2 Martin Apolin bigbang Physik
Big Bang US SB 2 + E-Book Schulbuchnummer: 215658 Big Bang US SB 2 E-Book Solo Schulbuchnummer: 215659 Mit Bescheid des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Forschung vom 6. Juli 2023, GZ 2022-0.744.332, gemäß § 14 Abs. 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBI. Nr.472/86, und gemäß den derzeit geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch für die 2. Klasse an Mittelschulen und 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 Umsetzungder Inhalte erfolgen durch die Lehrerinnen und Lehrer. 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.“ 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: Marion Heszle, MSc, Wien Herstellung: Sigrid Prünster Umschlaggestaltung: Jens-Peter Becker, normaldesign GbR, Schwäbisch Gmünd Umschlagsbild: Bettina Kumpe, Braunschweig Layout: Jens-Peter Becker, normaldesign GbR, Schwäbisch Gmünd Satz: CMS - Cross Media Solutions GmbH, Würzburg Druck: Ferdinand Berger & Söhne Ges.m.b.H., Horn ISBN 978-3-209-13023-5 (Big Bang US 2 SB + E-Book) ISBN 978-3-209-13026-6 (Big Bang US SB 2 E-Book Solo) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Martin Apolin big bang 2 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 BigB2 ein und los geht’s! www.esquirrel.com Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
2 Wie du mit Big Bang arbeitest Warum können Fledermäuse im Dunklen fliegen? Wie entsteht ein Echo? Warum haben Burschen tiefere Stimmen als Mädchen? Was ist ein Schwarzes Loch? Wie funktioniert ein Spionagespiegel? Was ist eine Fata Morgana? Wie entsteht ein Regenbogen? Warum ist der Himmel blau? Die Fragen zu Beginn jedes Unterkapitels helfen dir, einen Einblick in das Folgende zu bekommen. Mithilfe dieser Fragen kannst du auch einschätzen, was du zu diesem Thema schon weißt. Grün markierte Aufgaben kennzeichnen Experimente. Die Antworten auf die Fragen findest du auf der Doppelseite. Mit L gekennzeichnete Fragen sind im Lösungsteil beantwortet. Die Aufgabe von Physikerinnen und Physikern ist es herauszufinden, wie alles in diesem Universum funktioniert und zwar von alltäglichen Dingen bis hin zu Schwarzen Löchern im All. In diesem Buch geht es um die Welt des Schalls und des Lichts und es werden unter anderem folgende Fragen beantwortet: Auf einer Buchdoppelseite gibt es immer ein abgeschlossenes Thema, gewissermaßen eine kurze physikalische Geschichte. Hier geht es zum Beispiel darum, warum du eigentlich Dinge sehen kannst, und wieso das Sehen dein wichtigster Sinn ist. 34 Licht, Lichtquellen und Lichtstrahlen Der Star in der Welt des Sichtbaren ist logischerweise das Licht! Licht ist dir aus dem Alltag sehr vertraut: Sonne und Mond, Nachtkästchenlampe, Handydisplay, Kerze, Silvesterfeuerwerk, ein fetter Blitz oder der prächtige Nachthimmel (B 4.1)! Obwohl Licht so alltäglich ist, denkt man normalerweise wenig darüber nach. Was ist dieses Licht aber eigentlich und woraus besteht es? Wie schnell bewegt es sich? Kann man Lichtstrahlen von der Seite sehen? Welches Problem tritt bei einem Lichtschwert auf? All das und noch viel mehr sehen wir uns hier genauer an. Wenn du eine Brille brauchst, dann gehst du zu einer Optikerin oder einem Optiker. Was macht man in diesem Beruf? Und weißt du, was das Wort Optik bedeutet? Für dieses Experiment müsst ihr zu zweit sein. Person 1 macht eine einfache Zeichnung, ohne dass Person 2 diese sieht. Nun beschreibt Person 1 ihre Zeichnung möglichst genau und Person 2 versucht diese nachzuzeichnen. Dann tauscht ihr die Rollen. Wie gut gelingt allgemein das Nachzeichnen? Was könnte der Grund dafür sein? In B 4.4 siehst du eine Illustration eines Schwarzen Loches. Schwarze Löcher sind keine wirklichen „Löcher“, sie sind also nicht flach. Sie sind die Reste ausgebrannter Riesensterne und kugelrund, sehen also von allen Seiten gleich aus. Warum sind Schwarze Löcher schwarz? Hast du darüber vielleicht schon einmal etwas gehört? B 4.4 Eine Illustration eines Schwarzen Lochs. Der Rand sieht etwas seltsam aus, weil die Lichtstrahlen „verbogen“ werden. Die Frage ist aber: Warum ist das Schwarze Loch schwarz? A 3 A 4 A 5 4.1 Eine Superkraft, die jeder hat Die Grundlagen des Sehens Wann kannst du etwas sehen und wann nicht? Dieser grundlegenden Frage gehen wir hier nach und werfen dabei natürlich einen ersten Blick auf deine Augen. In B 4.2 siehst du eine realistische Darstellung eines menschlichen Auges. Kannst du einige der Teile erkennen und weißt du, wozu sie gut sind? Was ist richtig: Licht geht von den Dingen aus oder deine Augen senden Strahlen aus, die alles abtasten (B 4.2). Versuche deinen Standpunkt zu begründen. A 1 B 4.2 Ein Auge in Originalgröße. A 2 B 4.3 Superman kann mit seinen Augen Laserlicht abstrahlen. Ist das realistisch? Gehen von deinen Augen auch irgendwelche Strahlen aus, die die Dinge abtasten? 4 Die Welt des Sichtbaren B 4.1 Lädt zum Träumen ein: Sternenhimmel und Milchstraße 4 Zusatzmaterial 56464v 35 4 Die Welt des Sichtbaren Von hier an bis zum Ende des Buches geht es um die Optik. Optik ist die Lehre vom Sehen. Du kennst das Wort aus dem Alltag. Wenn du schlecht siehst, musst du zur Optikerin oder zum Optiker. Dort werden deine Augen genau getestet, und dann werden dir perfekt passende Brillen oder Kontaktlinsen verpasst ( A 3 ). B 4.5 Die fünf Sinne des Menschen: Sehen (optischer Sinn), Hören (akustischer Sinn), Riechen, Schmecken und Tasten Du hast fünf verschiedene Sinne (B 4.5). Vom Hören war in Kapitel 2 und 3 die Rede. Hier geht es um das Sehen. Der optische Sinn ist mit Abstand der wichtigste Sinn. Fast 90 % der Informationen, die du über die Umwelt sammelst, kommen über deine Augen. Diese können unglaublich viel auf einmal erfassen. In A 4 hast du bemerkt, wie schwer es ist, selbst eine einfache Skizze nur mit Worten zu beschreiben. Und jetzt stell dir mal vor, du müsstest das Bild mit dem Tucan in B 4.6 jemandem am Telefon so beschreiben, dass die Person dieses Bild mit all seiner Farbenpracht genau im Kopf hat. Unmöglich! Aber der optische Sinn ist so rasch, dass du mit nur einem Blick das Bild komplett erfassen kannst. Der optische Sinn ist gewissermaßen eine