah und Milena hören eine Lautsprecherdurchsage am Bahnsteig. Sie überlegen: „Wie bringt die Luft den Ton zu unseren Ohren?“ (Abb. 24.1). Besprecht eure Vorstellungen in der Gruppe. Stellt eure Ergebnisse einer anderen Gruppe vor. Eure Vorstellungen könnt ihr mithilfe eines Versuchs überprüfen. Die bewegte Flamme (Abb. 24.2) Verwendet diese Materialien: Kerze mit Kerzenständer (und Feuerzeug), großer Topfdeckel oder runde Backform (Torte, Pizza), Kochlöffel (Holz). Entzündet die Kerze. Haltet den Topfdeckel gerade neben die Kerze. Schlagt mit dem Kochlöffel mittig auf den Topfdeckel. Was geschieht mit der Kerzenflamme? Durch den Schlag schwingt der Topfdeckel hin und her. Er ist der Schallsender ( Seiten 22–23). Um den Schallsender entstehen Verdichtungen und Verdünnungen der Luft. Im Teilchenmodell ( Seite 18) können wir uns das so vorstellen (Abb. 24.3): Durch das hin und her Schwingen des Schallsenders haben die Luftteilchen abwechselnd mehr oder weniger Platz. Sie rücken enger zusammen (Verdichtung) oder weiter auseinander (Verdünnung). Dabei entsteht eine Druckwelle, die wir Schallwelle nennen. Die Schallwelle breitet sich in der Luft in alle Richtungen aus (Abb. 24.4). Sie gelangt zur Kerzenflamme und bewegt diese. Die Schallwelle gelangt auch zu deinem Ohr, dem Schallempfänger. Dort bringt sie das Trommelfell zum Schwingen, du hörst einen Ton. Die Luftteilchen selbst bewegen sich nicht weit durch den Raum. Sie schwingen nur hin und her und geben die Schwingungen durch Stöße an benachbarte Luftteilchen weiter ( Seite 19). Luftteilchen, die sich weit durch den Raum bewegen, würdest du als Wind bezeichnen. Die Luft ist hier das Medium für die Schallwelle. Ein Medium ist ein Material, das Teilchenschwingungen weitergeben kann. Ohne Medium gibt es keine Schallwellen (Abb. 24.6)! Mate schaut sich einen Film an: Ein Raumschiff explodiert laut im Weltall. „So ein Blödsinn!“, sagt Mate. Was meint er damit? 24.1 Weshalb hören Noah und Milena die Durchsage aus dem Lautsprecher? Wie leitet die Luft Schall weiter? A1 V1 24.2 Die bewegte Flamme 24.3 Darstellung im Teilchenmodell: Schallwellen sind Verdichtungen und Verdünnungen der Luft. Bei Verdichtungen sind die Luftteilchen enger beieinander als bei Verdünnungen. 24.4 Schallwellen breiten sich in alle Richtungen aus. Verdünnung Verdichtung Ein Schallsender erzeugt Schallwellen. Das sind Verdichtungen und Verdünnungen der Luft. Diese Schwingungen der Luftteilchen werden in alle Richtungen weitergegeben. M Verdichtung Verdünnung A2 24.6 Ohne Luft können wir das Klingeln der Glocke nicht hören. luftleerer Raum (Vakuum) 24.5 Informationen an der Haltestelle sind für alle zu hören. La utsprecher fü r Informationen Wie schnell kann sich Schall ausbreiten? Schall durch den Schlauch (Abb. 25.1) Nimm eine Schlauchrolle von 50 m Länge. Befestige an einer Öffnung einen Trichter zum Hören. Halte den Trichter an ein Ohr. Sprich in die andere Öffnung einen kräftigen kurzen Laut und horche. Kannst du die Zeitspanne zwischen Sprechen und Hören mit einer Stoppuhr messen? Der Schall legt in der Luft bei etwa 20 °C etwa 340 Meter in einer Sekunde zurück. Du kannst bei einem Gewitter die Sekunden zwischen Blitz und Donner zählen. Drei Sekunden Unterschied entsprechen etwa 1 km Entfernung (Abb. 25.2). Das Schnurtelefon (Abb. 25.3) Verbinde zwei Jogurtbecher mit einer längeren Schnur. Du kannst für die Befestigung zB Zahnstocher verwenden. Bei gespannter Schnur könnt ihr euch leise unterhalten. Erkläre, wie hier der Schall übertragen wird. Beim Sprechen in den Becher werden die Schallschwingungen über die Schnur weitergegeben und auf den zweiten Becher übertragen. Obwohl leise gesprochen wird, ist alles gut zu verstehen. Wie kommt der Ton um die Ecke? Amir und Dario befinden sich in zwei Zimmern, die um die Ecke liegen. Sie unterhalten sich laut. Obwohl der Schall nicht direkt zu ihren Ohren gelangt, können sie sich gut verstehen. Wie lässt sich das erklären? Ein Ton ändert seine Richtung (Abb. 25.4) Polstere einen Kübel (10 Liter) 10 cm hoch mit Küchenrollenpapier aus. Lege darauf ein Handy mit leisem Klingelton. Versuche mit einem Backblech den Ton aus dem Kübel zu anderen Personen zu lenken. Der Ton aus dem Kübel wird vom Backblech zurückgeworfen („reflektiert“). In Zimmern wird der Schall zB von den Wänden reflektiert. Im Gebirge wird der Schall an Bergwänden reflektiert. Das nennen wir „Echo“ (Abb. 25.5). Dazu muss die Wand mehr als 34 Meter entfernt sein. Beschreibe deiner Sitznachbarin oder deinem Sitznachbarn, wie ein Echo entsteht. Achte dabei auf die Verwendung physikalischer Fachbegriffe. V2 25.1 Schall durch den Schlauch 25.2 Das Licht ist viel schneller als der Schall. Daher hörst du den Donner 3 Sekunden pro km später, als du den Blitz siehst. V3 gespannte Schnur (z B 5 m) Jogurtbecher 25.3 Das Schnurtelefon Die Schallgeschwindigkeit in der Luft beträgt etwa 340 Meter pro Sekunde. In Flüssigkeiten und Feststoffen ist sie größer. M Infobox: Schallgeschwindigkeit bei 20 °C: in Luft … 343 m __ s in Helium (Ballongas) … 981 m __ s in Wasser … 1 484 m __ s in Holz … etwa 3 300 m __ s V4 A3 Schall wird von Gegenständen oder Wänden zurückgeworfen (reflektiert). M 25.4 Ein Ton ändert seine Richtung ausgesendete Schallwellen reflektierte Schallwellen 25.5 Bei einem Echo werden Schallwellen zurückgeworfen („reflektiert“). Die Schallwellen sind vereinfacht dargestellt. XII XI X IX VIII VII VI V IV III II I 25.6 In festen Materialien ist der Schall schneller als in Luft. Film y8222y Zusatzmaterial yh54pc Christian Mašin, Pia Glaeser, Gerald Grois Erklärungen zu den Ergebnissen der Versuche und weitere Inhalte stehen im Text. Infoboxen liefern zusätzliche Informationen oder wiederholen wichtige Begriffe. Jedes Thema ist durch Fragen gegliedert. Physikerinnen und Physiker stellen Fragen an die Natur und versuchen, sie durch Versuche und logisches Denken zu beantworten. Versuche helfen beim Beantworten der Fragen an die Natur. Die Versuche sind oft einfach durchzuführen, ob im Unterricht oder zu Hause. Physik ohne Versuche funktioniert nicht! Versuche für Lehrerinnen und Lehrer sind mit LV gekennzeichnet. Arbeitsaufgaben fordern dich auf, über zB deine Versuche nachzudenken, sie festzuhalten, auszuwerten oder zu deuten. Manchmal ist es notwendig, Informationen zu suchen, die nicht in deinem Schulbuch stehen. Hier findest du Verweise auf das Arbeitsheft oder auf digitales Zusatzmaterial. Merktexte fassen die Informationen kurz zusammen. So weißt du, was wichtig ist. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
