3 Martin Apolin big bang Physik
Big Bang US SB 3 + E-Book Schulbuchnummer: 220294 Big Bang US SB 3 E-Book Solo Schulbuchnummer: 220295 Mit Bescheid des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Forschung vom 11. März 2024, GZ 2023-0.757.059, gemäß § 14 Abs. 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBI. Nr.472/86, und gemäß den derzeit geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch für die 3. 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 Umsetzung der 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.“ Illustrationen: Janosch A. Slama: Seiten 8.11.7; 9.11.12; 9.11.13; 10.11.17; 11.11.19; 13.11.30; 14.11.34; 15.11.36; 15.11.37; 17.11.43; 20.11.56; 20.11.57; 21.11.62; 22.12.3; 22.12.4; 23.12.5; 23.12.6; 23.12.7; 24.12.8; 24.12.10; 25.12.14; 27.12.21; 28.12.25; 28.12.26; 28.12.27; 28.12.28; 29.12.29; 29.12.30; 29.12.31; 29.12.32; 30.12.34; 32.12.45; 33.12.49; 34.12.50; 34.12.51; 34.12.53; 35.12.57; 36.12.58; 36.12.60; 36.12.61; 36.12.62; 36.12.63; 37.12.66; 37.12.68; 37.12.69; 38.13.3; 39.13.5; 39.13.7; 40.13.9; 40.13.10; 40.13.11; 41.13.12; 41.13.13; 41.13.14; 42.13.16; 42.13.18; 42.13.19; 42.13.20; 43.13.22; 44.13.26; 45.13.30; 46.13.34; 46.13.35; 46.13.36; 47.13.38; 47.13.39; 48.13.44; 50.13.50; 50.13.52; 50.13.55; 51.13.57; 51.13.59; 51.13.60; 51.13.61; 52.14.2; 52.14.4; 53.14.5; 53.14.9; 55.14.12; 56.14.17; 57.14.21; 57.14.22; 57.14.23; 58.14.27; 59.14.30; 60.14.31; 60.14.33; 60.14.34; 60.14.35; 60.14.36; 61.14.38; 61.14.40; 61.14.42; 62.15.2; 63.T 15.1; 63.T 15.1; 64.15.7; 64.15.8; 64.15.9; 64.15.10; 65.15.12; 65.T 15.4; 65.T 15.4; 65.T 15.4; 65.T 15.4; 66.15.15; 66.15.16; 66.15.17; 67.T 15.5; 67.T 15.5; 68.15.21; 68.15.22; 68.15.23; 68.15.24; 69.15.25; 69.15.26; 69.15.27; 69.15.28; 69.15.29; 70.15.30; 70.15.31; 70.15.32; 70.15.34; 71.15.36; 71.15.37; 72.15.39; 72.15.40; 72.15.41; 72.15.42; 72.15.43; 72.15.44; 73.15.45; 73.15.46; 73.15.47; 73.15.48; 74.16.2; 75.16.4; 75.16.6; 75.16.7; 76.16.8; 76.16.9; 76.16.10; 77.16.11; 77.16.14; 77.16.15; 78.16.16; 78.16.17; 78.16.19; 78.16.19; 78.16.20; 79.16.21; 79.16.24; 80.16.25; 80.16.26; 81.16.30; 81.16.31; 81.16.33; 81.16.34; 82.17.2; 82.17.3; 83.17.5; 83.17.6; 83.17.7; 83.17.8; 84.17.9; 84.17.10; 84.17.11; 84.17.13; 85.17.15; 86.17.19; 87.17.22; 87.17.23; 87.17.24; 88.17.25; 88.17.28; 89.17.30; 89.17.31; 89.17.33; 90.17.36; 90.17.37; 90.17.39; 90.17.40; 91.17.41; 91.17.42; 91.17.43; 91.17.44; 91.17.46; 92.18.2; 92.18.3; 92.18.4; 93.18.5; 93.18.7; 94.18.9; 94.18.10; 94.18.11; 95.18.17; 96.18.23; 98.18.29; 98.18.30; 100.18.38; 101.18.42; 101.18.43; 102.18.44; 102.18.45; 103.18.50; 104.18.56; 106.18.60; 106.18.61; 106.18.62; 106.18.63; 106.18.64; 107.18.66; 107.18.67; 107.18.68; 110.18.75; 110.18.76; 111.18.80; 111.18.81; 111.18.82; 111.18.83; 112.19.2; 112.19.3; 112.19.4; 112.19.5; 113.19.8; 113.19.9; 114.19.11; 114.19.13; 115.19.15; 115.19.17; 116.19.19; 116.19.21; 116.19.22; 117.19.24; 117.19.25; 118.19.26; 118.19.27; 118.19.28; 118.19.29; 118.19.31; 119.19.33; 119.19.34; 119.19.35; 120.20.2; 122.20.5; 124.20.6; 125.20.7; 125.20.8; 126.20.9; 126.20.10; 126.20.11; 127.20.12; 128.20.14; 128.20.15; 128.20.16 Bettina Kumpe: Seiten 6.11.3; 8.11.9; 8.11.10; 8.11.11; 11.11.21; 12.11.24; 12.11.26; 12.11.27; 13.11.28; 16.11.41; 17.11.45; 18.11.48; 21.11.59; 21.11.60; 21.11.63; 21.11.64; 24.12.12; 24.12.13; 26.12.19; 26.12.20; 27.12.23; 30.12.35; 30.12.37; 31.12.38; 31.12.39; 31.12.41; 31.12.42; 32.12.43; 32.12.44; 33.12.48; 34.12.52; 35.12.55; 35.12.56; 36.12.59; 37.12.65; 38.13.2; 39.13.6; 44.13.25; 44.13.28; 46.13.33; 47.13.37; 47.13.40; 48.13.42; 48.13.43; 50.13.53; 55.14.11; 55.14.13; 55.14.15; 56.14.19; 61.14.37; 67.15.19; 77.16.13; 86.17.20; 88.17.27; 93.18.6; 95.18.14; 95.18.15; 95.18.16; 97.18.24; 97.18.26; 98.18.31; 99.18.32; 99.18.34; 100.18.39; 101.18.41; 102.18.46; 108.18.69; 118.19.30; 121.20.3; 121.20.4 Das Schulbuch verwendet Ideen für Unterrichtskonzeptionen (Text und Abbildungen) aus diesen Quellen: 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 Unterricht mit Energie: Muckenfuß, H. & Nordmeier, V. (Hrsg., 2007). Physik Interaktiv. Berlin: Cornelsen; 1. Auflage (Druck 0001) © Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2025 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 978-3-209-13024-2 (Big Bang US SB 3 + E-Book) ISBN 978-3-209-13027-3 (Big Bang US SB 3 E-Book Solo) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Martin Apolin big bang 3 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 BigB3 ein und los geht’s! www.esquirrel.com Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
2 11 Bewegungen aller Art 11.1 Ort und Zeit 6 11.2 Tempo und Richtung 8 11.3 Tempo + Richtung = Geschwindigkeit 12 11.4 Unveränderte Geschwindigkeit 14 11.5 Veränderte Geschwindigkeit 16 Übung und Vertiefung 20 12 Die drei Newtonschen Gesetze 12.1 Die Masse 22 12.2 Der Körperschwerpunkt 24 12.3 Geschwindigkeitsänderung und Beschleunigung 26 12.4 Das 1. Newtonsche Gesetz 28 12.5 Das 2. Newtonsche Gesetz 30 12.6 Das 3. Newtonsche Gesetz 34 Übung und Vertiefung 36 13 Beispiele für Kräfte 13.1 Gewichtskraft und Gravitationskraft 38 13.2 Reibungskraft 42 13.3 Dichte und Auftriebskraft 44 13.4 Muskelkraft 46 13.5 Der Druck 48 Übung und Vertiefung 50 14 Energie und Energieerhaltung 14.1 Beispiele für Energieformen 52 14.2 Der Energieerhaltungssatz 54 14.3 Die Leistung 58 Übung und Vertiefung 60 15 Stromstärke, Spannung und elektrischer Widerstand 15.1 Die elektrische Stromstärke 62 15.2 Die elektrische Spannung 64 15.3 Der elektrische Widerstand 66 15.4 Parallel- und Serienschaltung 68 15.5 Batterie und Akku 70 Übung und Vertiefung 72 Inhaltsverzeichnis Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