Superkraft, die jeder hat. Ob man beim Sehen die Dinge mit einer Art Strahlen abtastet oder ob das Licht von den Dingen selbst ausgeht ( A 2 ), darüber hat man schon in der Antike diskutiert. Der berühmte Pythagoras, von dem du in der Mathematik noch hören wirst, meinte, dass wir mit „Sehstrahlen“ gewissermaßen alles abtasten. Aber das ist natürlich Quatsch, weil dann könnten wir auch im Stockdunkeln sehen! Wir können Dinge deshalb sehen, weil sie entweder Licht erzeugen oder Licht in irgendeiner Form weiterleiten (B 4.7 b) B 4.6 Ein Tucan in all seiner Farbenpracht B 4.7 a) Es gibt keine Sehstrahlen. b) Du siehst Dinge, weil sie Licht erzeugen (Lampe) oder weiterleiten (Papier). Alle sichtbaren Dinge senden Licht entweder aus oder leiten es weiter. Man könnte auch von aktiven und passiven Lichtquellen sprechen. Das Licht gelangt dann in deine Augen und trifft dort auf die Netzhaut. Diese ist in B 4.2 am rechten hinteren Ende des Auges zu sehen ( A 1 ; siehe auch Kap. 8.1, S. 77). Alle sichtbaren Dinge sind Lichtquellen. Die Augen empfangen das Licht, sind also Lichtempfänger. Es ist ganz ähnlich wie beim Schall (Kap. 3; B 4.8). Die extreme Anziehungskraft der Schwarzen Löcher schluckt sogar das Licht. Da du nur Objekte sehen kannst, die Licht abstrahlen, bleiben Schwarze Löcher unsichtbar. Man kann sie nur indirekt nachweisen, beispielsweise wenn sie ein Stern umkreist. Man weiß schon lange, dass Sehstrahlen Quatsch sind, aber sie sind noch in unseren Köpfen drin. Superman kann Strahlen aus seinen Augen schießen lassen! Gut, das ist ein Märchen, aber in den Redewendungen „einen Blick auf etwas werfen“, „jemand hat einen stechenden Blick“ oder „durch ein Fenster schauen“ stecken Sehstrahlen immer noch drin. B 4.8 a falsch b richtig Kurz zusammengefasst Der optische Sinn ist dein wichtigster Sinn. Sichtbare Dinge senden Licht aus, sind also Lichtquellen (Sender). Und deine Augen empfangen das Licht, sind also Lichtempfänger. Sender und Empfänger: Es ist ganz ähnlich wie beim Schall. Beim Einstieg in das Großkapitel bekommst du erste Infos und es werden spannende Fragen aufgeworfen, die im Kapitel beantwortet werden. 34 Licht, Lichtquellen und Lichtstrahlen Der Star in der Welt des Sichtbaren ist logischerweise das Licht! Licht ist dir aus dem Alltag sehr vertraut: Sonne und Mond, Nachtkästchenlampe, Handydisplay, Kerze, Silvesterfeuerwerk, ein fetter Blitz oder der prächtige Nachthimmel (B 4.1)! Obwohl Licht so alltäglich ist, denkt man normalerweise wenig darüber nach. Was ist dieses Licht aber eigentlich und woraus besteht es? Wie schnell bewegt es sich? Kann man Lichtstrahlen von der Seite sehen? Welches Problem tritt bei einem Lichtschwert auf? All das und noch viel mehr sehen wir uns hier genauer an. Wenn du eine Brille brauchst, dann gehst du zu einer Optikerin oder einem Optiker. Was macht man in diesem Beruf? Und weißt du, was das Wort Optik bedeutet? Für dieses Experiment müsst ihr zu zweit sein. Person 1 macht eine einfache Zeichnung, ohne dass Person 2 diese sieht. Nun beschreibt Person 1 ihre Zeichnung möglichst genau und Person 2 versucht diese nachzuzeichnen. Dann tauscht ihr die Rollen. Wie gut gelingt allgemein das Nachzeichnen? Was könnte der Grund dafür sein? In B 4.4 siehst du eine Illustration eines Schwarzen Loches. Schwarze Löcher sind keine wirklichen „Löcher“, sie sind also nicht flach. Sie sind die Reste ausgebrannter Riesensterne und kugelrund, sehen also von allen Seiten gleich aus. Warum sind Schwarze Löcher schwarz? Hast du darüber vielleicht schon einmal etwas gehört? B 4.4 Eine Illustration eines Schwarzen Lochs. Der Rand sieht etwas seltsam aus, weil die Lichtstrahlen „verbogen“ werden. Die Frage ist aber: Warum ist das Schwarze Loch schwarz? A 3 A 4 A 5 4.1 Eine Superkraft, die jeder hat Die Grundlagen des Sehens Wann kannst du etwas sehen und wann nicht? Dieser grundlegenden Frage gehen wir hier nach und werfen dabei natürlich einen ersten Blick auf deine Augen. In B 4.2 siehst du eine realistische Darstellung eines menschlichen Auges. Kannst du einige der Teile erkennen und weißt du, wozu sie gut sind? Was ist richtig: Licht geht von den Dingen aus oder deine Augen senden Strahlen aus, die alles abtasten (B 4.2). Versuche deinen Standpunkt zu begründen. A 1 B 4.2 Ein Auge in Originalgröße. A 2 B 4.3 Superman kann mit seinen Augen Laserlicht abstrahlen. Ist das realistisch? Gehen von deinen Augen auch irgendwelche Strahlen aus, die die Dinge abtasten? 4 Die Welt des Sichtbaren B 4.1 Lädt zum Träumen ein: Sternenhimmel und Milchstraße 4 Zusatzmaterial 56464v 34 Licht, Lichtquellen und Lichtstrahlen Der Star in der Welt des Sichtbaren ist logischerweise das Licht! Licht ist dir aus dem Alltag sehr vertraut: Sonne und Mond, Nachtkästchenlampe, Handydisplay, Kerze, Silvesterfeuerwerk, ein fetter Blitz oder der prächtige Nachthimmel (B 4.1)! Obwohl Licht so alltäglich ist, denkt man normalerweise wenig darüber nach. Was ist dieses Licht aber eigentlich und woraus besteht es? Wie schnell bewegt es sich? Kann man Lichtstrahlen von der Seite sehen? Welches Problem tritt bei einem Lichtschwert auf? All das und noch viel mehr sehen wir uns hier genauer an. Wenn du eine Brille brauchst, dann gehst du zu einer Optikerin oder einem Optiker. Was macht man in diesem Beruf? Und weißt du, was das Wort Optik bedeutet? Für dieses Experiment müsst ihr zu zweit sein. Person 1 macht eine einfache Zeichnung, ohne dass Person 2 diese sieht. Nun beschreibt Person 1 ihre Zeichnung möglichst genau und Person 2 versucht diese nachzuzeichnen. Dann tauscht ihr die Rollen. Wie gut gelingt allgemein das Nachzeichnen? Was könnte der Grund dafür sein? In B 4.4 siehst du eine Illustration eines Schwarzen Loches. Schwarze Löcher sind keine wirklichen „Löcher“, sie sind also nicht flach. Sie sind die Reste ausgebrannter Riesensterne und kugelrund, sehen also von allen Seiten gleich aus. Warum sind Schwarze Löcher schwarz? Hast du darüber vielleicht schon einmal etwas gehört? B 4.4 Eine Illustration eines Schwarzen Lochs. Der Rand sieht etwas seltsam aus, weil die Lichtstrahlen „verbogen“ werden. Die Frage ist aber: Warum ist das Schwarze Loch schwarz? A 3 A 4 A 5 4.1 Eine Superkraft, die jeder hat Die Grundlagen des Sehens Wann kannst du etwas sehen und wann nicht? Dieser grundlegenden Frage gehen wir hier nach und werfen dabei natürlich einen ersten Blick auf deine Augen. In B 4.2 siehst du eine realistische Darstellung eines menschlichen Auges. Kannst du einige der Teile erkennen und weißt du, wozu sie gut sind? Was ist richtig: Licht geht von den Dingen aus oder deine Augen senden Strahlen aus, die alles abtasten (B 4.2). Versuche deinen Standpunkt zu begründen. A 1 B 4.2 Ein Auge in Originalgröße. A 2 B 4.3 Superman kann mit seinen Augen Laserlicht abstrahlen. Ist das realistisch? Gehen von deinen Augen auch irgendwelche Strahlen aus, die die Dinge abtasten? 4 Die Welt des Sichtbaren B 4.1 Lädt zum Träumen ein: Sternenhimmel und Milchstraße 4 Zusatzmaterial 56464v Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