3 20 21 Physik in unserem Leben Das kann ich! 1 A1 Zu welchem Teilbereich der Physik passt dieser Gegenstand am besten? Kreuze an. Kannst du deine Auswahl erklären? Bohrmaschine Mechanik Akustik Atomphysik Elektrizität Strömungslehre Klavier Strömungslehre Astronomie Magnetismus Akustik Mechanik A2 Zu welchen 3 Teilbereichen der Physik kannst du dieses Bild am besten zuordnen? Kannst du deine Auswahl erklären? Mechanik Akustik Atomphysik Elektrizität Strömungslehre Astronomie Magnetismus Optik Wärmelehre A3 Wie viel ml Wasser sind in den Messgläsern? ml ml ml ml A4 a) Fülle die beiden Messgläser mit je 220 ml Wasser. b) Du benötigst 0,5 l Wasser, hast aber nur diese Messgläser. Wie könntest du die benötigte Menge abfüllen? A5 Wie viel cm³ beträgt das Volumen des Steins? Ein Teilstrich auf dem Messglas bedeutet ml (cm³). Das Volumen des Steins beträgt cm³. 200 100 30 20 10 200 100 30 20 10 2 1 60 40 20 2 1 200 100 300 200 100 200 100 200 100 200 100 30 20 10 30 20 10 A6 Der Becherkuchen: Wie viel Gramm Zutaten benötigst du? Ein Becher dient als Messgefäß für dieses Kuchenrezept. Gib den Sauerrahm in eine Schüssel – du brauchst ihn später. Wasche den Sauerrahmbecher aus und trockne ihn ab. Dann kannst du ihn als Messbecher für die anderen Zutaten verwenden. Wiege mit einer Küchenwaage die verschiedenen Zutaten ab. Nicht vergessen: Waage auf „Null“ stellen (= „tarieren“), nachdem du ein Gefäß darauf gestellt hast. Zutaten Bechermaß (B) in Gramm (g) Zutaten Bechermaß (B) in Gramm (g) 1 B Sauerrahm 3 _ 4 B Schokoraspeln 1 B geriebene Mandeln/Nüsse 4 Eier 1 B Mehl (universal) 2 Packungen Vanillezucker 3 _ 4 B Zucker 1 Packung Backpulver 1 _ 2 B Öl Eine Kastenform mit Butter einfetten und bemehlen (etwa 1 Esslöffel Mehl gleichmäßig in der Form verteilen). Das Backrohr auf 180 °C Ober /Unterhitze vorheizen. Die Eier mit dem Mixer in einer großen Rührschüssel verrühren (Eierschalen für V1 aufheben). Zucker, Vanillezucker und Öl hinzufügen. Die Zutaten gründlich miteinander verrühren. Geriebene Mandeln/Nüsse und Sauerrahm unterrühren. Die Schokoraspeln mit dem Teig verrühren. Anschließend das Mehl und das Backpulver einrühren. Den Teig in die Kastenform füllen und 40 Minuten backen. Wenn der Kuchen fertig ist, kannst du ihn mit einer Schokoladeglasur überziehen und verzieren. Tipp: Mit einem Schaschlikspieß kannst du testen, ob der Kuchen fertig gebacken ist. Wenn du in den Kuchen stichst und keine Teigreste hängen bleiben, dann ist der Kuchen fertig. Wie viel kg tragen Eierschalen? Material: Küchenwaage (oder Personenwaage), 4 Eier ( A6), Klebeband, Schere, Küchenbrett, Bücher, Konservendosen … Halbiere 4 Eier und wasche die Eierschalen aus. Verwende die 4 schönsten Schalenhälften. Verstärke die Bruchlinie mit Klebeband. Schneide die hervorstehenden Schalen mit der Schere gerade. Lege ein Brett oder ein Buch mit hartem Einband auf die 4 Schalenhälften. Setze auf diese Unterlage nacheinander weitere Bücher, Konservendosen … Wie viel kg hast du auf die 4 Schalenhälften gelegt, bevor sie einbrechen? Miss die Last mit der Waage. Wie viel Last hält daher eine einzige Schalenhälfte aus? Mach ein Foto von deinem Versuch. Halte den Versuch in deinem Physikheft fest. A7 Wissenschaftliche Aussagen werden durch Experimente gestützt. Die Ergebnisse werden zB durch Behörden oder Universitäten veröffentlicht. Aussagen von Einzelpersonen auf zB privaten Internetseiten oder auf Social Media können auch nicht wissenschaftlich sein. Aluna und Alex chatten miteinander. Überlege, welche Aussagen deiner Ansicht nach wissenschaftlich sind und welche nicht. Notiere deine Überlegungen im Physikheft. 4x V1 Aluna Mein Papa meint, dass die Wäsche besonders weiß wird, wenn man sie bei Vollmond wäscht. Das hört sich logisch an. Aluna Nein, die Wäsche trocknet bei uns im Keller. Da gibt es nicht mal Fenster. Alex Interessant! Habt ihr einen Balkon, damit ihr die gewaschene Wäsche draußen trocknen könnt? Alex Hm, woher „weiß“ die Wäsche dann, dass Vollmond ist? Die Aussage von deinem Papa müsste man doch überprüfen können … Alle Aufgaben in diesem Buch sind mit einem dreieckigen Zeichen markiert. Damit weißt du auf einen Blick, um welche Aufgabenart es sich handelt. Wenn du die Aufgaben löst, kannst du selbst überprüfen, was du gut beherrschst und wobei du dir noch schwertust. Aufgaben mit diesem Zeichen helfen dir, dein Fachwissen anzuwenden, zu erweitern und zu kommunizieren. Bei diesen Aufgaben sollst du Vermutungen aufstellen und Versuche planen, durchführen, festhalten und auswerten. Diese Aufgaben fordern dich auf, dir eine eigene fachlich begründete Meinung zu bilden, neue Informationen kritisch zu bewerten und verantwortungsbewusste Entscheidungen zu treffen. Am Ende eines Abschnittes findest du eine Doppelseite „Das kann ich!“ Diese Seiten helfen dir, den Lernstoff zu wiederholen und zu üben. Du kannst auch Neues zu den einzelnen Inhalten erforschen und entdecken. 16 17 Physik in unserem Leben 1 Physik im Alltag Was ist „1 Kilogramm“? Wir spüren die Masse eines Gegenstandes als das Gewicht, das diesen Gegenstand zur Erde zieht. Die Masse wird in Kilogramm (kg) oder Gramm (g) angegeben. Dabei gilt: 1 kg = 1 000 g. Andere Massenmaße sind: 1 Tonne (1 t = 1 000 kg), 1 Dekagramm (1 dag = 10 g), 1 Milligramm (1 mg = 0,001 g). 