3 16 Magnetismus 16.1 Dauermagnete 74 16.2 Elektromagnete 78 Übung und Vertiefung 81 17 Motor und Generatoren 17.1 Bewegung durch Strom erzeugen 82 17.2 Strom durch veränderliche Magnetfelder erzeugen 84 17.3 Generatoren und Wechselstrom 86 17.4 Elektromotoren (E-Motoren) 88 Übung und Vertiefung 90 18 Energieversorgung und Stromnetz 18.1 Wie Transformatoren funktionieren 92 18.2 Hochspannung und Stromnetz 96 18.3 Leistung und Kilowattstunden 98 18.4 Stromversorgung und Klimakrise 100 18.5 Mit Strom Licht erzeugen 104 18.6 Mit Strom Wärme und Kälte erzeugen 106 18.7 Mit Strom Bewegung erzeugen 108 Übung und Vertiefung 110 19 Sicherer Umgang mit elektrischem Strom 19.1 Elektrische Schutzmaßnahmen 112 19.2 Richtiger Umgang mit Strom 116 Übung und Vertiefung 118 Lösungen 120 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
4 Wie du mit Big Bang arbeitest Was haben Superheldinnen und Superhelden mit den Newtonschen Gesetzen zu tun? Gibt es Luft im Weltall? Wieso kann man auf einem Nagelbrett liegen, ohne dass es einen durchbohrt? Was hat elektrischer Strom mit fließendem Wasser gemeinsam? Wieviel Strom ist in einem Blitz? Die Fragen zu Beginn jedes Unterkapitels helfen dir, einen Einblick in das Folgende zu bekommen. Mit Hilfe 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 unter anderem um Bewegungen aller Art, um Kräfte, Strom und Magnetismus 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 um Kräfte, welche Arten es gibt und welche Auswirkungen Kräfte haben können. 38 Beispiele für Kräfte In Kapitel 12 hast du schon gehört, dass Kräfte zu Geschwindigkeitsänderungen führen. Sie können auch Verformungen hervorrufen, etwa wenn Objekte mit hoher Geschwindigkeit auf andere prallen und dann alles Mögliche anrichten (B 13.1). Um deine Kenntnisse zu vertiefen, sehen wir uns in diesem Kapitel Beispiele für Kräfte an, die in deinem Alltag eine große Rolle spielen, etwa die Gravitationskraft, die dich zu Boden zieht, Reibungskräfte, die du beim Radfahren oder Schwimmen überwinden musst, oder deine Muskelkraft, die die Bewegungen deines Körpers ermöglicht. Was misst eine Badezimmerwaage? Masse oder Gewicht? Das ist eine sehr schwere Frage, über die auch viele Erwachsene stolpern! Diskutiere mit einer Nachbarin oder deinem Nachbarn darüber! Du möchtest auf einem Obstmarkt am Mond 1 kg Äpfel kaufen. Entscheide, welche Waage richtig funktionieren würde: Badezimmerwaage oder Balkenwaage? B 13.3 Welche Waage misst richtig am Mond? Der Nordpol der Erde ist ja oben. Bedeutet das, dass den Pinguinen am Südpol das Blut in den Kopf rinnt? Versuche zu argumentieren! B 13.4 Rinnt den Pinguinen am Südpol das Blut in den Kopf? A 3 A 4 A 5 13.1 Gravitationsmonster Gewichtskraft und Gravitationskraft In diesem Abschnitt sehen wir uns die Gravitationskraft an, die deinen Alltag bestimmt. Ohne sie würdest du wie ein Astronaut durch die Gegend schweben. Es geht hier aber auch um den haarigen Unterschied zwischen Masse und Gewicht! Was versteht man unter der Masse eines Objekts? Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Masse und dem 2. Newtonschen Gesetz? Lies nach in Kap. 12.1 (S. 22) und Kap. 12.5 (S. 30). In der Physiksammlung gibt es Federwaagen (B 13.2). Mit diesen kann man messen, wie schwer ein Objekt ist. Schau auf der Waage nach, in welcher Einheit sie misst. Und welchen Wert zeigt sie zum Beispiel an, wenn du eine Tafel Schokolade mit 100 g dranhängst? B 13.2 In welcher Einheit misst eine Federwaage? A 1 A 2 13 Newton und der Apfel 13 Zusatzmaterial 92388k B 13.1 Eine Patrone durchschlägt mit 200 m/s (720 km/h) einen Apfel. 39 13 Newton und der Apfel Wenn man im Alltag etwas prüfend hebt, dann sagt man, das Ding hat viel oder wenig Gewicht. Unter Gewicht versteht man also, wie stark etwas von der Erde angezogen und auf den Boden gedrückt wird. Das ist ziemlich physikalisch formuliert. Weil das Gewicht eine Kraft ist, spricht man in der Physik allerdings etwas exakter von der Gewichtskraft. Die Gewichtskraft gibt an, wie stark ein Objekt von der Erde angezogen wird. Sie wird, wie jede Kraft, in der Einheit Newton (N) angegeben. Damit wird Isaac Newton geehrt, dessen Gesetzte du in Kap. 12 kennen gelernt hast. Zum Beispiel kannst du an einer Federwaage die Gewichtskraft in Newton ablesen ( A2 ). Je stärker etwas von der Erde angezogen wird, desto stärker dehnt sich die Feder und desto mehr Newton werden angezeigt (B 13.5). Eine Tafel Schokolade mit einer Masse von 100 g wird von der Erde zum Beispiel mit der Kraft von 1 N angezogen und 1 kg Zucker mit der Kraft von 10 N. Und da sind wir jetzt wieder beim – zugegeben – nicht leicht zu durchblickenden Unterschied zwischen Masse und Gewicht. Im Alltag werden beide Ausdrücke in einen Topf geworfen, aber in der Physik ist das etwas anderes, und deshalb müssen wir uns das genauer ansehen. Am besten kann man das verstehen, wenn man das 2. Newtonsche Gesetz dazu nimmt und etwas anpasst (B 13.6). 1 kg 0,1 kg 0,5 kg 10 N 5 N 1 N B 13.5 Federwaagen mit verschiedenen Massen. Die weißen und roten Streifen entsprechen je 1 N. Rechts ist die Röhre aufgeschnitten, damit du die Feder im Inneren siehst. Federwaagen sind also Kraftmesser. B 13.6 Die Gewichtskraft gibt an, mit wie vielen Newton ein Objekt von der Erde angezogen wird. Sie kann mit dem 2. Newtonschen Gesetz ermittelt werden. Je größer die Masse eines Objekts ist, desto schwerer ist es, seine Geschwindigkeit in irgendeiner Form zu ändern ( A 1 ). Die Masse wird in Kilogramm angegeben. Nun sagt das 2. Newtonsche Gesetz, dass Kraft gleich Masse mal Beschleunigung ist. Im speziellen Fall ist die Gewichtskraft gleich Masse mal Fallbeschleunigung (Kap. 12.3, S. 27). Wenn man also die Kilogramm mit dem Wert 10 multipliziert, dann bekommt man die Gewichtskraft in Newton. Machen wir eine Spritztour durchs Sonnensystem und sehen uns dabei den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft an. Eine Schokolade mit einer Masse von 100 g hat überall im Universum 100 g (B 13.7). Sie ist also überall gleich schwer anzuschubsen. Die Gewichtskraft hängt aber davon ab, wo sich die Masse gerade befindet. Auf der Erde wiegt die Schokolade 1 N, es schaut bei der Federwaage nur der unterste rote Teil der Skala raus. Am Mars wiegt sie bloß 1/3 N und am Mond gar nur 1/6 N – die Skala ist also fast nicht mehr zu sehen. Am Jupiter, dem fettesten Planeten in unserem Sonnensystem, wiegt die Schokolade 2,5 N und auf der Sonne sogar satte 27,4 N – natürlich würde sie auch sehr rasch schmelzen! Auf der Sonne ist die Schokolade daher 165-mal so schwer wie auf dem Mond! Caramba! Jupiter 2,5 N Sonne 27,4 N 100 g Schokolade Erdmond Mars Erde 1 N 1/3 N 1/6 N 100 g Schokolade 100 g Schokolade 100 g Schokolade 100 g Schokolade B 13.7 Die Gewichtskraft einer Tafel Schokolade in Newton an verschiedenen Orten unseres Sonnensystems. Während die Masse mit 100 g überall gleich ist, ist die Gewichtskraft unterschiedlich groß, weil die Masse unterschiedlich stark angezogen wird. Beim Einstieg in das Großkapitel bekommst du erste Infos und es werden spannende Fragen aufgeworfen, die im Kapitel beantwortet werden. 