3 Digitale Zusatzmaterialien Online-Codes Einfach den Code im Suchfenster auf www.oebv.at eingeben und du wirst direkt zu digitalem Zusatzmaterial (zB Videoclips, Animationen, interaktive Übungen) oder Lösungen weitergeleitet. Schwarz hervorgehobene Sätze helfen dir, wichtige Inhalte schneller zu erfassen. Verweise auf die Einstiegsfragen wie dieser hier ( A 2 ) helfen dir, schneller die Antwort auf die zu Beginn gestellten Fragen zu finden. 34 Licht, Lichtquellen und Lichtstrahlen Der Star in der Welt des Sichtbaren ist logischerweise das Licht! Licht ist dir aus dem Alltag sehr vertraut: Sonne und Mond, Nachtkästchenlampe, Handydisplay, Kerze, Silvesterfeuerwerk, ein fetter Blitz oder der prächtige Nachthimmel (B 4.1)! Obwohl Licht so alltäglich ist, denkt man normalerweise wenig darüber nach. Was ist dieses Licht aber eigentlich und woraus besteht es? Wie schnell bewegt es sich? Kann man Lichtstrahlen von der Seite sehen? Welches Problem tritt bei einem Lichtschwert auf? All das und noch viel mehr sehen wir uns hier genauer an. Wenn du eine Brille brauchst, dann gehst du zu einer Optikerin oder einem Optiker. Was macht man in diesem Beruf? Und weißt du, was das Wort Optik bedeutet? Für dieses Experiment müsst ihr zu zweit sein. Person 1 macht eine einfache Zeichnung, ohne dass Person 2 diese sieht. Nun beschreibt Person 1 ihre Zeichnung möglichst genau und Person 2 versucht diese nachzuzeichnen. Dann tauscht ihr die Rollen. Wie gut gelingt allgemein das Nachzeichnen? Was könnte der Grund dafür sein? In B 4.4 siehst du eine Illustration eines Schwarzen Loches. Schwarze Löcher sind keine wirklichen „Löcher“, sie sind also nicht flach. Sie sind die Reste ausgebrannter Riesensterne und kugelrund, sehen also von allen Seiten gleich aus. Warum sind Schwarze Löcher schwarz? Hast du darüber vielleicht schon einmal etwas gehört? B 4.4 Eine Illustration eines Schwarzen Lochs. Der Rand sieht etwas seltsam aus, weil die Lichtstrahlen „verbogen“ werden. Die Frage ist aber: Warum ist das Schwarze Loch schwarz? A 3 A 4 A 5 4.1 Eine Superkraft, die jeder hat Die Grundlagen des Sehens Wann kannst du etwas sehen und wann nicht? Dieser grundlegenden Frage gehen wir hier nach und werfen dabei natürlich einen ersten Blick auf deine Augen. In B 4.2 siehst du eine realistische Darstellung eines menschlichen Auges. Kannst du einige der Teile erkennen und weißt du, wozu sie gut sind? Was ist richtig: Licht geht von den Dingen aus oder deine Augen senden Strahlen aus, die alles abtasten (B 4.2). Versuche deinen Standpunkt zu begründen. A 1 B 4.2 Ein Auge in Originalgröße. A 2 B 4.3 Superman kann mit seinen Augen Laserlicht abstrahlen. Ist das realistisch? Gehen von deinen Augen auch irgendwelche Strahlen aus, die die Dinge abtasten? 4 Die Welt des Sichtbaren B 4.1 Lädt zum Träumen ein: Sternenhimmel und Milchstraße Zusatzmaterial 56464v 35 4 Die Welt des Sichtbaren Von hier an bis zum Ende des Buches geht es um die Optik. Optik ist die Lehre vom Sehen. Du kennst das Wort aus dem Alltag. Wenn du schlecht siehst, musst du zur Optikerin oder zum Optiker. Dort werden deine Augen genau getestet, und dann werden dir perfekt passende Brillen oder Kontaktlinsen verpasst ( A 3 ). B 4.5 Die fünf Sinne des Menschen: Sehen (optischer Sinn), Hören (akustischer Sinn), Riechen, Schmecken und Tasten Du hast fünf verschiedene Sinne (B 4.5). Vom Hören war in Kapitel 2 und 3 die Rede. Hier geht es um das Sehen. Der optische Sinn ist mit Abstand der wichtigste Sinn. Fast 90 % der Informationen, die du über die Umwelt sammelst, kommen über deine Augen. Diese können unglaublich viel auf einmal erfassen. In A 4 hast du bemerkt, wie schwer es ist, selbst eine einfache Skizze nur mit Worten zu beschreiben. Und jetzt stell dir mal vor, du müsstest das Bild mit dem Tucan in B 4.6 jemandem am Telefon so beschreiben, dass die Person dieses Bild mit all seiner Farbenpracht genau im Kopf hat. Unmöglich! Aber der optische Sinn ist so rasch, dass du mit nur einem Blick das Bild komplett erfassen kannst. Der optische Sinn ist gewissermaßen eine Superkraft, die jeder hat. Ob man beim Sehen die Dinge mit einer Art Strahlen abtastet oder ob das Licht von den Dingen selbst ausgeht ( A 2 ), darüber hat man schon in der Antike diskutiert. Der berühmte Pythagoras, von dem du in der Mathematik noch hören wirst, meinte, dass wir mit „Sehstrahlen“ gewissermaßen alles abtasten. Aber das ist natürlich Quatsch, weil dann könnten wir auch im Stockdunkeln sehen! Wir können Dinge deshalb sehen, weil sie entweder Licht erzeugen oder Licht in irgendeiner Form weiterleiten (B 4.7 b) B 4.6 Ein Tucan in all seiner Farbenpracht B 4.7 a) Es gibt keine Sehstrahlen. b) Du siehst Dinge, weil sie Licht erzeugen (Lampe) oder weiterleiten (Papier). Alle sichtbaren Dinge senden Licht entweder aus oder leiten es weiter. Man könnte auch von aktiven und passiven Lichtquellen sprechen. Das Licht gelangt dann in deine Augen und trifft dort auf die Netzhaut. Diese ist in B 4.2 am rechten hinteren Ende des Auges zu sehen ( A 1 ; siehe auch Kap. 8.1, S. 77). Alle sichtbaren Dinge sind Lichtquellen. Die Augen empfangen das Licht, sind also Lichtempfänger. Es ist ganz ähnlich wie beim Schall (Kap. 3; B 4.8). Die extreme Anziehungskraft der Schwarzen Löcher schluckt sogar das Licht. Da du nur Objekte sehen kannst, die Licht abstrahlen, bleiben Schwarze Löcher unsichtbar. Man kann sie nur indirekt nachweisen, beispielsweise wenn sie ein Stern umkreist. Man weiß schon lange, dass Sehstrahlen Quatsch sind, aber sie sind noch in unseren Köpfen drin. Superman kann Strahlen aus seinen Augen schießen lassen! Gut, das ist ein Märchen, aber in den Redewendungen „einen Blick auf etwas werfen“, „jemand hat einen stechenden Blick“ oder „durch ein Fenster schauen“ stecken Sehstrahlen immer noch drin. B 4.8 a falsch b richtig Kurz zusammengefasst Der optische Sinn ist dein wichtigster Sinn. Sichtbare Dinge senden Licht aus, sind also Lichtquellen (Sender). Und deine Augen empfangen das Licht, sind also Lichtempfänger. Sender und Empfänger: Es ist ganz ähnlich wie beim Schall. 