1 Kilogramm ist die Masse, die 1 Liter kaltes Wasser (bei 4 °C) besitzt. Diese Angabe eignet sich gut zum Vergleichen von Massen auf der ganzen Welt (Abb. 16.1). Damit man ein genaueres Vergleichsstück für Massen hat, wurde 1889 in Paris ein Metallzylinder hergestellt. Dieses „Urkilogramm“ wurde 2019 durch eine Kugel aus Silicium ersetzt, die genau 1 kg Masse besitzt (Abb. 16.2). Von diesem „Kilogrammprototyp“ werden viele Kopien gemacht. Damit können Waagen genau eingestellt („geeicht“) werden. 16.1 Diese Metallstücke haben alle eine Masse von 1 Kilogramm – wie 1 Liter Wasser. Kupfer Bismut Silber Eisen Titan Aluminium Wolfram Gold 16.2 Der neue (links) und der alte (rechts) Kilogrammprototyp Wann messen wir daheim die Masse? Die Geräte zur Messung der Masse nennen wir „Waagen“. Bei den meisten üblichen Waagen wird durch das Gewicht eines Massenstücks eine Stahlfeder zusammengedrückt oder auseinandergezogen. Bei einer mechanischen Waage wird ein Zeiger bewegt. Bei einer elektronischen Waage wird eine Digitalanzeige gesteuert. Auf einer Personenwaage musst du ruhig stehen, damit sie deine Masse richtig anzeigt. Bewegst du dich, so wird die Stahlfeder mehr oder weniger gedrückt. Zu Hause verwendest du auch Küchenwaagen zum Abwägen von Lebensmitteln (Abb. 16.3) und vielleicht Kofferwaagen für das Reisegepäck. Für wertvolle Materialien (Gold, Edelsteine …) oder Medikamente werden besonders genaue „Feinwaagen“ verwendet (Abb. 16.4). 16.3 Der Schinken auf der alten Küchenwaage hat eine Masse von 1735 g. 16.4 Die Goldmünze auf der Feinwaage hat eine Masse von 13,97g. Was bedeutet „Dichte eines Stoffes“? Es gibt Materialien („Stoffe“) die sich schwer anfühlen, zB Blei oder Gold. Manche Materialien fühlen sich sehr leicht an, zB Schaumstoff oder Kork. Diese Materialeigenschaft nennen wir „Dichte“. Die Dichte wird mit dem griechischen Buchstaben (rho) abgekürzt. Der Wert einer Dichteangabe in „Gramm pro Kubikzentimeter“ ( g ___ cm³ ) sagt dir, wie viel g ein cm³ eines Materials misst ( Tabelle, Seite 93). Die Dichte von Eisen beträgt zB 7,87 g ___ cm³ . 1 cm³ Eisen hat also eine Masse von 7,87g. Kaufst du zB etwa 1 dm³ Eisennägel, so musst du mehr als 7kg nach Hause tragen. 1 m³ Eisen hat bereits eine Masse von über 7t. Kupfer Styropor 17.3 Kupfer hat eine größere Dichte als Schaumstoff („Styropor“). Die beiden Quader sind genau gleich groß. 17.4 Die Masse zweier 1 cm³-Würfel: Überlege, welche Metalle hier liegen. Vergleiche mit der Tabelle auf Seite 93. Was ist eine „Balkenwaage“? Auf einer Balkenwaage liegen oder hängen zwei Waagschalen auf einem Balken (Abb. 17.1). Der Balken ist in der Mitte drehbar gelagert. Ein Zeiger in der Mitte des Balkens zeigt dir an, ob der Balken gerade steht – „in der Waage ist“. Auf einer Balkenwaage kannst du eine Masse mit Wägestücken vergleichen (Abb. 17.2). Diese Vergleichsmassen sind sehr genau hergestellt. Ihre Vorlage ist der Kilogrammprototyp (Abb. 16.2). Wenn der Balken bei leeren Waagschalen nicht gerade steht, musst du die Waage „tarieren“ (ins Gleichgewicht bringen). Du gibst zB solange Steinchen in die höhere Waagschale, bis der Balken „in der Waage ist“. Das machst du auch, wenn du ein Gefäß benötigst. Vergleichen von Massen mit der Balkenwaage: • Lege den Gegenstand in die leere Waagschale. • Lege nacheinander Wägestücke in die zweite Waagschale. Fange mit den größten Wägestücken an. Zähle die Gramm zusammen, die du aufgelegt hast. 17.2 Unterschiedliche Wägestücke (1 g bis 500 g) 17.1 Auf einer Balkenwaage werden Massen miteinander verglichen. Wie viel ist drin? Auf Lebensmittelverpackungen ist die Masse des Inhalts immer angegeben. Überprüfe mit einer Küchenwaage, ob die Angaben zB bei Reis, Mehl, Zucker, Salz … stimmen. Wie viel g sind etwa • 1 Teelöffel Salz? • 1 Esslöffel Zucker? • 1 Kaffeetasse Mehl? Warum können diese Angaben in Rezepten sehr unterschiedlich sein? V1 A1 Drück die Waage! Miss auf einer Personenwaage deine Masse als Vergleich. Kannst du auf andere Arten die Stahlfeder in der Waage zusammendrücken wie das Gewicht deiner Masse es kann? Vorschläge: • Drückt zu zweit, • mit beiden Händen, • zwischen den Knien … Warum ist die Angabe in kg bei diesen Messungen falsch? V2 A2 Massen auf der Balkenwaage Bestimme mit einer Balkenwaage die Masse von verschiedenen Gegenständen. Überprüfe dein Messergebnis mit einer Digitalwaage. Wahrscheinlich sind die Messergebnisse der Balkenwaage und der Digitalwaage nicht gleich. Warum könnte das so sein? Welche Ergebnisse sind deiner Ansicht nach verlässlicher? V3 A3 20 g + 20 g + 5 g + 2 g = 47 g Die Schwimmprobe Wasser hat eine Dichte von etwa 1 g ___ cm³ . Ein Material, das auf Wasser schwimmt, hat eine geringere Dichte. Ein Material, das sinkt, hat eine größere Dichte. Teste aus und finde fünf Materialien mit geringerer und fünf Materialien mit größerer Dichte als 1 g ___ cm³ . Warum dürfen die getesteten Gegenstände nicht aus mehreren Materialien bestehen oder Hohlräume enthalten? Erkläre. V4 A4 Wir messen Masse Arbeitsheftseite 7 Die Sonderseiten „Physik im Alltag“ bringen dir Gegenstände und Vorgänge des täglichen Lebens näher. Android iOS QuickMedia App 1. Scanne den QR-Code und lade die App auf dein Smartphone oder Tablet. 2. Scanne deinen Buchumschlag oder wähle dein Schulbuch in der App- Medienliste aus. 3. Scanne eine mit gekennzeichnete Buchseite oder wähle zB ein Video aus der App-Medienliste aus. 4. Spiele das Video ab. www.oebv.at 1. Webseite aufrufen Im Schulbuch eingedruckter Code kostenloses Zusatzmaterial Ó Zusatzmaterial y7qr6w • zahlreiche Arbeitsblätter • Versuchsfilme • Animationen Online-Code/Fach/ISBN 2. Gib den Code in das Suchfeld ein. Digitales Zusatzmaterial Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