38 Beispiele für Kräfte In Kapitel 12 hast du schon gehört, dass Kräfte zu Geschwindigkeitsänderungen führen. Sie können auch Verformungen hervorrufen, etwa wenn Objekte mit hoher Geschwindigkeit auf andere prallen und dann alles Mögliche anrichten (B 13.1). Um deine Kenntnisse zu vertiefen, sehen wir uns in diesem Kapitel Beispiele für Kräfte an, die in deinem Alltag eine große Rolle spielen, etwa die Gravitationskraft, die dich zu Boden zieht, Reibungskräfte, die du beim Radfahren oder Schwimmen überwinden musst, oder deine Muskelkraft, die die Bewegungen deines Körpers ermöglicht. Was misst eine Badezimmerwaage? Masse oder Gewicht? Das ist eine sehr schwere Frage, über die auch viele Erwachsene stolpern! Diskutiere mit einer Nachbarin oder deinem Nachbarn darüber! Du möchtest auf einem Obstmarkt am Mond 1 kg Äpfel kaufen. Entscheide, welche Waage richtig funktionieren würde: Badezimmerwaage oder Balkenwaage? B 13.3 Welche Waage misst richtig am Mond? Der Nordpol der Erde ist ja oben. Bedeutet das, dass den Pinguinen am Südpol das Blut in den Kopf rinnt? Versuche zu argumentieren! B 13.4 Rinnt den Pinguinen am Südpol das Blut in den Kopf? A 3 A 4 A 5 13.1 Gravitationsmonster Gewichtskraft und Gravitationskraft In diesem Abschnitt sehen wir uns die Gravitationskraft an, die deinen Alltag bestimmt. Ohne sie würdest du wie ein Astronaut durch die Gegend schweben. Es geht hier aber auch um den haarigen Unterschied zwischen Masse und Gewicht! Was versteht man unter der Masse eines Objekts? Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Masse und dem 2. Newtonschen Gesetz? Lies nach in Kap. 12.1 (S. 22) und Kap. 12.5 (S. 30). In der Physiksammlung gibt es Federwaagen (B 13.2). Mit diesen kann man messen, wie schwer ein Objekt ist. Schau auf der Waage nach, in welcher Einheit sie misst. Und welchen Wert zeigt sie zum Beispiel an, wenn du eine Tafel Schokolade mit 100 g dranhängst? B 13.2 In welcher Einheit misst eine Federwaage? A 1 A 2 13 Newton und der Apfel 13 Zusatzmaterial 92388k B 13.1 Eine Patrone durchschlägt mit 200 m/s (720 km/h) einen Apfel. 13.2 Die Welt steht still! Reibungskraft Hier geht es um die Reibungskraft. Diese tritt zum Beispiel auf, wenn du eine Kiste über den Boden schiebst. Sie macht dir aber nicht nur das Leben schwer, sondern ist oft auch verdammt praktisch! Die Räder eines Skateboards stecken nicht einfach so auf den Achsen, dazwischen befinden sich Kugellager. Erkläre, wie diese funktionieren. Reibe deine Hände mehrere Male fest aneinander. Die Handflächen werden dabei ganz schön warm! Begründe, warum das so ist. Warum verwendet man beim Klettern Schuhe mit Gummisohle? Und warum reibt man sich die Hände mit einem weißen Pulver ein? Begründe. B 13 .17 Wozu dient das weiße Pulver, das man beim Klettern verwendet? Befestige eine Federwaage an einem Holzquader und probiere Folgendes aus: B 13.16 Kugellager im Skateboard A 6 A 7 A 8 A 9 B 13.18 Selbst wenn dir eine Oberfläche beim Darüberstreichen völlig glatt vorkommt, kann man bei starker Vergrößerung unter dem Mikroskop immer Berge und Täler erkennen. Wenn zwei Oberflächen einander berühren, etwa eine Kiste und der Boden, dann verzahnen sich diese kleinsten Unebenheiten, und das macht das Schieben einer Kiste schwer (B 13.19). Die Reibung oder genauer gesagt Reibungskraft entsteht durch Unebenheiten an den Oberflächen sich berührender Körper und wirkt Bewegungen entgegen. B 13.19 Die Haftreibungskraft (a) ist größer als die Gleitreibungskraft (b). Bei deinen Versuchen ( A 9 a ) hast du wahrscheinlich folgendes bemerkt: In dem Moment, in dem das Objekt zu rutschen beginnt, sinkt die Anzeige auf der Federwaage ab. Warum? Wenn das Objekt ruht, greifen die Verzahnungen der Oberflächen tief ineinander (B 13.19 a). Dadurch entsteht die Haftreibungskraft. Wenn das Objekt rutscht, dann hebt es die oberen Unebenheiten etwas aus den unteren heraus und sie rumpeln mit weniger Kontakt aneinander vorbei (b). Dadurch entsteht die Gleitreibungskraft, die immer kleiner ist, als die Haftreibungskraft. Wenn die Unebenheiten der Oberflächen größer sind, etwa bei Filz oder Schleifpapier, greifen sie tiefer ineinander, und die Dinge sind dann schwerer gegeneinander zu verschieben ( A 9 b ). Wenn das Objekt mehr Masse hat, werden die Unebenheiten stärker ineinander gedrückt, und die Reibungskraft steigt (B 13.20 b und A 9 c ). Umgekehrt ist nasser Boden sehr rutschig, weil das Wasser einen dünnen Schmierfilm bildet und gewissermaßen die Gebirge der Ober- und Unterseite auf Abstand hält (B 13.20 c). Auch Schmieröl funktioniert so, etwa bei einer Fahrradkette. Haftreibung Gleitreibung Bewegung Gleitreibungskraft Haftreibungskraft a b Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