35 Sinn. Fast 90 % der Informationen, die du über die Umwelt sammelst, kommen über deine Augen. Diese können unglaublich viel auf einmal erfassen. In A 4 hast du bemerkt, wie schwer es ist, selbst eine einfache Skizze nur mit Worten zu beschreiben. Und jetzt stell dir mal vor, du müsstest das Bild mit dem Tucan in B 4.6 jemandem am Telefon so beschreiben, dass die Person dieses Bild mit all seiner Farbenpracht genau im Kopf hat. Unmöglich! Aber der optische Sinn ist so rasch, dass du mit nur einem Blick das Bild komplett erfassen kannst. Der optische Sinn ist gewissermaßen eine Superkraft, die jeder hat. Ob man beim Sehen die Dinge mit einer Art Strahlen abtastet oder ob das Licht von den Dingen selbst ausgeht ( A 2 ), darüber hat man schon in der Antike diskutiert. Der berühmte Pythagoras, von dem du in der Mathematik noch hören wirst, meinte, dass wir mit „Sehstrahlen“ gewissermaßen alles abtasten. Aber das ist natürlich Quatsch, weil dann könnten wir auch im Stockdunkeln sehen! Wir können Dinge deshalb sehen, weil sie entweder Licht erzeugen oder Licht in irgendeiner Form weiterleiten (B 4.7 b) B 4.6 Ein Tucan in all seiner Farbenpracht baren Dinge sind Lichtquellen. Die Augen empfangen das Licht, sind also Lichtempfänger. Es ist ganz ähnlich wie beim Schall (Kap. 3; B 4.8). Die extreme Anziehungskraft der Schwarzen Löcher schluckt sogar das Licht. Da du nur Objekte sehen kannst, die Licht abstrahlen, bleiben Schwarze Löcher unsichtbar. Man kann sie nur indirekt nachweisen, beispielsweise wenn sie ein Stern umkreist. Man weiß schon lange, dass Sehstrahlen Quatsch sind, aber sie sind noch in unseren Köpfen drin. Superman kann Strahlen aus seinen Augen schießen lassen! Gut, das ist ein Märchen, aber in den Redewendungen „einen Blick auf etwas werfen“, „jemand hat einen stechenden Blick“ oder „durch ein Fenster schauen“ stecken Sehstrahlen immer noch drin. B 4.8 Kurz zusammengefasst Der optische Sinn ist dein wichtigster Sinn. Sichtbare Dinge senden Licht aus, sind also Lichtquellen (Sender). Und deine Augen empfangen das Licht, sind also Lichtempfänger. Sender und Empfänger: Es ist ganz ähnlich wie beim Schall. 35 n ist mit Abstand der wichtigste mationen, die du über die men über deine Augen. Diese auf einmal erfassen. In A 4 hwer es ist, selbst eine einfache u beschreiben. r, du müsstest das Bild mit ndem am Telefon so beschreises Bild mit all seiner Farbenat. Unmöglich! Aber der h, dass du mit nur einem Blick en kannst. Der optische Sinn Superkraft, die jeder hat. 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Gut, das ist ein Märchen, aber in den Redewendungen „einen Blick auf etwas werfen“, „jemand hat einen stechenden Blick“ oder „durch ein Fenster schauen“ stecken Sehstrahlen immer noch drin. B 4.8 Kurz zusammengefasst Der optische Sinn ist dein wichtigster Sinn. Sichtbare Dinge senden Licht aus, sind also Lichtquellen (Sender). Und deine Augen empfangen das Licht, sind also Lichtempfänger. Sender und Empfänger: Es ist ganz ähnlich wie beim Schall. Zum Schluss wird das Wichtigste der Doppelseite nochmals kurz und verständlich zusammengefasst. 42 Übung und Vertiefung Glühwürmchen und Marsroboter 1 L In B 4.34 siehst du rote Wolken nach einem Sonnenuntergang. Versuche eine Skizze zu machen, wie das Licht der Wolken in deine Augen kommt. B 4.34 Rote Wolken in der Abendsonne 1 L In B 4.35 siehst du den Glühdraht einer alten Lampe. Diese Art von Glühbirnen wurden ab 2009 in der Europäischen Union verboten. Recherchiere im Internet, was der Grund dafür war. B 4.35 Sieht schön aus, der Glühdraht in einer alten Glühbirne. Was bringt diesen zum Leuchten? 1 L Übertrage die untere Tabelle in dein Heft und versuche dann, folgende Lichtquellen richtig zuzuordnen: Sonne, Mond, Sterne, Milchstraße, Polarlicht, Glühwürmchen, Wolken, Landschaft, Handydisplay, Taschenlampe, Buch und E-Book. natürliche Lichtquellen künstliche Lichtquellen aktive Lichtquellen leuchten selbst passive Lichtquellen sind beleuchtet T 4.1 Versuche, die oben angegebenen Lichtquellen in aktive, passive, natürliche und künstliche einzuteilen. A 21 A 22 A 23 1 L Glühwürmchen (B 4.36) haben einen leuchtenden Popo. Hast du schon einmal gehört, wie sie das Licht erzeugen? Sie haben ja keinen Strom an Bord! Und warum ist der Name Glühwürmchen schlecht gewählt? Recherchiere dazu im Internet. 1 L Reibe deine Handflächen kräftig aneinander (B 4.37). Was kannst du bemerken und wie kann du das erklären? Was könnte das mit B 4.15 zu tun haben? 1 L In B 3.38 siehst du den Mars-Rover Spirit, eine Raumsonde, die 2004 am Mars landete. MarsObjekte von der Erde aus fernzusteuern ist extrem schwierig. Warum ist das so? Hilf dir mit B 4.21. 