4 1I Physik in unserem Leben Wofür wir Physik brauchen 6 Experimentieren und beobachten 8 Experimente und ihre Auswertung 10 Wenn du ein Experiment veränderst 12 Messen ist wichtig 14 Physik im Alltag: Wir messen Masse 16 Modelle helfen beim Beschreiben der Natur 18 Das kann ich! 20 Vom Schall und vom Hören Wie wir Geräusche und Töne hören können 22 Wie sich der Schall ausbreitet 24 Wie hohe und tiefe Töne entstehen 26 Wie laute und leise Töne entstehen 28 Physik im Alltag: Musikinstrumente sind besondere Schallsender 30 Physik im Alltag: Wissenswertes über Schall 32 Physik im Alltag: Über das Hören im Straßenverkehr 34 Das kann ich! 36 Vom Licht und vom Sehen Licht macht Vieles sichtbar 38 Über die Lichtausbreitung 40 Geradlinige Lichtausbreitung – Die Lochkamera 42 Physik im Alltag: Wenn dir ein Licht aufgeht 44 Das kann ich! 46 Licht und Schatten 48 Physik im Alltag: Schatten im Weltall 50 Physik im Alltag: Berufe, die sich mit Lichtausbreitung beschäftigen 52 Das kann ich! 54 4.3 Bei einem Klavier werden Saiten angeschlagen. 4.2 Bei einer Orgel hörst du schwingende Luft. 4.1 Die Spieldose erzeugt unterschiedliche Töne. 1 2 3 Inhaltsverzeichnis Gerald Grois und Christian Mašin Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
5 Der Lichtweg wird verändert Wenn Licht abgelenkt wird 56 Das Reflexionsgesetz an glatten Flächen 58 Bilder am ebenen Spiegel 60 Physik im Alltag: Gebogene Spiegel 62 Das kann ich! 64 Wenn Licht „bricht“ 66 Wenn Licht „total“ reflektiert wird 68 Der Lichtweg bei optischen Linsen 70 Wie Bilder an Linsen entstehen 72 Fotoapparat und Auge 74 Physik im Alltag: Optische Geräte 76 Das kann ich! 78 Die Farben und das Licht Licht besteht aus Lichtfarben 80 Spektralfarben in der Natur 82 Wie die Farben von Gegenständen entstehen 84 Wir überlagern Lichtfarben und Farbstoffe 86 Physik im Alltag: Gefährliches und Erstaunliches vom Licht 88 Das kann ich! 90 Tabellen 92 Register 95 5.3 Durch Gegenstände aus Glas kannst du nicht immer gut durchsehen. 5.2 Eine Lupe erzeugt Bilder aus Licht. 5.1 Die glatte Wasseroberfläche wirft Licht zurück. 4 5.4 Straßenlampen sorgen für Sicherheit im Verkehr. 5.5 Licht besteht aus vielen Farben. 5 Pia Glaeser Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
6 1 Wofür wir Physik brauchen Physik in unserem Leben Womit beschäftigt sich die Physik? Warum höre ich jemanden rufen, der um die Ecke steht? Wie finden Fledermäuse ihren Weg im Dunklen? Warum sehe ich einen Blitz, bevor ich den Donner höre? Wie entsteht ein Schatten und was hat dieser mit einer Mondfinsternis zu tun? Warum gibt es Farben? Mithilfe der Physik versuchen wir, solche Fragen zu beantworten. Durch genaues Beobachten der Umwelt können wir natürliche Zusammenhänge erkennen. Diese Zusammenhänge bezeichnen wir als „Naturgesetze“. Die Physik ist eine Naturwissenschaft. Experimente (Versuche) helfen uns beim Beobachten und Verstehen. Sie werden oft mehrere Male wiederholt und auch ein wenig verändert. Durch die Ergebnisse der Experimente verstehen wir physikalische Vorgänge besser. Das physikalische Wissen über Naturgesetze ist sehr groß. Es gibt viele spezielle Teilbereiche der Physik und dazugehörige Spezialistinnen und Spezialisten. Die Bilder auf dieser Seite zeigen dir einige dieser Teilbereiche. Blättere durch eine Zeitschrift oder eine Zeitung. Findest du Bilder, die etwas mit Physik zu tun haben? Schneide sie aus und sammle sie. Zu welchen Teilbereichen passen deine Bilder? Beschrifte sie. Überlege, ob du heute Videos gesehen oder Podcasts gehört hast, in denen Physik vorkam. Welche Teilbereiche der Physik, die auf dieser Buchseite angegeben werden, wurden behandelt? Überlege, welche Bedeutung die Physik für deinen Alltag hat. Was wäre ohne die Physik nicht möglich? Besprich deine Ideen mit deiner Sitznachbarin oder deinem Sitznachbarn. A1 A2 6.1 Akustik: über den Schall und das Hören 6.2 Optik: über das Licht, das Sehen und optische Geräte 6.3 Astronomie: über Planeten, Sterne und das Weltall 6.4 Magnetismus: über Magnete und ihre Wirkungen 6.5 Mechanik: über Kräfte und ihre Auswirkungen auf Gegenstände 6.6 Wärmelehre: über Temperatur und Veränderungen durch Wärme 6.7 Elektrizität: über den Strom und wofür wir ihn verwenden 6.8 Strömungslehre: über Bewegungen in Flüssigkeiten und Gasen 6.9 Atomphysik: über den Aufbau der Stoffe (Materialien) Arbeitsheftseite 4 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
7 Was wird in unserer Zeit erforscht? Wir wissen noch lange nicht alles über die Vorgänge in der Natur. Viele Frauen und Männer der ganzen Welt beschäftigen sich daher auch heute mit den Naturwissenschaften. Ille Gebeshuber (Abb. 7.1) und Florian Freistetter (Abb. 7.2) erzählen uns, warum sie sich mit Physik beschäftigen und was sie daran so begeistert. Wieso wollten Sie sich mit Naturwissenschaften beschäftigen? Frau Gebeshuber: Ich liebe Steine, Pflanzen und Tiere. Als Kind bin ich gerne in der Wiese gelegen. Dabei habe ich beobachtet, was da so wächst, rumkrabbelt und rumfliegt. Als Kind schaute ich auch sehr gerne in den Sternenhimmel. Ich war fasziniert davon und wollte alles kennenlernen. Herr Freistetter: Ich wollte verstehen, wie die Welt funktioniert. Warum fließt Wasser? Wie ist das Weltall entstanden? Wieso gibt es Berge? Die Welt ist voller Fragen und ich wollte unbedingt Antworten finden. Was wollen Sie über die Welt herausfinden? Frau Gebeshuber: Alles! Wie die Dinge zusammenhängen. Warum es Leben gibt. Was Leben überhaupt ist. Was das Leben am Leben erhält. Wo das Weltall endet. Was die Unendlichkeit ist. Herr Freistetter: Ich finde es am spannendsten darüber nachzudenken, wie all die unterschiedlichen Dinge zusammenhängen. Man kann weit in das Weltall hinausschauen und dabei etwas über unser Leben hier unten auf der Erde lernen. Man kann die unvorstellbar kleinsten Teilchen untersuchen, aus denen alles besteht. So kann man verstehen, warum die Sterne leuchten (Abb. 7.3). An welchem Forschungsthema arbeiten Sie? Frau Gebeshuber: Ich beschäftige mich mit der sogenannten Bionik, also mit dem Lernen von der belebten Natur für die Technik. Wie können wir Dinge herstellen, die uns und unsere Umwelt nicht belasten, sondern ihr nützen? Ganz besonders verzaubern mich in diesem Zusammenhang die wunderschönen Kieselalgen (Abb. 7.6) und Schmetterlingsflügel. Herr Freistetter: Früher habe ich die Planeten anderer Sterne erforscht. Heute beschäftige ich mich vor allem damit, wie man Wissenschaft so erklären kann, dass sie für alle Menschen verständlich ist. 7.1 Ille Gebeshuber, österreichische Physikerin und Autorin 7.2 Florian Freistetter, österreichischer Astronom, Autor und Wissenschaftskabarettist 7.3 Sterne am Nachthimmel – die Milchstraße 7.4 Kenntnisse der Optik sind wichtig für die Herstellung von guten Brillen. 7.5 Für die Herstellung von zB Headsets brauchen wir Kenntnisse aus Akustik und Elektrotechnik. 7.6 Solium exsculptum – Eine Kieselalge, die in kaltem Wasser ein „Haus aus Glas baut“. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