5 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 7 und A 8 ) helfen dir, schneller die Antwort auf die zu Beginn gestellten Fragen zu finden. 42 13.2 Die Welt steht still! Reibungskraft Hier geht es um die Reibungskraft. Diese tritt zum Beispiel auf, wenn du eine Kiste über den Boden schiebst. Sie macht dir aber nicht nur das Leben schwer, sondern ist oft auch verdammt praktisch! Die Räder eines Skateboards stecken nicht einfach so auf den Achsen, dazwischen befinden sich Kugellager. Erkläre, wie diese funktionieren. Reibe deine Hände mehrere Male fest aneinander. Die Handflächen werden dabei ganz schön warm! Begründe, warum das so ist. Warum verwendet man beim Klettern Schuhe mit Gummisohle? Und warum reibt man sich die Hände mit einem weißen Pulver ein? Begründe. B 13 .17 Wozu dient das weiße Pulver, das man beim Klettern verwendet? Befestige eine Federwaage an einem Holzquader und probiere Folgendes aus: a) Wofür brauchst du mehr Kraft? Um den Quader in Bewegung zu setzen oder um ihn in Bewegung zu halten, wenn er schon rutscht? b) Wie ist das bei verschiedenem Untergrund, etwa bei Tischplatte, Filz und Schleifpapier? Und wie ist es auf Murmeln oder Rundhölzern? c) Wie verändert sich die benötigte Kraft, wenn du auf den Holzklotz zusätzliche Gewichte gibst? B 13.16 Kugellager im Skateboard A 6 A 7 A 8 A 9 B 13.18 Selbst wenn dir eine Oberfläche beim Darüberstreichen völlig glatt vorkommt, kann man bei starker Vergrößerung unter dem Mikroskop immer Berge und Täler erkennen. Wenn zwei Oberflächen einander berühren, etwa eine Kiste und der Boden, dann verzahnen sich diese kleinsten Unebenheiten, und das macht das Schieben einer Kiste schwer (B 13.19). Die Reibung oder genauer gesagt Reibungskraft entsteht durch Unebenheiten an den Oberflächen sich berührender Körper und wirkt Bewegungen entgegen. B 13.19 Die Haftreibungskraft (a) ist größer als die Gleitreibungskraft (b). Bei deinen Versuchen ( A 9 a ) hast du wahrscheinlich folgendes bemerkt: In dem Moment, in dem das Objekt zu rutschen beginnt, sinkt die Anzeige auf der Federwaage ab. Warum? Wenn das Objekt ruht, greifen die Verzahnungen der Oberflächen tief ineinander (B 13.19 a). Dadurch entsteht die Haftreibungskraft. Wenn das Objekt rutscht, dann hebt es die oberen Unebenheiten etwas aus den unteren heraus und sie rumpeln mit weniger Kontakt aneinander vorbei (b). Dadurch entsteht die Gleitreibungskraft, die immer kleiner ist, als die Haftreibungskraft. Wenn die Unebenheiten der Oberflächen größer sind, etwa bei Filz oder Schleifpapier, greifen sie tiefer ineinander, und die Dinge sind dann schwerer gegeneinander zu verschieben ( A 9 b ). Wenn das Objekt mehr Masse hat, werden die Unebenheiten stärker ineinander gedrückt, und die Reibungskraft steigt (B 13.20 b und A 9 c ). Umgekehrt ist nasser Boden sehr rutschig, weil das Wasser einen dünnen Schmierfilm bildet und gewissermaßen die Gebirge der Ober- und Unterseite auf Abstand hält (B 13.20 c). Auch Schmieröl funktioniert so, etwa bei einer Fahrradkette. B 13.20 Eine größere Masse verstärkt die Verzahnung (a + b) und die Reibungskraft wird größer. Ein Wasser- oder Ölfilm hält die Hügel auf Distanz (c) und die Reibungskraft wird kleiner. Haftreibung Gleitreibung Bewegung Gleitreibungskraft Haftreibungskraft a b Wasser a b c 43 13 Newton und der Apfel Reibungskräfte können auf einer Seite unheimlich störend sein, auf der anderen Seite verdammt praktisch. Sehen wir uns dazu Beispiele aus dem Alltag an und fangen wir mit der unerwünschten Reibung an. Reibung ist überall dort ungünstig, wo sie erwünschte Bewegung bremst und behindert. Zum Beispiel bringt die Reibung an der Luft nicht angetriebene Autos oder Fahrräder nach kurzer Zeit zum Stillstand. Weil ein großer Luftwiderstand beim Autofahren mehr Treibstoff verbraucht, versucht man, Fahrzeuge möglichst windschlüpfrig zu bauen (B 13.21). Bei festen Teilen, die gegeneinander reiben, verwendet man Schmieröl, etwa bei der Fahrradkette. B 13.21 Hier wir ein Auto im Windkanal darauf getestet, wie klein die erzeugte Luftwiderstandskraft ist. Um die Reibung zu verringern, arbeitet man außerdem mit Rädern und Kugellagern. Das Rad wurde vor etwa 5500 Jahren erfunden. Man bemerkte, dass Rollreibung viel geringer ist als Gleitreibung. Wenn du zum Beispiel den Holzklotz auf Murmeln oder Rundhölzer legst, sinkt die nötige Kraft zum Ziehen sehr stark ab ( A9 b ). Den Trick mit dem Murmeln kennst du sicher aus diversen Slapstickszenen in Filmen (B 13.22). Den Trick mit der Rollreibung verwendet man auch bei Achsen. Diese sind über Kugellager mit den Rädern verbunden ( A6 ). Der äußere Ring lässt sich gegenüber dem inneren leicht verdrehen, weil dazwischen die Kugeln munter rollen (B 13.16). Kugellager werden bei Skateboards, Fahrrädern, Inlineskates, Autos oder dem Wiener Riesenrad (B 13.23) verwendet. Aber auch in einem durchschnittlichen Haushalt befinden sich dutzende Kugellager: in Küchenmaschinen, Staubsaugern, Rollkoffern, Bohrmaschinen, DVD-Laufwerken. Die Liste könnte man beinahe endlos fortsetzen. Ohne Kugellager würde die Welt bildlich gesprochen stillstehen! B 13.22 Dass man auf Murmeln leicht ausrutscht, ist ein Effekt der geringen Rollreibung. B 13.23 Das Wiener Riesenrad hat eine unfassbare Masse von 245Tonnen! Auf der Achse befinden sich zwei riesige Kugellager mit etwa 0,5 m Durchmesser – wie beim Fahrrad, nur XXXXXXXL! Wann ist Reibung günstig? Beim Gehen drückst du dich vom Boden nach vorne weg. Das ist nur auf Grund der Reibung möglich. Du merkst das, wenn du einmal auf glattem Eis unterwegs bist – oder auf Murmeln ausrutscht. Für jede Geschwindigkeitsänderungen mit Rad, Auto oder Zug braucht man die Reibung mit dem Untergrund. Ohne Reibung keine Geschwindigkeitsänderung! Nägel und Schrauben halten nur durch Reibung. Auch alle Knoten und Schuhmaschen würden ohne Reibung sofort wieder aufgehen. Ein Kletterer nutzt die große Reibung zwischen Gummisohlen und Fels aus und gibt sich Magnesium auf die Finger, das den Schweiß aufsaugt und die Reibung erhöht ( A 8 ). Auch beim Anzünden eines Streichholzes (B 13.24) nutzt du die Reibung aus. Diese erzeugt nämlich auch immer Wärme ( A 7 ). B 13.24 Ein Streichholz braucht zum Entzünden 180 bis 200 °C. Diese Temperatur kommt von der Reibung. Kurz zusammengefasst Die Reibungskraft entsteht durch Unebenheiten an den Oberflächen sich berührender Körper und wirkt Bewegungen entgegen. Wie große die Reibungskraft ist, hängt von den Materialien und der Masse ab. Schmiermittel, Räder und Kugeln können die Reibung sehr stark verringern. Die Reibungskraft kann aber im Alltag auch sehr praktisch sein, etwa bei der Fortbewegung. 