1 L In aktiven Lichtquellen wie der Sonne oder einer Lampe werden Photonen erzeugt. Was passiert mit den Lichtteilchen, wenn sie aufprallen und wieder weg sind, also gewissermaßen „sterben“? knifflige Frage: 1 L Wir wissen nicht, wie groß das Universum ist, weil wir auch mit den allerallerbesten Teleskopen nicht alles sehen können. Warum ist das so? Das ist eine knifflige Frage, deren Antwort dich eventuell verwirren wird. 1 L Nimm an, Aliens aus der Andromeda-Galaxie (B 1.3, S. 7) blicken gerade in diesem Moment mit einem riesigen Teleskop auf die Erde. Was würden sie sehen? B 4.36 Ein Glühwürmchen A 24 A 25 B 4.37 Was passiert? A 26 B 4.38 Der Mars-Rover Spirit A 27 A 28 A 29 43 4 Die Welt des Sichtbaren Bastle dir selbst eine Lochkamera aus einer Chipsdose (B 4.39). B 4.39 Lochkamera aus einer Chipsdose basteln a) Schneide die Dose mit einem scharfen Messer auseinander. b) Bohre in den Metallboden ein möglichst kleines Loch. Je kleiner das Loch, desto schärfer ist das Bild. c) Um den Bildschirm zu bekommen, lege Butterbrotpapier in den Deckel und setze ihn wieder auf. Das Papier sollte nicht gewellt sein. d) Kleben die zwei Röhrenteile mit dickem Klebeband zusammen. Das Butterbrotpapier muss sich in der Mitte befinden, das Loch oben. e) Umwickle nun das Ganze noch mit Alufolie – fertig! Eine andere Möglichkeit, sich eine Lochkamera zu bauen, ist mit Hilfe einer Schuhschachtel (B 4.38). B 4.40 Lochkamera aus einer Schuhschachtel basteln a) Schneide in die Schmalseite ein Fenster. b) Klebe Alufolie darüber. c) Stich ein kleines Loch hinein. d) Schneide die der Alufolie gegenüberliegende Seite ganz weg. e) Male die Schachtel innen schwarz aus. f) Klebe über die ausgeschnittene Seite Butterbrotpapier und klebe auch den Deckel gut fest – fertig! A 30 Chipsdose a d e f b c Loch Loch Klebeband Ö nung Alufolie Fertig! Butterbrotpapier Deckel A 31 Alufolie kleines Loch Butterbrotpapier Seite wegschneiden Klebeband c a d b f Klebeband Innen schwarz ausmalen e 1 L In B 4.7 b sind zwei Lichtstrahlen eingezeichnet, die von der Lampe ausgehen. Wie viele sind es aber eigentlich in Wirklichkeit? knifflige Frage: 1 L Warum erzeugt ein Gegenstand vor einer weißen Wand kein scharfes Bild (B 4.41 a)? Warum kannst du aber mit einer Lochkamera ein Bild erzeugen (b)? B 4.41 Vom Gegenstand sind drei Punkte herausgegriffen, die in einer unterschiedlichen Farbe leuchten. Bei a wurden fünf Strahlen beispielhaft eingezeichnet, es sind aber im Prinzip unendlich viele. Wenn du das Loch in der Lochkamera größer machst, wird das Bild heller aber auch unschärfer. Überlege dir das mit Hilfe von B 4.41 b. 1 L In B 4.42 a siehst du einen roten Kraken. In b siehst du einen Querschnitt durch sein Auge. Was fällt dir auf, wenn du das mit einem menschlichen Auge vergleichst (B 4.2, S. 34)? B 4.42 Links siehst du einen roten Kraken, rechts, wie dessen Augen aussehen. 1 L Vor einer Bühnen-Lasershow (B 4.43) wird immer Nebel in die Luft geblasen. Warum macht man das? Begründe deine Antwort. A 32 A 33 A 34 A 35 A 36 B 4.43 Übung und Vertiefung Am Ende jedes Großkapitels gibt es eine spannende Doppelseite mit vertiefenden Aufgaben und Experimenten. Hier kannst du das Gelernte gleich anwenden. Bei allen Aufgaben die mit einem L gekennzeichnet sind, findest du die Lösungen wieder hinten im Buch. Experimente sind wieder grün markiert. Android iOS 1. Scanne den QR-Code und lade die App auf dein Smartphone oder dein Tablet. 2. Scanne deinen Buchumschlag oder wähle dein Schulbuch in der App-Medienliste aus. 3. Scanne eine mit gekennzeichnete Buchseite oder wähle ein Audio/Video aus der App-Medienliste aus. QuickMedia App Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
4 1 Du bist von Physik umgeben 1.1 Was ist Physik? 6 1.2 Wissenschaft und Nicht-Wissenschaft 9 Übung und Vertiefung 13 2 Die Welt des Schalls 2.1 Was ist Schall und wie entsteht er? 14 2.2 Von lautem, leisem und keinem Schall 16 2.3 Von hohen und tiefen Klängen 18 2.4 Schallgeschwindigkeit und Raumklang 20 Übung und Vertiefung 22 3 Stimme und Gehör 3.1 Frequenz, Ton, Klang, Geräusch 24 3.2 Die menschliche Stimme 26 3.3 Das menschliche Gehör, Teil 1 28 3.4 Das menschliche Gehör, Teil 2 30 Übung und Vertiefung 32 4 Licht, Lichtquellen und Lichtstrahlen 4.1 Die Grundlagen des Sehens 34 4.2 Die Arten von Lichtquellen 36 4.3 Lichtgeschwindigkeit und Lichtteilchen 38 4.4 Lichtstrahlen 40 Übung und Vertiefung 42 5 Schatten und Arten von Schatten 5.1 Schatten bei verschiedenen Lichtquellen 44 5.2 Sonne und Schatten 46 5.3 Tag und Nacht und die Jahreszeiten 48 5.4 Mondphasen und Finsternisse 50 Übung und Vertiefung 52 6 Reflexion und Licht 6.1 Arten von Reflexionen 54 6.2 Spiegelreflexionen im Detail 56 6.3 Hohlspiegel und Wölbspiegel 58 6.4 Reflexionen im Straßenverkehr 60 Übung und Vertiefung 62 Inhaltsverzeichnis Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
5 7 Lichtbrechung 7.1 Lichtbrechung Teil 1 64 7.2 Lichtbrechung Teil 2 66 7.3 Totalreflexion 68 7.4 Sammellinsen 70 7.5 Streulinsen und Brillengläser 72 Übung und Vertiefung 74 8 Auge und optische Geräte 8.1 Das menschliche Auge 76 8.2 Anpassungen des Auges und 3D Sehen 78 8.3 Sehfehler und ihre Korrektur 80 8.4 Kameraobjektiv, Mikroskop und Fernrohr 82 Übung und Vertiefung 84 9 Licht und Farbe 9.1 Die Zerlegung von weißem Licht 86 9.2 Lichtfilter und Körperfarben 88 9.3 Mischung von Farben 90 9.4 Farberscheinungen in der Natur 92 9.5 Infrarot und Ultraviolett 94 Übung und Vertiefung 96 Lösungen 98–107 Register 108 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
6 Du bist von Physik umgeben Du hast sicherlich schon mal von Albert Einstein gehört! Er war Nobelpreisträger und das wohl bekannteste Physikgenie der letzten Jahrhunderte. Aber was machen eigentlich Physikerinnen und Physiker den ganzen Tag? Und was bedeutet überhaupt dieses komische Wort „Physik“? Warum kann man zu Recht behaupten, dass du von Physik umgeben bist?! Das und noch viel mehr schauen wir uns in diesem ersten Kapitel an! zwar vom Allerallerkleinsten bis zum Allerallergrößten ( A 1 ). Sie sind sehr neugierig und versuchen herauszubekommen, wie alles funktioniert. Zu den allerallerkleinsten Dingen gehören die Atome, aus denen alles besteht – auch du. Mit Hilfe modernster Forschung und superkomplizierter Technik können Physikerinnen und Physiker diese Atome sichtbar machen. Das siehst du sehr eindrucksvoll am „Stadion“ in B 1.2, das aus einzelnen Atomen zusammengesetzt und nur einige Millionstel Millimeter groß ist. Die Atome sind aber nicht wirklich bunt, das Bild wurde im Computer eingefärbt. Der Name des Apparats, mit dem die Abbildung gemacht wurde, ist ein ziemlicher Zungenbrecher, nämlich Rastertunnelmikroskop. B 1.2 Eisenatome, das sind die blauen Hügel, auf einer Unterlage aus Kupfer. Die Atome des „Stadions“ wurden einzeln platziert und dann mit einer Art Supermikroskop