8 1 Arbeitsheftseite 5 Experimentieren und beobachten Wofür brauchen wir Experimente (Versuche)? Für ein besseres Verständnis von physikalischen Vorgängen helfen uns erklärende Versuche und genaue Beobachtungen (Abb. 8.1). Damit möglichst viele Menschen Physik verstehen können, probieren sie diese Versuche selber aus. Dafür brauchen sie genaue Anleitungen. Manchmal hast du nur eine Vermutung davon, wie etwas funktionieren könnte ( Seiten 10–11). Du kannst deine Vermutung mit Versuchen überprüfen. Diese forschenden Versuche wiederholst du und entwickelst sie weiter. Du führst Messungen durch und notierst sie. Dabei hilft dir ein Protokoll der einzelnen Schritte. Fotos oder Videos vom Versuch können ebenfalls helfen. Wie können Versuche gelingen? a) Die Planung: Lies die Versuchsanleitung genau durch. Welches Material und welche Geräte musst du vorbereiten (Abb. 8.2)? Benötigst du Handschuhe und Schutzbrille (Abb. 8.3)? Wie viel Platz wirst du brauchen? Wer übernimmt welche Aufgaben im Versuchsteam? Wie entsorgst du Abfälle richtig? b) Die Durchführung: Während du den Versuch machst, beobachtest du sehr genau. Du machst dir Notizen im Protokoll und fertigst vielleicht auch Skizzen, Fotos oder Videos an. Mit deinem Versuchsteam besprichst du die Ergebnisse. Gemeinsam überlegt ihr, wie ihr die Ergebnisse deuten könnt. Zum Schluss reinigst du die Geräte und deinen Arbeitsplatz. Welche Arten von Versuchen können wir unterscheiden? a) Der vollständig angeleitete Versuch: Luftballon am Spieß (Abb. 8.4) Material: kleiner Luftballon (und Pumpe), spitzer Holzspieß, Wachs Durchführung: • Blase den Luftballon nicht zu stark auf und knote ihn zu. • Wachse den Holzspieß etwas ein. Drehe die Spitze des Holzspießes durch den dunklen Gummi neben dem Knoten des Luftballons. • Führe die Spitze zur dunklen Stelle oben am Luftballon. Drehe sie langsam durch die dunkle Stelle. Erklärung: Der Luftballon platzt nicht, weil seine dunklen Stellen nicht gespannt sind. Die Luft bleibt im Luftballon, weil sich der Gummi dicht um den gewachsten Holzspieß legt. 8.1 Versuche helfen beim Verstehen von Vorgängen. 8.2 Der vorbereitete Versuchsplatz 8.3 Der Schutz des eigenen Körpers – besonders der Augen – ist sehr wichtig! Infobox: Das am längsten dauernde Experiment ist das „Pechtropfenexperiment“. Seit 1927 wird beobachtet, wie Pech durch einen Trichter „fließt“. Schau dir den Livestream im Internet an. V1 8.4 Luftballon am Spieß – Mache zu einem Versuch eine Skizze oder ein Foto. 8.5 Luftballons auf einem langen geölten Metallspieß 8.6 Der Gummi reißt, wenn eine gespannte Stelle angestochen wird. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
9 Physik in unserem Leben b) Beschreibe das Ergebnis eines vorgegebenen Versuchs: Ölige Tintentropfen (Abb. 9.1, Abb. 9.2) Material: Gurkenglas, Wasser, Speiseöl, volle Tintenpatrone, Nagel, ein Stück Küchenrollenpapier als Unterlage, Ölsammelbehälter Durchführung: • Arbeitet in Gruppen. Füllt das Gurkenglas zu zwei Drittel mit Wasser. • Gießt darauf eine etwa 3 cm hohe Schicht Speiseöl. • Öffnet die Tintenpatrone mit dem Nagel. Tropft Tinte auf die Ölschicht. Beobachtet genau, was mit den Tintentropfen passiert. Versucht, eure Beobachtungen mit Worten zu beschreiben. c) Entwickle einen Versuch, wenn der Forschungsauftrag und das Material bekannt sind: Finde einen Titel für den Versuch (Abb. 9.3) Material: Kerze, Streichhölzer oder Feuerzeug, feuerfeste Unterlage, feste Kunststoffflasche mit abgeschnittenem Boden, Gummihandschuh, Gummiring, Schutzbrille, Haargummi (für lange Haare) Forschungsauftrag: Arbeitet in Gruppen. Die brennende Kerze steht auf der feuerfesten Unterlage. Könnt ihr sie mit diesen Materialien aus etwa 1 m Entfernung löschen? Sicherheitshinweis: Achtet beim Umgang mit Feuer immer auf die Sicherheit! Es besteht Verbrennungs- und Verletzungsgefahr! Verfasst eine Anleitung für euren Versuch. d) Entwickle eigene Versuche zu einem vorgegebenen Thema: Viele Arten eine Kerzenflamme zu löschen (Abb. 9.6) Material: Verwende eine Schutzbrille (und einen Haargummi). Überlege dir selbst, welches Material du brauchen wirst. Forschungsauftrag: Finde heraus, auf wie viele Arten du eine Kerzenflamme löschen kannst. Versuche selbst eine Erklärung zu finden. Für die Entwicklung deiner Versuche hilft es dir sehr, wenn du ein ausführliches Protokoll schreibst ( Seiten 10–11, Abb. 9.4). Wenn ihr in Gruppen Versuche durchführt, unterstützt euch gegenseitig und helft einander. Wenn du dich bei einem Thema gut auskennst, dann teile dein Wissen mit anderen. Dadurch verstehst du das Thema noch besser und deine Mitschülerinnen und Mitschüler können von dir lernen. Auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten oft in Gruppen und unterstützen sich. Entsorgt den Abfall richtig: Küchenrollenpapier, fettiges Schreibpapier, Kerzenreste, gebrauchte Gummihandschuhe … gehören in den Restmüll. Sammelt Speiseöl in Ölsammelbehältern für den Mistplatz (Abb. 9.5). Reinigt die Arbeitstische mit Wasser und Spülmittel. V2 9.1 Ölige Tintentropfen – Aufbau und Beginn des Versuchs 9.2 Ölige Tintentropfen – Beobachte und beschreibe, wie sich die Tintentropfen verhalten. V3 Infobox: Küchenrollenpapier und Taschentücher können nicht recycelt werden und gehören daher in den Restmüll! 9.3 Kannst du mit diesen Materialien eine Kerze aus 1 m Entfernung löschen? V4 9.4 Ein gutes Protokoll ist wichtig! 9.5 Sammeln von Speiseölresten 9.6 Eine Kerzenflamme auszublasen ist die üblichste Art sie zu löschen. Film y7qr6w Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