43 13 Newton und der Apfel Reibungskräfte können auf einer Seite unheimlich störend sein, auf der anderen Seite verdammt praktisch. Sehen wir uns dazu Beispiele aus dem Alltag an und fangen wir mit der unerwünschten Reibung an. Reibung ist überall dort ungünstig, wo sie erwünschte Bewegung bremst und behindert. Zum Beispiel bringt die Reibung an der Luft nicht angetriebene Autos oder Fahrräder nach kurzer Zeit zum Stillstand. Weil ein großer Luftwiderstand beim Autofahren mehr Treibstoff verbraucht, versucht man, Fahrzeuge möglichst windschlüpfrig zu bauen (B 13.21). Bei festen Teilen, die gegeneinander reiben, verwendet man Schmieröl, etwa bei der Fahrradkette. B 13.21 Hier wir ein Auto im Windkanal darauf getestet, wie klein die erzeugte Luftwiderstandskraft ist. Um die Reibung zu verringern, arbeitet man außerdem mit Rädern und Kugellagern. Das Rad wurde vor etwa 5500 Jahren erfunden. Man bemerkte, dass Rollreibung viel geringer ist als Gleitreibung. Wenn du zum Beispiel den Holzklotz auf Murmeln oder Rundhölzer legst, sinkt die nötige Kraft zum Ziehen sehr stark ab ( A9 b ). Den Trick mit dem Murmeln kennst du sicher aus diversen Slapstickszenen in Filmen (B 13.22). Den Trick mit der Rollreibung verwendet man auch bei Achsen. Diese sind über Kugellager mit den Rädern verbunden ( A6 ). Der äußere Ring lässt sich gegenüber dem inneren leicht verdrehen, weil dazwischen die Kugeln munter rollen (B 13.16). Kugellager werden bei Skateboards, Fahrrädern, Inlineskates, Autos oder dem Wiener Riesenrad (B 13.23) verwendet. Aber auch in einem durchschnittlichen Haushalt befinden sich dutzende Kugellager: in Küchenmaschinen, Staubsaugern, Rollkoffern, Bohrmaschinen, DVD-Laufwerken. Die Liste könnte man beinahe endlos fortsetzen. Ohne Kugellager würde die Welt bildlich gesprochen stillstehen! B 13.22 Dass man auf Murmeln leicht ausrutscht, ist ein Effekt der geringen Rollreibung. B 13.23 Das Wiener Riesenrad hat eine unfassbare Masse von 245Tonnen! Auf der Achse befinden sich zwei riesige Kugellager mit etwa 0,5 m Durchmesser – wie beim Fahrrad, nur XXXXXXXL! Wann ist Reibung günstig? Beim Gehen drückst du dich vom Boden nach vorne weg. Das ist nur auf Grund der Reibung möglich. Du merkst das, wenn du einmal auf glattem Eis unterwegs bist – oder auf Murmeln ausrutscht. Für jede Geschwindigkeitsänderungen mit Rad, Auto oder Zug braucht man die Reibung mit dem Untergrund. Ohne Reibung keine Geschwindigkeitsänderung! Nägel und Schrauben halten nur durch Reibung. Auch alle Knoten und Schuhmaschen würden ohne Reibung sofort wieder aufgehen. Ein Kletterer nutzt die große Reibung zwischen Gummisohlen und Fels aus und gibt sich Magnesium auf die Finger, das den Schweiß aufsaugt und die Reibung erhöht ( A 8 ). Auch beim Anzünden eines Streichholzes (B 13.24) nutzt du die Reibung aus. Diese erzeugt nämlich auch immer Wärme ( A 7 ). B 13.24 Ein Streichholz braucht zum Entzünden 180 bis 200 °C. Diese Temperatur kommt von der Reibung. Kurz zusammengefasst Die Reibungskraft entsteht durch Unebenheiten an den Oberflächen sich berührender Körper und wirkt Bewegungen entgegen. Wie große die Reibungskraft ist, hängt von den Materialien und der Masse ab. Schmiermittel, Räder und Kugeln können die Reibung sehr stark verringern. Die Reibungskraft kann aber im Alltag auch sehr praktisch sein, etwa bei der Fortbewegung. 43 Windkanal darauf getestet, wie standskraft ist. ngern, arbeitet man außerdem gern. Das Rad wurde vor etwa an bemerkte, dass Rollreis Gleitreibung. Wenn du zum uf Murmeln oder Rundhölzer aft zum Ziehen sehr stark ab em Murmeln kennst du sicher enen in Filmen (B 13.22). bung verwendet man auch bei Kugellager mit den Rädern ßere Ring lässt sich gegenverdrehen, weil dazwischen n (B 13.16). Kugellager werden dern, Inlineskates, Autos oder B 13.23) verwendet. Aber auch hen Haushalt befinden sich Küchenmaschinen, Staubsaumaschinen, DVD-Laufwerken. inahe endlos fortsetzen. Ohne elt bildlich gesprochen stillB 13.22 Dass man auf Murmeln leicht ausrutscht, ist ein Effekt der geringen Rollreibung. Rad, Auto oder Zug braucht man die Reibung mit dem Untergrund. Ohne Reibung keine Geschwindigkeitsänderung! Nägel und Schrauben halten nur durch Reibung. Auch alle Knoten und Schuhmaschen würden ohne Reibung sofort wieder aufgehen. Ein Kletterer nutzt die große Reibung zwischen Gummisohlen und Fels aus und gibt sich Magnesium auf die Finger, das den Schweiß aufsaugt und die Reibung erhöht ( A 8 ). Auch beim Anzünden eines Streichholzes (B 13.24) nutzt du die Reibung aus. Diese erzeugt nämlich auch immer Wärme ( A 7 ). B 13.24 Ein Streichholz braucht zum Entzünden 180 bis 200 °C. Diese Temperatur kommt von der Reibung. Kurz zusammengefasst Die Reibungskraft entsteht durch Unebenheiten an den Oberflächen sich berührender Körper und wirkt Bewegungen entgegen. Wie große die Reibungskraft ist, hängt von den Materialien und der Masse ab. Schmiermittel, Räder und Kugeln können die Reibung sehr stark verringern. Die Reibungskraft kann aber im Alltag auch sehr praktisch sein, etwa bei der Fortbewegung. Zum Schluss wird das Wichtigste der Doppelseite nochmals kurz und verständlich zusammengefasst. 50 Übung und Vertiefung Archimedes, Flash und Co. 1 L knifflige Frage: Im Weltall schwebt ein einsamer Tisch, auf den du die Erde legst! Beantworte: Wie viel würde die Erde wiegen? 1 L Auf einem Seil steht, dass es mit maximal 1000 N belastet werden kann. Bestimme, wie viel Kilo du damit höchstens in die Höhe heben könntest. 1 L Du stehst auf deiner Badezimmerwaage. Diese zeigt 40 kg. Die Formulierung „Ich habe ein Gewicht von 40 kg!“ ist ja physikalisch gesehen falsch. Wie würdest du es richtig formulieren? 1 L Die Schilder bei Brücken (B 13.51) nennt man im Alltag „Gewichtsbeschränkung“. Wie könnte man das physikalisch richtig formulieren? Bastle dir selbst eine Briefwaage (B 13.52). An die Klammer hängst du die Stücke, die du wiegen möchtest. Zum Beschriften der Skala brauchst du ein Blatt Kopierpapier mit 80 Gramm pro m2. Wenn du ein Stück mit 12 cm mal 10,5 cm ausschneidest, hast du genau 1 Gramm. Mit ein, zwei, drei Blättern… kannst du dann die Waage genau „eichen“. A 20 B 13.50 A 21 A 22 A 23 B 13.51 Ein „Gewichtsbeschränkung“: Wie könnte man das physikalisch richtig formulieren? A 24 Klebeband Münze Karton Skala Loch 10 cm Nullstellung B 13.52 Eine selbstgemachte Briefwaage 1 L Du willst einem Alien auf einem fernen Planeten am Telefon die Begriffe oben und unten sowie links und rechts erklären. Was geht einfach und womit wirst du große Probleme haben? Begründe. 