aufgenommen. Das Ganze ist nur einige Millionstel Millimeter groß. Kommen wir von den allerallerkleinsten Dingen zu den allerallergrößten. Das Größte, was es gibt, ist natürlich das ganze Universum selbst. Das sichtbare Weltall besteht aus etwa 100 Milliarden Galaxien, das ist ein 1.1 Erforschung des Universums Was ist Physik? Zu Beginn jedes Abschnittes findest du eine kurze Einleitung wie diese hier, damit du weißt, worum es dann gleich geht. In diesem Abschnitt geht es zum Beispiel darum, was man unter Physik versteht und wie diese deinen Alltag beeinflusst. Nach dieser kurzen Einleitung kommen immer ein paar Fragen und Aufgaben. Es ist dabei gar nicht so wichtig, dass du diese alle lösen kannst. Viel wichtiger ist es, dass du über die Themen nachdenkst. Nur selber denken macht klug! Überlege phantasievoll und mit Hausverstand. Die Lösungen findest du alle im nachfolgenden Text oder im Lösungsteil (wie bei Aufgabe A 8 , S. 13). Unterhaltet euch zu zweit über die folgenden Fragen und schreibt eure Ideen auf. Was, glaubst du, versteht man unter Physik? Und was machen Physikerinnen und Physiker? Überlege dir, welche technischen Geräte du im Laufe eines Tages verwendest, damit du halbwegs organisiert über die Runden kommst! Wie kommt eigentlich das Internet in deine Wohnung? Und wie ist es möglich, dass ein Handy drahtlos funktioniert? Zugegeben, Physik ist ein ziemlich komisches Wort. Das liegt daran, dass es aus dem Griechischen kommt. Es bedeutet sinngemäß so viel wie Erforschung des Universums. Das ist es also, was Physikerinnen und Physiker machen: Sie erforschen das Universum und A 1 A 2 A 3 1 Das sicherste Wissen dieser Welt B 1.1 Das Physik-Genie Albert Einstein (1879–1955) Zusatzmaterial 55w6mz Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
7 1 Das sicherste Wissen dieser Welt 1er mit 11 Nullen! In B 1.3 siehst du zum Beispiel die majestätische Andromeda-Galaxie, unsere Nachbargalaxie. Die Galaxie, in der wir wohnen, die Milchstraße, würde von außen betrachtet sehr ähnlich aussehen. Aber Physikerinnen und Physiker interessieren sich nicht nur für das Allerallerkleinste und das Allerallergrößte, sondern natürlich auch für alles andere dazwischen. Sie wollen zum Beispiel wissen, wie es zu Blitz (B 1.4) und Donner kommt und warum man den Donner immer etwas verzögert hört. Sie wollen wissen, wie die Stimme entsteht und das Gehör funktioniert. Sie wollen wissen, wie es zu den Jahreszeiten kommt und zu Sonnen- und Mondfinsternis (B 1.5). Sie wollen wissen, wie das mit dem Sehen funktioniert und warum ein Regenbogen so schöne Farben hat (B 1.6). Diese Aufzählung könnte beinahe endlos weitergehen. Die Themen oben sind deshalb ausgesucht, weil sie in diesem Buch vorkommen, in dem es vereinfacht gesagt um Licht und Schall geht. Physikerinnen und Physiker wollen also ganz grundsätzlich alle Vorgänge im Universum verstehen. Die Physik ist deshalb eine wichtige Grundlage der Technik. Es ist nämlich so: Wenn man eine Sache wirklich verstanden hat, dann kann man sie einsetzen, um etwas Neues zu machen ( A 1 ). B 1.3 Dieses Bild zeigt die majestätische Andromeda-Galaxie, unsere Nachbargalaxie. Trotz der Nachbarschaft ist sie so weit weg, dass sogar das Licht 2,5 Millionen Jahre zu uns braucht. B 1.4 Ein Blitz ist im Prinzip nichts anderes als ein riesiger Funke! Im Inneren des Blitzes herrschen rund 30.000 °C – das ist etwa 5-mal so heiß wie die Sonnenoberfläche. Weil es im Inneren so heiß ist, leuchtet der Blitz. B 1.5 Der Mond schiebt sich vor die Sonne: eine totale Sonnenfinsternis. Im Altertum hatten die Menschen davor große Angst. Denk einmal an all die technischen Geräte, die deinen Alltag erleichtern, ohne dass du darüber nachdenkst ( A 2 ): Kühlschrank, Mikrowellenherd, E-Herd, Mixer, Toaster, elektrisches Licht, Waschmaschine, Staubsauger und Fön, um zu Hause über die Runden zu kommen. Auto, Bus, U-Bahn, Straßenbahn, Rad oder Scooter, um mobil zu sein. Und um gar nicht zu reden von Handy, Computer, Internet, Wi-Fi oder Fernseher. Könntest du dir ein Leben ohne diese Dinge vorstellen?! All das ist nur deshalb möglich geworden, weil es zuerst physikalische Entdeckungen gab, die später in der Technik eingesetzt wurden. Solange alles brav funktioniert, wird dir der technische Luxus gar nicht bewusst. Würde aber zum Beispiel mal der Strom ausfallen, wäre dir sofort klar, wie sehr die Technik dein Leben beeinflusst. Um zum Beispiel ein Backrohr zu betreiben, bräuchte man etwa 30 Menschen, die am Fahrrad schwitzend den Ersatzstrom liefern (B 1.7). B 1.6 Wenn du Glück hast, dann kannst du sogar einen doppelten Regenbogen sehen. B 1.7 Kuchenbacken mit „Menschenstärken“ Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
8 Du bist also quasi von den Anwendungen physikalischer Entdeckungen umzingelt. Und die technischen Anwendungen entwickeln sich rasant weiter. Das siehst du zum Beispiel sehr gut, wenn du das unförmige Ur-Handy (B 1.8) mit einem modernen Smartphone vergleichst. Alle Handys funktionieren mit Hilfe der sogenannten elektromagnetischen Wellen. Über diese wirst du in der 4. Klasse mehr lernen und vor allem dann in der Oberstufe. Deshalb hier nur in aller Kürze: Licht, Radar, Röntgenstrahlen, Mikrowellen oder eben auch die Wellen, mit denen Informationen von Handy zu Handy übertragen werden, gehören zu diesen elektromagnetischen Wellen. Sie sind ein perfektes Beispiel, um den Zusammenhang von Physik und Technik zu erklären. Dass es diese Wellen geben muss, wurde schon 1864 vom schottischen Physiker James Clerk Maxwell theoretisch vorhergesagt. Dem deutschen Physiker Heinrich Hertz gelang es dann 1886 als erstem, elektromagnetische Wellen zu erzeugen und nachzuweisen. Und der Italiener Guglielmo Marconi (B 1.9) konnte 1895 mit Hilfe dieser Wellen ein Knacksen über eine Strecke von 1,5 km übertragen ( A 3 ). Klar, ein Knacksen zu übertragen klingt nicht besonders eindrucksvoll. Und Marconis Apparate waren so riesig, dass sie natürlich nicht in eine Hosentasche passten. Aber der springende Punkt ist der, dass Marconi als erster Informationen drahtlos über weite Strecken übertrug und zwar mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen, ähnlich wie das heute auch das Handy macht. B 1.8. Die Urmutter aller Handys. 