10 1 Arbeitsheftseite 5 Experimente und ihre Auswertung Was sind „Hypothesen“ in der Wissenschaft? „Warum schlafe ich so schlecht?“, fragt sich Tante Olga. „Daran ist sicher nur der Vollmond schuld!“, meint sie. Das hat sie im Internet gelesen. Aber ist Tante Olgas Vermutung richtig (Abb. 10.1)? Tom überlegt, wie Tante Olga ihre Vermutung überprüfen könnte. Er hat eine Idee: „Tante Olga kann die Tage, an denen sie schlecht schläft, im Kalender eintragen. Dann kann sie überprüfen, ob sie recht hat.“ Gesagt, getan (Abb. 10.2). „Ich schlafe viel öfters schlecht, auch wenn kein Vollmond ist! Vielleicht brauche ich einfach eine neue Matratze?“, überlegt sie. „Und in Zukunft glaube ich nicht mehr jeden Quatsch im Internet!“ Überlegt gemeinsam in der Klasse, woran ihr eine verlässliche Internetquelle erkennen könnt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler möchten Fragen beantworten. Dazu stellen sie Vermutungen (Hypothesen) auf. Hypothesen versuchen, zB Beobachtungen verständlicher zu machen. Sie müssen überprüfbar sein. Mithilfe von Experimenten (Versuchen) können sie bestätigt werden. Manchmal stellt sich eine Hypothese durch Versuche als falsch heraus. Dann wird sie verändert, nochmals überprüft oder fallen gelassen – wie bei Tante Olga. Was bedeutet: „Versuche sind wiederholbar“? Versuche können nur dann eine Hypothese überprüfen, wenn sie „wiederholbar“ sind. Sie müssen überall auf der Welt die gleichen Ergebnisse liefern. Auch müssen sie von jeder Person durchführbar sein. Deshalb ist es auch wichtig, die Durchführung eines Versuchs und die Materialien genau zu beschreiben. Eva und Ursula haben untersucht, ob schwere Gegenstände schneller zu Boden fallen als leichte Gegenstände. Für diesen Versuch haben sie ein Protokoll in Form einer „Schritt-für-Schritt“-Anleitung geschrieben. So kann die ganze Klasse ihren Versuch wiederholen. Versuch V1: Wenn Gegenstände fallen Material: Stein, Kugelschreiber, Radiergummi, 2 Stück Notizzettel, Lineal Schritt 1: Wir ordnen die Gegenstände nach ihrem Gewicht: Stein – Kugelschreiber – Radiergummi – Notizzettel. Schritt 2: Die Zettel sind gleich schwer. Damit sie sich voneinander unterscheiden, knüllen wir einen zusammen. Schritt 3: Eine von uns nimmt immer zwei Gegenstände in die Hände und lässt sie gleichzeitig aus 30 cm Höhe auf den Tisch fallen. Die andere schaut genau, welcher Gegenstand zuerst aufkommt. Danach tauschen wir die Rollen und probieren alles noch einmal aus. Skizze: Ergebnis: Alle Gegenstände – bis auf den nicht zerknüllten Zettel – kommen gleichzeitig an. Erklärung: Es könnte sein, dass der nicht zerknüllte Zettel von der Luft aufgehalten wird (Abb. 10.4). Die anderen Gegenstände fallen gleich schnell zur Erde, egal wie schwer sie sind. 10.1 Vermutung: Tante Olga schläft bei Vollmond schlecht. Infobox: Der Mensch schreibt dem Vollmond viele „Eigenschaften“ zu. So sollen zB Weihnachtsbäume, die zu Vollmond gefällt werden, ihre Nadeln länger behalten können. Dies wurde durch Experimente widerlegt. 10.2 Mithilfe eines Kalenders kann Tante Olga ihre Vermutung überprüfen. Mai Juni Juli August September 1 So Mi Fr Mo Do 2 Mo Do Sa Di Fr 3 Di Fr So Mi Sa 4 Mi Sa Mo Do So 5 Do So Di Fr Mo 6 Fr Mo Mi Sa Di 7 Sa Di Do So Mi 8 So Mi Fr Mo Do 9 Mo Do Sa Di Fr 10 Di Fr So Mi Sa 11 Mi Sa Mo Do So 12 Do So Di Fr Mo 13 Fr Mo Mi Sa Di 14 Sa Di Do So Mi A1 Hypothesen sind wissenschaftliche Vermutungen. Sie versuchen, Beobachtungen verständlich zu machen. Hypothesen müssen durch Experimente (Versuche) bestätigt werden. M 10.3 Galileo Galilei erforschte die Natur durch Versuche und Messungen. 10.4 Papier wird durch die Luft aufgehalten und fällt langsamer als ein Stein. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
11 Physik in unserem Leben Wie können Versuche ausgewertet werden? Nico und Andrej würfeln. Wer schafft die höchste Augenzahl mit fünf Würfeln? Nach einiger Zeit ärgert sich Nico: „Du wirfst ständig so hohe Augenzahlen! Die Würfel sind sicher nicht in Ordnung!“ Nico weiß: Bei einem Würfel müsste jede Zahl gleich häufig gewürfelt werden. Die beiden beschließen, die Würfel zu untersuchen. „Wir könnten alle Würfel mit dem Lineal abmessen!“ Keine gute Idee, ein Lineal ist nicht das richtige Werkzeug dafür! „Ich hab’s: Am besten würfeln wir ganz oft. Und wir machen eine Strichliste, wie wir es in Mathe gelernt haben!“, meint Andrej. Gerechte Würfel? (Abb. 11.1 bis Abb. 11.5) Material: 5 gleiche Würfel, Notizzettel, Stift, (Pokerbrett) Messung: Wir würfeln mit 5 Würfeln und zählen die Augenzahlen nach 10 Würfen („10 Würfe“ bedeuten, dass jeder von uns einmal mit 5 Würfeln würfelt), 50 Würfen und 300 Würfen. Daten erfassen: Nach jedem Mal würfeln machen wir für jede Augenzahl Striche auf der Strichliste. Die gewürfelten Augenzahlen stellen wir in einem Säulendiagramm für 10, 50 und 300 Würfe dar. Die Mittelwerte geben an, wie oft die Augenzahlen auftreten sollten. Jede Augenzahl hat dieselbe Chance gewürfelt zu werden. Ergebnis: 10 Würfe: : 1 : 2 : 1 : 0 : 2 : 4 50 Würfe: : 10 : 9 : 4 : 5 : 7 : 15 300 Würfe: : 54 : 45 : 46 : 44 : 54 : 57 Wie lautete Nicos Hypothese (Vermutung) über die Würfel? Warum ist das Ergebnis nach 10 Würfen noch nicht aussagekräftig? Wie könnte man die Aussage der Untersuchung verbessern? Was kannst du aus dem Säulendiagramm (Abb. 11.4) ablesen? Was haben Nico und Andrej über ihre Würfel herausgefunden? Probiert die Untersuchung der beiden selbst aus. Ihr könnt auch ein Computerprogramm für die Auswertung der Daten verwenden. V2 11.1 Gerechte Würfel? – Warum hat Andrej mehr Glück als Nico? Sind die Würfel kaputt? 11.2 Gerechte Würfel? – Die Anzahl der Augenzahlen nach 10 Würfen 11.3 Gerechte Würfel? – Die Anzahl der Augenzahlen nach 50 Würfen 11.5 Gerechte Würfel? – Die Anzahl der Augenzahlen nach 300 Würfen Infobox: Du berechnest den Mittelwert, indem du die Summe aller Werte durch ihre Anzahl dividierst. A2 Zur Auswertung von Experimenten werden Messungen durchgeführt, Daten erfasst und diese zB in Diagrammen anschaulich dargestellt. M 11.4 Gerechte Würfel? – Die Anzahl der Augenzahlen und die Mittelwerte (MW) bei 10, 50 und 300 Würfen sind in einem Säulendiagramm dargestellt. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