1 L Wie schnell The Flash laufen kann, ist umstritten. Aber er ist auf jeden Fall seeehr schnell, er kann sogar Superman beim Laufen abhängen. Begründe, warum Flash und sein Superanzug absolut feuerfest sein müssen. B 13.53 Flash ist sogar schneller als Superman – zumindest in manchen Episoden! 1 L Was ist eine Sternschnuppe und wie entsteht sie? Das Bild unten zeigt den Geminidenschauer. Recherchiere dazu im Internet. B 13.54 Ein Sternschnuppenschauer 1 L Was ist im Flussdiagramm unten scherzhaft dargestellt? Beschreibe das Diagramm einer Mitschülerin oder einem Mitschüler. B 13.55 Was soll dieses Flussdiagramm? A 25 A 26 A 27 A 28 Bewegt es sich? nein nein nein Sollte es? kein Problem kein Problem Sollte es? ja ja ja 51 13 Newton und der Apfel 1 L In deinen Gelenken, etwa dem Kniegelenk (B 13.49), befindet sich eine Flüssigkeit. Diese wird vermehrt erzeugt, wenn du dich bewegst, etwa wenn du läufst. Was hat das für einen Sinn? Begründe. 1 L In einer Wasserrutsche im Schwimmbad rinnt immer ein kleines Bächlein (B 13.56). Warum? B 13.56 Warum werden die Rutschen immer nass gemacht? Wie groß die Reibungskraft von verschiedenen Objekten im Vergleich ist, kannst du ganz einfach mit Hilfe eines Holzbretts bestimmen (B 13.57). Du erhöhst langsam den Neigungswinkel. Was früher zu rutschen beginnt, hat eine kleinere Reibung. 1 L Wenn sich auf der Straße viel Wasser befindet, kann es passieren, dass zwischen Autoreifen und Straße ein Wasserkeil entsteht (B 13.58). Das nennt man Aquaplaning. Erkläre, was das Gefährliche daran ist. B 13.58 Aquaplaning A 29 A 30 A 31 Eiswürfel Radierer Streichholzschachtel Kuli B 13.57 Je kleiner die Reibungskraft, desto eher beginnt das Ding bei steigender Neigung zu rutschen. A 32 1 L In der Steinzeit erzeugte man Feuer mit Hilfe eines Rundstabes (B 13.59). Beschreibe, wie das funktioniert. 1 L Warum befinden sich auf Stufen manchmal farbige raue Streifen? Warum sind Metalltreppen oft geriffelt? Begründe deine Antworten. 1 L Berechne den Druck in Newton pro m2 in den drei Fällen in B 13.60. Gib vorher einen Tipp ab, wo der größte Druck auftritt! Überprüfe dann deine Hypothese. Zur Berechnung musst du bei a und b zuerst die Gewichtskraft ausrechnen. Außerdem musst du die Fläche bei b und c vorher in m2 umrechnen. Es gilt 1 dm2 = 0,01 m2 und 1 mm2 = 0,000001 m2. B 13.60 In welchen Fällen entsteht der größte Druck? 1 L Der griechische Gelehrte Archimedes sollte die Reinheit einer goldenen Krone prüfen, ohne diese zu zerschneiden. Das Aha-Erlebnis kam beim Baden. Er rief angeblich „Heureka!“ („Ich hab’s gefunden!“) und rannte dann nackt auf die Straße. Wie löste er das Problem? Begründe deine Antwort. Hilf dir mit B 13.61. B 13.61 Die Krone und ein gleich schwerer Klumpen Gold. Die Größe der Kräfte ist nicht maßstäblich dargestellt. A 33 B 13.59 Wie macht man mit einem Rundstab Feuer? A 34 A 35 a b c Masse: 40 kg Masse: 5 t Kraft: 2 N Fläche: 0,5 m2 3 dm3 0,002 mm2 A 36 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
6 Bewegung aller Art Wir Menschen sind in ständiger Bewegung: zu Fuß, mit Roller oder Rad, mit Straßenbahn, Auto oder Flugzeug – und manchmal sogar in Raketen. Um die vielfältigen Arten solcher Bewegung geht es in diesem Kapitel. Eine wichtige Aufgabe der Physik ist es nämlich, Bewegungen aller Art aufzuzeichnen und zu untersuchen. Die Aufnahme rechts wurde zum Beispiel mit einer speziellen Technik erstellt, die du in diesem Kapitel kennen lernst. Aus einer solchen Mehrfachaufnahme können Fachleute viele interessante Details „herauslesen“, in diesem Fall zum Beispiel, dass die Ausführung der Bewegung der jungen Frau perfekt gelungen ist. Suche auf deinem Smartphone im App-Store nach dem Begriff Stroboskop. Darunter versteht man eine Lichtquelle, die in regelmäßigen Abständen Lichtblitze abgeben kann. Mit professionellen Stroboskopen wurden zum Beispiel die Fotos in B 11.1 und B 11.2 aufgenommen. Es gibt aber auch Apps, mit denen man die LED des Smartphones als Stroboskop verwenden kann. Installiere mit Hilfe der Lehrkraft eine geeignete App. Experimentiere dann in einem dunklen Raum, zum Beispiel mit Bällen. Wenn ihr zu zweit arbeitet, könnt ihr mit einem anderen Smartphone ein Video aufnehmen. In B 11.3 siehst du die Flugreise des Storches Eva in der Saison 23/24. Die Punkte sind die täglichen Positionen. Welche Informationen kannst du aus der Abbildung herauslesen? Welche kannst du nicht herauslesen? Diskutiere mit deiner Sitznachbarin oder deinem Sitznachbarn. A 2 Deutschland Slowakei Ungarn Polen Rumänien Bulgarien Türkei Syrien Libanon Israel Jordanien Ägypten Störchin Eva 14.03.2024 17.03.2024 21.03.2024 26.03.2024 30.03.2024 03.04.2024 05.04.2024 08.04.2024 B 11.3 Eva auf Reisen A 3 11.1 Eva auf Reisen Ort und Zeit Eine wichtige Aufgabe der Physik ist es, Bewegungen aufzuzeichnen und darzustellen. Dazu sehen wir uns in diesem Abschnitt ein paar interessante Beispiele an. In B 11.2 siehst du die Bewegung eines hüpfenden Tischtennisballs in einem dunklen Raum. Er wurde 50-mal pro Sekunde geblitzt. In welche Richtung springt der Ball? An welchen Stellen ist er eher schnell und wo eher langsam? Welche Zeit liegt zwischen zwei Positionen? Und wie lange hat die ganze Aufnahme gedauert? Begründe deine Antworten. B 11.2 Ein hüpfender Tischtennisball (Durchmesser 4 cm) A 1 11 Wie komme ich von A nach B? Zusatzmaterial 8zk8g3 B 11.1 Eine Sprinterin startet mit beeindruckender Energie. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