1983 kam das erste Handy von Motorola auf den Markt. Es hatte 0,8 kg und sogar ohne Antenne eine Höhe von 25 cm. B 1.9 Guglielmo Marconi mit seiner Sende- und Empfangsanlage im Jahr 1901. Noch nicht sehr handlich, diese Dinger! Die physikalischen Entdeckungen der Herrn Maxwell und Hertz und die Erfindung von Marconi führten letztlich 1983, also viele, viele Jahrzehnte später, zur Urmutter aller Handys. Daran siehst du sehr schön, wie unglaublich viel physikalisches Know-how in der Alltagstechnik steckt. Es ist übrigens kaum zu glauben, aber mit dem ersten Handy konnte man wirklich nur telefonieren! Heutzutage sind Handys tragbare Kleincomputer, mit denen du die sozialen Medien nutzt, Filme ansieht, Musik und Radio hörst, Fotos und Filme machst, spielst und im Internet surfst. Und wenn wir schon mal beim Thema sind: Auch damit du lässig vom Sofa aus im Internet surfen kannst, ist sehr viel physikalisches Know-how nötig. Die Daten werden mit Hilfe von Laser-Blitzen durch Glasfaserkabel übertragen (B 1.10, A 3 ), die überall unter den Gehsteigen verlaufen. Dabei wird ein Effekt ausgenutzt, den man Totalreflexion nennt. Dieser Effekt ist auch für das Zustandekommen einer Fata Morgana verantwortlich und wir werden ihn in Kapitel 7 noch genauer besprechen. B 1.10 Ein aufgedröseltes Glasfaserkabel: Das Licht ist in den einzelnen Fasern gewissermaßen gefangen und kann so über weite Strecken transportiert werden. Kurz zusammengefasst Fassen wir also zusammen: Physikerinnen und Physiker erforschen das gesamte Universum vom Kleinsten bis zum Größten. Sie wollen verstehen, wie alle Dinge und alle Vorgänge funktionieren. Aber auch du persönlich bist von der Physik betroffen, auch wenn du selbst nicht forschst. Die Physik ist nämlich eine wichtige Grundlage der Technik. Wenn du zum Beispiel deiner Freundin oder deinem Freund eine Nachricht am Handy schreibst, dann nutzt du das physikalische Wissen über elektromagnetische Wellen aus. Das ist nur eines von vielen Beispielen. Die Erkenntnisse jahrhundertelanger physikalischer Forschung fließen in die Alltagstechnik ein, die wir Menschen heutzutage verwenden. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
9 1 Das sicherste Wissen dieser Welt Physik ist eine Wissenschaft oder noch genauer gesagt eine Naturwissenschaft. Das Wort Natur hat verschiedene Bedeutungen. Du kennst es vor allem im Sinne von Wald, Wiesen, Blumen und guter Luft. Mit dem Wort Natur kann aber auch alles gemeint sein, was nicht vom Menschen gemacht und somit natürlich ist. Dann bedeutet Natur das ganze Universum und Naturforschung, dieses Universum zu erforschen. Und genau das machen ja Physikerinnen und Physiker! Und deshalb ist Physik eine Naturwissenschaft. Aber was versteht man unter Wissenschaften eigentlich genau? In Wissenschaften erforscht man Dinge und Zusammenhänge. Man arbeitet dabei extrem gründlich, alles wird ganz genau überprüft und es wird sehr lange und ausführlich darüber nachgedacht und untereinander diskutiert. Und erst dann, wenn man sich ganz sicher ist, dass das, was man herausgefunden hat, auch wirklich stimmt, erst dann veröffentlich man seine Ergebnisse in einer Zeitschrift oder im Internet. Holen wir einen naturwissenschaftlichen „Riesen“ ins Scheinwerferlicht: den Italiener Galileo Galilei (B 1.13). Er ist für die Physik deshalb so wichtig, weil er sie zu einer exakten Naturwissenschaft gemacht hat. Er war nämlich der Auffassung, dass man alle Behauptungen durch Experimente überprüfen muss. Ein Experiment ist nichts anderes als eine Untersuchung, bei der man kontrolliert, ob eine Behauptung stimmt oder nicht. Nehmen wir ein einfaches Beispiel. Ich stelle die Behauptung auf, dass sich zwischen den Quadraten in der Abbildung links dunkle Flecken befinden ( A 6 ). Stimmt das? Es ist nämlich eigenartig: Wenn man einen der dunklen Flecken ansieht, dann verschwindet er. Tatsächlich gibt es keine Flecken. Man kann das durch ein einfaches Experiment belegen. Decke mit zwei Blatt Papier die Abbildung so ab, dass nur mehr einer der hellen Streifen zu sehen ist. Wenn die Quadrate komplett abgedeckt sind, verschwinden sofort die Flecken im Zwischenraum. Diese sind also nicht wirklich da, sondern bloß eine optische Täuschung! B 1.13 Galileo Galilei (am Gemälde stehend zweiter von rechts) zeigt hier dem Dogen von Venedig sein Fernrohr. Viele von Galileis Entdeckungen gelten als bahnbrechend. 1.2 Der große Weltveränderer Wissenschaft und Nicht-Wissenschaft Facebook, Instagram oder Tiktok (B 1.10) gehören zu den sogenannten sozialen Medien. Man kann hier mehr oder weniger posten, was man will. Man kann Dinge behaupten und teilen, die nicht stimmen. Oft wird das ganz absichtlich gemacht, damit man besser dasteht, möglichst viele Leute auf etwas aufmerksam macht oder die Menschen vor einer Wahl in eine bestimmte Richtung beeinflusst. Die sozialen Medien sind voll mit solchen Falschaussagen (Fakes) und es ist für uns schwer festzustellen, was nun stimmt oder nicht. Physik ist im Gegenteil dazu eine Wissenschaft. Und das von den Physikerinnen und Physikern gesammelte Wissen gehört zum sichersten Wissen der Welt. B 1.11 Die sozialen Medien und auch das Internet sind voll mit Halbwahrheiten und Lügen. Es ist für uns schwer oder sogar unmöglich, zwischen richtigen und falschen Informationen zu unterschieden. In fast allen Zeitungen kann man jeden Tag sein Horoskop lesen. Da steht dann, ob die Sterne für Fische oder Steinböcke an diesem Tag günstig sind oder nicht. Kann man sich auf diese Horoskope verlassen? Ein Blick auf den Himmel ist ein Blick in die Vergangenheit! Was könnte damit gemeint sein? Hilf dir mit der Bildunterschrift von B 1.3! In B 1.11 befinden sich dunkle Flecken zwischen den Quadraten! Oder doch nicht? B 1.12 Da sind dunkle Flecken! Oder doch nicht? A 4 A 5 A 6 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