12 1 Arbeitsheftseite 5 Wenn du ein Experiment veränderst Wie kann ich ein Experiment „kontrollieren“? In der Klasse von Ina und Kemal zeigt die Lehrerin ein einfaches Experiment. Sie stellt zwei Metallschalen auf den Tisch und hält einen Tischtennisball und einen Holzball darüber. „Welcher Ball springt höher, wenn ich beide gleichzeitig fallen lasse?“, fragt sie in die Klasse (Abb. 12.1). Alle sind sich einig: Natürlich der Tischtennisball! Doch dann ist alles anders: Der Holzball springt aus der Schale und der Tischtennisball bleibt in der Schale liegen. „Das ist ja unfair!“, ärgert sich Kemal. „In der Schale mit dem Tischtennisball ist Sand drinnen!“ Unter welchen Bedingungen muss das Experiment gemacht werden, damit ihr feststellen könnt, welcher Ball höher springt? Sammelt Ideen in kleinen Gruppen. Stellt danach das veränderte Experiment der Klasse vor. Warum ist euer Experiment „fair“? Erklärt eure Überlegungen. Bei vielen Experimenten kannst du die Versuchsbedingungen ändern. Die Versuchsbedingungen beeinflussen jedoch das Versuchsergebnis. Diese veränderlichen Versuchsbedingungen werden Variablen genannt. Wenn du ein Experiment mehrmals durchführst, solltest du dabei immer nur eine Versuchsbedingung ändern! Nur so erhältst du genauere Informationen darüber, wie die Änderung das Versuchsergebnis beeinflusst. Probiert das im folgenden Versuch aus. Das Fadenpendel (Abb. 12.2 bis Abb. 12.4) Material: verschieden schwere Schraubenmuttern, unterschiedliche Schnüre, Stange zum Aufhängen der Pendel Herstellung eines Pendels: Binde die Schraubenmutter an eine Schnur. Hänge das andere Schnurende auf. Hebe die Schraubenmutter zur Seite an und lass sie hin- und herschwingen. Führt den Versuch in fünf Stationen durch. Bei jeder Station wird nur eine Variable verändert. 1) Verwendet unterschiedlich schwere Schraubenmuttern. Beachtet: Nur eine Variable wird verändert! Das heißt: Die Länge der Schnüre und das Material sind gleich. Das Pendel sollte immer in der gleichen Höhe losgelassen werden. Die Aufhängung ist überall gleich. 2) Verwendet unterschiedliche, aber gleich lange Schnüre. 3) Verwendet unterschiedlich lange Schnüre aus dem gleichen Material. 4) Hebt das Pendel beim Start unterschiedlich weit hoch. 5) Probiert unterschiedliche Aufhängungen aus, zB an eine Stange anbinden, einen Haken benutzen, in der Hand halten … Ihr geht von Station zu Station und bleibt dabei immer in der gleichen Gruppe. Beobachtet das Hin- und Herschwingen der verschiedenen Pendel. Wie schnell schwingen sie? Wie lange schwingen sie? Schwingen sie immer in die gleiche Richtung? Notiert eure Beobachtungen. Welche Variablen beeinflussen welche Eigenschaften eines schwingenden Pendels? 12.1 Springt der Tischtennisball oder der Holzball höher? Infobox: Variablen sind veränderliche Größen. A1 Bei kontrollierten Experimenten werden nur einzelne Versuchsbedingungen („Variablen“) verändert. Dadurch kannst du erkennen, wie die Änderung das Versuchsergebnis beeinflusst. M V1 12.2 Das Fadenpendel – Material 12.3 Das Fadenpendel – Start aus verschiedenen Höhen 12.4 Das Fadenpendel – Verschiedene Aufhängungen A2 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
13 Physik in unserem Leben Wie kann ich „zielgerichtet“ experimentieren? Anastasia ist unzufrieden. Sie hat einen Papierflieger gebaut und er fliegt nicht schön. Nach kurzer Strecke dreht er sich um und stürzt ab. Anastasia gibt aber nicht auf: Wie könnte sie ihren Papierflieger verbessern? Der beste Papierflieger (Abb. 13.1 bis Abb. 13.5) Arbeitet in Gruppen. Faltet aus A4-Kopierpapier einige Papierflieger. Folgt der Bastelanleitung in Abb. 13.1. Beachtet folgende Faltregeln: • Die Papierflieger müssen genau symmetrisch gefaltet werden. • Fahrt mit einem Lineal über die Falten, damit sie scharf gefaltet sind. Verändert den „Adler“. Beobachtet und notiert, welche Auswirkung eure Veränderung auf das Flugverhalten des neuen Fliegers hat. Denkt daran, dass ihr immer nur eine Variable ändert! Durch welche Änderung erreicht ihr die drei Ziele am besten? Ziel 1: Der Flieger fliegt weit. Ziel 2: Der Flieger bleibt lange in der Luft. Ziel 3: Der Flieger fliegt Kurven oder steigt auf. • Wie ändert sich das Flugverhalten durch das Falten breiterer oder schmälerer Tragflächen (Abb. 13.2)? • Welchen Einfluss haben nach oben oder nach unten gebogene Seitenflügel (Abb. 13.3)? • Biegt Heckruder am hinteren Ende der Tragflächen nach oben oder nach unten (Abb. 13.4). Welche Auswirkungen haben sie? • Sollen die Tragflächen der Flieger im Flug gerade, in Y-Stellung oder in M-Stellung stehen (Abb. 13.5)? Welche Stellung der Flügel ist besser für den Flug? • Ist Kopierpapier wirklich das am besten geeignete Material? Probiert auch andere Papiersorten, zB Zeichenpapier, Naturpapier … aus. Achtet darauf, dass die Papierblätter die gleiche Größe haben. • Fallen euch noch andere Änderungen ein? Informiere dich im Internet über Papierflieger-Meisterschaften (Suchbegriff). Welche Regeln gelten bei diesen Meisterschaften? Wie weit und lange fliegen die Papierflieger der momentanen Rekordhalterinnen oder Rekordhalter? Suche im Internet die Faltanleitung eines Rekord-Papierfliegers (Suchbegriff). Falte ihn nach. Veranstaltet einen Klassenwettbewerb. V2 13.1 Der beste Papierflieger – Bastelanleitung für den „Adler“ 13.6 Dieses Papierfliegermodell schaffte 2019 eine Weite von 68,5 m. 13.2 Verändere die Größe der Tragflächen. Tragflächen 13.3 Welchen Einfluss haben Seitenflügel? Seitenflügel A3 gerade Y M Um ein bestimmtes Versuchsergebnis (Ziel) zu erreichen, werden bei einem zielgerichteten Experiment einzelne Variablen verändert. Die Auswirkungen der Veränderungen werden beobachtet und notiert. M A4a A4b 13.4 Welchen Einfluss haben Heckruder? Heckruder 13.5 Soll der Flieger beim Flug eine Y-Stellung einnehmen? Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