7 11 Wie komme ich von A nach B? Wie kann man die Bewegung eines Menschen, eines Storches, eines Balles oder jedes beliebigen anderen Objekts beschreiben? Indem man ermittelt, zu welchem Zeitpunkt es sich an welchem Ort befindet. Man kann das zum Beispiel durch ein Stroboskop im Dunkeln erreichen (B 11.1 und B 11.2). Oder man kann Einzelbilder mit geeigneter Software übereinanderlegen (B 11.4) und auch bei Tageslicht beeindruckende Mehrfachbilder erstellen. B 11.4 Um das Serienbild zu bekommen, wurden mit einer speziellen Software 10 Einzelbilder übereinandergelegt. Sehen wir uns einmal den Tischtennisball genauer an ( A 1 ). Gefühlsmäßig ist sofort klar, dass er von links nach rechts hüpfen muss! Warum? Weil Bälle mit jedem Aufprall an Schwung verlieren und irgendwann liegen bleiben (B 11.5). Warum das so ist, werden wir uns in Kap. 14.2 (S. 55) noch genauer ansehen. B 11.5 Auch der Basketball wurde mit einem Stroboskop aufgenommen, aber nur mit 25 Bildern pro Sekunde. Trotz der Unterschiede in Größe, Sprunghöhe und Aufnahme sind dieselben Effekte wie in B 11.2 zu erkennen. Vom hüpfenden Tischtennisball (B 11.2) wurden 50 Bilder pro Sekunde gemacht. Zwischen den einzelnen Positionen liegen also bloß 1/50 Sekunde (= 2/100 Sekunden). Weil die Abstände kurz vor und nach dem Aufprall am Boden größer sind, kannst du daraus schließen, dass dort der Ball schneller war. Umgekehrt sind die Abstände am höchsten Punkt sehr klein. Der Ball war dort also langsamer unterwegs. In B 11.5 siehst du denselben Effekt am Beispiel eines Basketballs. In Summe sind vom Tischtennisball 75 Einzelpositionen zu sehen ( A 1 ). Die Aufnahme hat daher 1,5 Sekunden gedauert. Und wenn man mit einbezieht, dass ein Tischtennisball einen Durchmesser von 4 cm hat, kann man sogar ausrechnen, wie schnell er sich an einer bestimmten Stelle bewegt hat. Das sehen wir uns in A 37 (S. 37) noch an. Je kleiner die Zeitabstände zwischen den bekannten Positionen eines Objekts sind, desto genauer kann man die Bewegung bestimmen. Beim Tischtennisball zum Beispiel ist die Position jede 1/50 Sekunde bekannt. Bei der Reise des Storches sind aber nur die Positionen pro Tag angegeben ( A 3 ). Wieso kennt man diese überhaupt? Weil man dem Storch vorher einen GPSSender verpasst hat! Weiß man, was Eva zwischen den einzelnen Positionen gemacht hat? Nein, nicht in dieser Darstellung! Trotzdem kann man viele Information aus B 11.3 herauslesen. Wenn man zum Beispiel die Punkte abzählt sieht man, dass die Storchendame über 3 Wochen in den Norden unterwegs war. Und man sieht auch die Tage, an denen sie längere und kürzer Strecken zurückgelegt hat. Die Informationen über Ort und Zeit können in verschiedenen Formen vorliegen, zum Beispiel auch als Tabelle. Diese Form ist deshalb praktisch, weil sie exakt ist und man nicht erst mit Lineal oder Maßband anrücken muss, um die Daten aus einem Bild herauszukitzeln. In der Tabelle unten siehst du zum Beispiel die 10-m-Zeiten beim 100 m-Weltrekord in 9,58 Sekunden von Usain Bolt im Jahr 2009. Aus dieser Tabelle kann man sehr viel herauslesen. Das sehen wir uns in A 19 (S. 16) genauer an. T 11.1 Ort und Zeit bei Bolts Weltrekord Strecke Zeit Strecke Zeit 10 m 1,74 s 70 m 6,95 s 20 m 2,73 s 80 m 7,77 s 30 m 3,63 s 90 m 8,60 s 40 m 4,49 s 100 m 9,43 s 50 m 5,32 s Reaktionszeit 0,15 s 60 m 6,14 s Gesamtzeit 9, 58 s Kurz zusammengefasst Um eine Bewegung zu beschreiben, muss man angeben, zu welcher Zeit sich ein Objekt an welchem Ort aufhält. Diese Information kann zum Beispiel in einem Bild liegen oder auch in einer Tabelle. Wenn man Orte und Zeiten kennt, dann kann man auf die Bewegung rückschließen. Je näher die Zeitpunkte beisammen liegen und je genauer der Ort bestimmt wurde, desto genauer ist auch die gesamte Bewegung bekannt. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
8 11.2 Raumstation und Achterbahn Tempo und Richtung Neben Ort und Zeit sind noch zwei weitere Angaben wichtig, nämlich Tempo und Richtung. Das sehen wir uns in diesem Abschnitt genauer an. In B 11.6 siehst du zwei Schilder aus dem Straßenverkehr, auf denen ein Tempolimit angegeben ist. Eines ist alt und physikalisch falsch, das andere neu und richtig. Welches ist welches? Versuche deine Antwort zu begründen. 1 L In B 11.7 siehst du ein Tachometer. Beantworte: In welchen Einheiten ist das Tempo angegeben? Was haben die zwei Beschriftungen für einen Sinn? Und was gibt die Zahl ganz unten an? Hast du schon einmal den Begriff Tempomat gehört? Was könnte man darunter verstehen? Kann das Tempo eines Objekts im Grunde beliebig hoch werden, zum Beispiel bei einem Raumschiff? Oder gibt es ein Tempolimit des Universums, das nicht überschritten werden kann? Begründe deine Antwort. Eine Marathonläuferin führt in einem Wettkampf die Spitzengruppe an und macht auf einmal eine Tempoverschärfung. Erkläre den Zweck und was damit gemeint ist. A 4 a b km B 11.6 Zwei Schilder mit Tempolimit: Eines davon ist physikalisch falsch! A 5 B 11.7 Was ist das Besondere an diesem Tachometer? A 6 A 7 B 11.8 A 8 Du kennst den Begriff Tempo aus dem Alltag. Ein Tempolimit gibt an, wie schnell maximal gefahren werden darf. Zum Beispiel darf man auf den großen Straßen einer Stadt in der Regel maximal 50 Kilometer pro Stunde (50 km/h) schnell fahren. Mit einer Tempomessung wird überprüft, wie schnell man tatsächlich unterwegs ist (B 11.9). Mit einem Tempomaten kann man einstellen, wie schnell ein Auto maximal fahren kann ( A 6 ), etwa 130 km/h auf der Autobahn. Der Vorteil ist, dass man das Tempo dann während der Fahrt nicht ständig durch einen Blick auf den Tachometer kontrollieren muss. Und eine Tempoverschärfung bedeutet, dass man nachher schneller unterwegs ist, zB wenn die Marathonläuferin einen Zwischenspurt einlegt, um die anderen aus der Spitzengruppe abzuhängen ( A 8 ). Das Tempo eines Autos wird vom Tachometer angezeigt, und zwar in Kilometern pro Stunde (km/h; A 5 ). Kilometer sind eine Streckenangabe, Stunden eine Zeitangabe. Daraus kannst du schließen: Tempo ist der zurückgelegte Weg in der dafür benötigten Zeit. Wenn man also mit Hilfe des Tempomaten eine Stunde 130 km/h lang fährt, legt man 130 Kilometer zurück. Physikerinnen und Physiker verwenden gerne Formeln, weil sie dann weniger schreiben müssen. Das ist natürlich nicht deshalb, weil sie faul sind, sondern weil durch Formeln alles übersichtlicher wird (B 11.10). B 11.10 Die Formel für das Tempo: Zum besseren Verständnis sind die einzelnen Buchstaben, die man auf schlau „Variablen“ nennt, beschriftet. Die Beschriftung lässt man dann natürlich weg und schreibt nur v = s/t. Früher waren die Beschriftungen auf den Verkehrszeichen falsch, da stand dann zum Beispiel 50 km ( A 4 ; B 11.6 b). Das ist natürlich Quatsch, denn was soll das bedeuten? Dass man 50 km weit fahren muss? Die richtige Angabe für das Tempo wäre natürlich 50 km/h, aber die Verantwortlichen hatten wohl im Physikunterricht in der Schule nicht gut aufgepasst. Heutzutage lässt man die Einheiten weg (B 11.6 a). Trotzdem weiß man natürlich, was damit gemeint ist. B 11.9: Eine Tempomessung in der Stadt Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