10 B 1.14 Bei Halbmond sieht man, dass die Schattengrenze gewissermaßen ausgefranst, also nicht schön gerade ist. Wenn man genau schaut, kann man aufgrund der Schatten im Übergangbereich viele große und kleine Krater erkennen. Das ist also die Methode, die Galilei erfand und die seither das Wissen in der Physik und in den Naturwissenschaften allgemein zum sichersten Wissen der Menschheit gemacht hat: Alle Vermutungen werden schonungslos durch Experimente überprüft. Wenn das Experiment eine Behauptung widerlegt – etwa die, dass es zwischen den Quadraten dunkle Punkte gibt –, dann muss die Behauptung gnadenlos verworfen werden. Wenn jedoch viele gewissenhafte Experimente und Überprüfungen eine Behauptung untermauern, wird die Vermutung zu einer Sicherheit und das verlässliche Wissen über das Universum wird vermehrt. Sehen wir uns ein paar von Galileis wichtigsten naturwissenschaftlichen Entdeckungen an. Galilei kam 1609 auf die Idee, das ein paar Jahre zuvor erfundene Fernrohr für Beobachtungen des Himmels zu verwenden. Das war eine geniale Idee. Er entdeckte dabei zum Beispiel die Mondkrater (B 1.14). Warum war das eine so wichtige Entdeckung? Seit der Antike wurde fälschlicher Weise behauptet, dass Himmelskörper perfekte Kugeln sind. Durch seine experimentellen Beobachtungen konnte Galilei diese B 1.15 Die Milchstraße in einer Langzeitbelichtung. Mit freiem Auge kannst du sie auch sehen, aber leider nicht so gut. falsche Behauptung entkräften, die sich immerhin seit über 2000 Jahren gehalten hatte. Aber er entdeckte mit seinem Fernrohr noch viel mehr. In sternklaren Nächten kannst du mit freiem Auge am Himmel etwas erkennen, was ein bisschen wie ein riesiger, milchiger Pinselstrich aussieht (B 1.15). Dieses Ding hat wegen seines Aussehens seit der Antike den Namen Milchstraße. Einer griechischen Sage nach soll nämlich Herkules, der antike Kraftprotz, als Baby zu wild seine Milch getrunken und diese dabei über den ganzen Himmel verspritzt haben. Galilei konnte mit seinem Fernrohr aber zeigen, dass dieses Ding kein Weltraumnebel ist, wie man später lange dachte, sondern aus abertausenden Sternen besteht, die jedoch so weit weg sind, dass sie mit freiem Auge zu einem milchigen Band verschwimmen. Heute wissen wir, dass diese Sterne zu unserer eigenen Heimatgalaxie gehören, die man trotz Galileis Entdeckung ulkiger Weise auch heute noch Milchstraße nennt. Um eine der wichtigsten Entdeckungen Galileis zu verstehen, muss ich ein bisschen ausholen. Zu Galileis Zeiten war man sicher, dass sich die Sonne und alle anderen Planeten um die Erde drehen. Die Erde stand in diesem – wie du heute natürlich weißt – falschen Weltbild im Mittelpunkt, also im Zentrum. Und weil Erde auf Altgriechisch „geo“ heißt, nannte man dieses Weltbild geozentrisch. B 1.16 Der zunehmende Mond und rechts darüber die Venus in der Abenddämmerung Und jetzt kommt der Planet Venus ins Spiel (B 1.16). Sie ist nach dem Mond das zweithellste Objekt am Nachthimmel und auch bei schlechten Lichtverhältnissen mit freiem Auge gut als kleines leuchtendes Scheibchen zu sehen. Galilei nahm bei seinen Himmelsbeobachtungen auch die Venus genau unter die Linse und in der Vergrößerung durch das Fernrohr entdeckte er etwas ganz Wichtiges! Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
11 1 Das sicherste Wissen dieser Welt B 1.17 Galilei entdeckte mit Hilfe der Phasen der Venus, dass sich diese um die Sonne drehen musste. Der Kirche gefiel seine Entdeckung gar nicht. Galilei beobachtete, dass die Venus eigentlich gar kein leuchtendes Scheibchen ist, sondern zunehmende und abnehmende Phasen hat (B 1.17), ganz ähnlich wie unser Mond. Mit freiem Auge sieht man das natürlich nicht. Die Art und Weise, wie sich die Phasen der Venus veränderten zeigte ganz eindeutig, dass sie sich um die Sonne und nicht um die Erde dreht. Weil Sonne auf Altgriechisch „helios“ heißt, spricht man hier vom heliozentrischen Weltbild (B 1.8). Der Kirche gefiel die Entdeckung, dass das geozentrische Weltbild falsch ist, gar nicht. Galilei musste sogar öffentlich behaupten, dass er sich bei seinen Beobachtungen geirrt hatte, sonst wäre er am Scheiterhaufen verbrannt worden. Die Zeiten waren damals doch sehr rau. Trotz seines Widerrufs musste Galilei seine letzten Lebensjahre im Hausarrest verbringen, aber das durch Beobachtungen belegte heliozentrische Weltbild setzte sich letztlich mit der Zeit doch durch. B 1.18 Das heliozentrische Weltbild, wie du es heute kennst: Um die Sonne kreisen die Planeten Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Die Größenverhältnisse und Abstände sind nicht richtig dargestellt. Man nennt die Beobachtung und Erforschung des Himmels Astronomie. Der geniale Galilei war also, neben vielen anderen Dingen, auch Astronom und zwar der erste, der ein Fernrohr verwendete. Die Fernrohre wurden über die Jahrhunderte immer mehr verbessert. Es wurden sogar schon Teleskope ins All geschossen, etwa das Hubble-Space-Teleskop (B 1.19) oder das James-Webb-Space-Teleskop, weil man außerhalb der Lufthülle bessere Bilder machen kann. B 1.19 Das Hubble-Space-Telescope, als es gerade von Astronauten gewartet wird. Unten siehst du ein Raumschiff, ein sogenanntes Space-Shuttle. Aber kommen wir wieder zu Galilei zurück. Neben den astronomischen Entdeckungen, machte er auch viele andere physikalische Entdeckungen, die bahnbrechend waren. Galilei war ein großer Weltveränderer. Für dieses Kapitel ist er aber vor allem deshalb so wichtig, weil er die Physik durch das Fordern von Experimenten zu einer exakten Naturwissenschaft gemacht hat. Und weil wir in einer Zeit leben, in der über Internet und sozialen Medien in Hochgeschwindigkeit unglaublich viel Blödsinn verzapft wird, möchte ich noch einmal hervorheben, was Wissenschaften wie die Physik so besonders macht. Man darf in Wissenschaften nur Dinge behaupten, die man vorher gewissenhaft auf ihre Richtigkeit hin überprüft hat. Man darf in der Physik zum Beispiel nicht behaupten, dass das geozentrische Weltbild richtig ist. Warum? Dass sich angeblich alles um die Erde dreht, ist Quatsch, den man durch Beobachtungen sofort widerlegen kann. Man darf zum Beispiel auch nicht behaupten, dass die Erde flach ist. Auch das ist unwissenschaftlicher Unsinn, den aber komischerweise ziemlich viele Menschen glauben. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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