14 1 Arbeitsheftseite 6 Messen ist wichtig Wofür brauchen wir die Maßeinheiten? Damit wir Versuchsergebnisse gut vergleichen und im Alltag verwenden können, müssen wir messen. Wenn du zB die Länge einer Wand abmisst, weißt du wie viel Platz für einen Kasten ist. Du misst die Masse von Zutaten für einen Kuchen, damit ein Rezept gut gelingt. Das war vor 250 Jahren noch ein großes Problem. Die Länge zB eines gekauften Stoffes musste mit einer „Elle“ am Kircheneingang verglichen werden (Abb. 14.1). Diese Längen einer Elle waren aber in verschiedenen Städten nicht gleich. Deswegen wurde in Paris im Jahr 1793 für Längen die Einheit „Meter“ (franz. mètre – das Maß) eingeführt. 1 Meter sollte der 40-millionste Teil des Erdumfangs sein (Abb. 14.2). 1889 wurde diese Länge als Meterprototyp („Urmeter“) aus Metall gefertigt. Kopien davon wurden weltweit verschickt, um Längen vergleichen zu können. Was wird bei dir daheim gemessen? Findest du in deinem Haushalt Messgeräte? In welchen Maßeinheiten werden die Ergebnisse angegeben? Wie können wir Längen genau messen? Milica und Stefan haben gehört, dass eine 1-Cent-Münze 1,67mm dick sein soll. Sie versuchen, das mit einem Lineal nachzuprüfen. Das gelingt ihnen aber nicht gut. Ein Lineal ist dazu nicht genau genug. Daher fragen sie bei ihrer Physiklehrerin nach, wie sie die Dicke richtig messen können. Sehr genau gemessen (Abb. 14.3) Arbeitet in Gruppen. Messt die Dicke von Euromünzen mit einer digitalen Schiebelehre. Vergleicht mit den offiziellen Angaben in der Infobox. Warum wird die Schiebelehre bei V1 nicht immer die offiziellen mm-Angaben anzeigen? Besprecht eure Vermutungen in der Gruppe. Dick wie ein Haar (Abb. 14.4) Arbeitet in Gruppen. Mit einer Bügelmessschraube („Mikrometerschraube“) könnt ihr die Dicke von zB Haaren messen, ohne sie zu quetschen. Spannt ein Haar ein und bestimmt seine Dicke. Sind alle Haare gleich dick? 14.1 Elle am Freiburger Münster. Die Elle ist ein Unterarmknochen. 14.2 1 Meter – Ein 40-millionstel eines Längenkreises der Erde. Heute wird der Meter über die Lichtgeschwindigkeit angegeben. 14.3 Sehr genau gemessen Maßeinheiten brauchen wir, damit wir Versuchsergebnisse auf der ganzen Welt miteinander vergleichen können. M A1 Infobox: Dicke von €-Münzen: 1 c, 2 c, 5 c: 1,67 mm, 10 c: 1,93 mm, 20 c: 2,14 mm, 50 c: 2,38 mm, 1 €: 2,33 mm, 2 €: 2,20 mm V1 A2 V2 Die Maßeinheit für Längen ist 1 Meter (1 m). Messgeräte: Lineal, Maßband, Schiebelehre, Bügelmessschraube … M 14.4 Dick wie ein Haar 14.5 Menschliche Haare sind etwa 0,05 mm dick. 0,046 mm 14.6 So kannst du Längenmaße einfach abschätzen. 1 m 1 dm 1 mm 0,001 m (Staub) 1 cm Zusatzmaterial yf9yz6 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
15 Physik in unserem Leben Wie messen wir Rauminhalte (Volumen)? Rauminhalte von Gegenständen vergleichen wir mit einem Würfel (lat. cubus) von 1 Meter Kantenlänge – dem „Kubikmeter“ (m³). Kleinere Maßangaben sind: 1 dm³ (Kubikdezimeter, = 1 Liter) und 1 cm³ (Kubikzentimeter, = 1 Milliliter). Suche daheim Messgläser zum Abmessen von Flüssigkeitsmengen. Ist in Getränkedosen und Getränkeflaschen wirklich so viel drinnen, wie angegeben ist? Halte deine Ergebnisse schriftlich fest. Wie groß ist der Stein? (Abb. 15.2) Fülle ein Messglas zur Hälfte mit Wasser. Hänge einen Stein – er soll ins Glas passen – an ein Stück Faden. Bestimme das Volumen des Steins. Wenn du den Stein ins Wasser tauchst, so steigt der Wasserspiegel an. Er steigt um so viel ml (cm³) an, wie das Volumen des Steins beträgt. Wie messen wir die Zeit? Elisa hält sich die tickende Taschenuhr ihres Onkels ans Ohr. Das Ticken ist ganz regelmäßig. Ihr Onkel öffnet die Uhr. Elisa erkennt ein Rad, das sich immer hin und her bewegt. „Unruh“ heißt dieses regelmäßig hin- und herdrehende Rad (Abb. 15.4). Alle Uhren enthalten regelmäßig schwingende Teile. Bei großen alten Uhren schwingt ein Pendel. Bei elektrischen Uhren schwingt ein kleiner Quarzkristall („Schwingquarz“). Das Sekundenpendel (Abb. 15.6) Verwende das Fadenpendel von V1 auf Seite 12. Lass die Schraubenmutter hin- und herschwingen. Überprüfe mit der Stoppuhr eines Smartphones: Wie oft schwingt dein Pendel in 10 Sekunden in eine Richtung? Wie lang muss der Faden sein, damit die Schraubenmutter für eine Schwingung (in eine Richtung) genau 1 Sekunde braucht? 15.1 Ein dm³ enthält 1 000 cm³. 1 dm³ entspricht 1 l, 1 cm³ entspricht 1 ml. 1 l 1 ml 1 cm3 1 dm3 15.2 Wie groß ist der Stein? 15.3 Messgläser musst du von der Seite ablesen. Der untere sichtbare Rand der Flüssigkeit gilt. 176 ml A3 V3 Die Maßeinheit für den Rauminhalt (das Volumen) ist 1 Kubikmeter (m³). Für Flüssigkeiten verwendet man 1 Liter (l) = 1 dm³ und 1 Milliliter (ml) = 1 cm³. Zum Messen von Rauminhalten verwendet man Messgläser. M Infobox: Die genaueste Uhr der Welt steht in London. Die Atomuhr NPL-CsF2 geht in 729 Millionen Jahren nur um eine Sekunde falsch. V4 15.4 In der Taschenuhr schwingt eine „Unruh“. Unruh Die Maßeinheit für die Zeit ist 1 Sekunde (s). 1 Minute (min) hat 60 s, 1 Stunde (h) hat 3 600 s. Zeitmessgeräte (Uhren) enthalten regelmäßig schwingende Teile, zB ein Pendel, eine Unruh oder einen Quarzkristall. M 15.5 Mit einer Sanduhr kannst du die Zeit messen. 15.6 Das Sekundenpendel Film y7r75n Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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