9 11 Wie komme ich von A nach B? Der obere Bereich der Abbildung (a) passt zusammengestaucht in den grauen Bereich unten links hinein (b). In diesem unteren Bereich sind drei wirklich schnelle Objekte zu sehen. Die Internationale Raumstation ISS umkreist die Erde mit 7660 m/s (7,66 km/s). Die unbemannte Raumsonde Voyager 1 ist das am weitesten von der Erde entfernte Objekt, das je von Menschen gebaut wurde. Sie fliegt mit 17.040 m/s (rund 17 km/s) im All. Und die Erde bewegt sich sogar mit sagenhaften 30.000 m/s (30 km/s) um die Sonne. Das Tempo der Erde ist daher 30.000-mal so groß wie das eines spazierenden Menschen!! B 11.13 Menschliche Haut und ein Haar unter dem Elektronenmikroskop. Ein Haar wächst mit dem absurd langsamen Tempo von 0,00000002 km/h. Jetzt kommt eine wichtige Sache: Alles, was sich bewegt, hat aus Sicht der Physik ein Tempo. Sehen wir uns dazu etwas an, das nicht in der Grafik eingetragen ist, weil es so langsam ist, nämlich das Haarwachstum. Haare wachsen im Monat 1 bis 1,5 cm, also 12 bis 18 cm im Jahr. 18 cm pro Jahr sind umgerechnet 0,00000002 km/h (siehe A 23 , S. 20). Das ist wirklich seeehr langsam – aber physikalisch gesehen trotzdem ein Tempo! Während man im Alltag das Tempo in den meisten Ländern in km/h angibt, hat man sich in der Physik schon in den 1960ern darauf geeinigt, m/s (Meter pro Sekunde) zu verwenden. Um von m/s auf km/h zu kommen, musst du mit 3,6 multiplizieren, um von km/h auf m/s zu kommen durch 3,6 dividieren (B 11.11). B 11.11 Wie man m/s und km/h ineinander umrechnet. In Großbritannien und den USA wird die Geschwindigkeit heute noch in Meilen pro Stunde (miles per hour oder kurz mph) angegeben. Auf vielen Autos aus dem englischsprachigen Raum ist der Tachometer mit einer doppelten Skala versehen ( A 5 ), damit man diese überall benutzen kann. 1 mph entspricht rund 1,61 km/h. 100 mph sind daher ziemlich genau 160 km/h, wie du gut am Doppeltacho in B 11.7 erkennen kannst. Wir bleiben für die folgenden Überlegungen aber bei km/h und m/s. Um dir einen Überblick zu geben, siehst du in B 11.12 Objekte mit sehr unterschiedlichem Tempo. Die Werte sind in km/h und m/s angegeben und manchmal auf schöne Zahlen gerundet. Im oberen Bereich der Grafik (a) siehst du Bewegungen mit einem Tempo von 1 m/s (3,6 km/h) bis zum Tempo des Schalls mit 343 m/s (1235 km/h). Einen Tick schneller war das Superauto Thrust SSC, das als erstes Fahrzeug die „Schallmauer“ durchbrach. 1 s 1 m 3,6 km/h 1 m/s = 3,6 km/h durch 3,6 mal 3,6 B 11.12 Tempo verschiedener Objekte in km/h und m/s: Die Zahlen sind teilweise auf schöne Werte gerundet. Die Erde bewegt sich 30.000-mal so schnell wie ein gehender Mensch. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
10 Nehmen wir als zweites Beispiel für ein sehr geringes Tempo eine Weinbergschnecke (B 11.14). Diese bewegt sich buchstäblich im Schneckentempo von bloß 7 cm pro Minute. Das sind umgerechnet 0,0042 km/h (siehe A 23 , S. 20). Das ist zwar viel, viel schneller als das Haarwachstum, aber trotzdem immer noch unglaublich langsam. Für die 300 km von Salzburg nach Wien wäre die Schnecke dann über 8 Jahre unterwegs! Aber auch in diesem Fall spricht man in der Physik von einem Tempo. B 11.14 Eine Weinbergschnecke schafft etwa 7cm in der Minute. Trotzdem sind diese umgerechnet 0,0042 km/h physikalisch gesehen ein Tempo. Du siehst an diesen beiden Beispielen, dass der Begriff Tempo in der Physik ein bisschen anders verwendet wird als im Alltag. In der der Physik hat alles, was sich bewegt, ein Tempo, im Alltag nur das, was ordentlich schnell daherkommt, zum Beispiel ein Sprinter oder ein Sportwagen. Es ist wichtig zu wissen, dass es in der Physik öfters Begriffe gibt, die eine etwas andere Bedeutung haben als im Alltag. Wir werden in Kap. 11.3 bei der Geschwindigkeit gleich noch einmal darauf zu sprechen kommen. Machen wir zum Abrunden noch eine kleine mathematische Fingerübung und rechnen uns das Tempo beim 100-m-Weltrekord von Usain Bolt aus. Tabelle 11.1 (S. 7) kannst du entnehmen, dass die Laufzeit 9,58 s betrug. Mit Hilfe der Formel kannst du daher das Tempo ausrechnen: v = s _ t = 100 m ____ 9,58 s = 10,44 m/s Wir haben uns hier das durchschnittliche Tempo über die gesamten 100 m ausgerechnet. Beim Start beträgt das Tempo 0 m/s. Das maximale Tempo lag bei etwa 12,5 m/s. Du siehst, dass das durchschnittliche Tempo diese Unterschiede nicht berücksichtigt. B 11.15 Der „rasende Falke“ fliegt gerade überlichtschnell durch den „Hyperraum“. Leider bleibt das nur ein Weltraummärchen. Während Dinge praktisch beliebig langsam sein können, wie wir vorhin am Beispiel des Haarwachstums gesehen haben, gibt es nach oben sehr wohl ein Tempolimit ( A 7 ). Das höchste Tempo im Universum hat das Licht. Es bewegt sich mit etwa 1 Milliarde km/h! Das kann man sich überhaupt nicht vorstellen! Das Licht könnte in diesem Tempo die Erde in einer Sekunde beinahe 8-mal umrunden. Um das Tempo in B 11.12 richtig einzuzeichnen, müsste man das Diagramm 1,5 Kilometer breit zeichnen! Das zeigt dir, wie unvorstellbar schnell das Licht ist. Nichts kann das Tempo des Lichts exakt erreichen – und schon gar nicht überschreiten, auch wenn das in Science-Fiction-Filmen pausenlos gezeigt wird (B 11.15). Überlichtgeschwindigkeit ist sehr faszinierend und man sieht diese Fantasietechnik auch gerne in einem Film. Du solltest aber immer im Hinterkopf behalten, dass durch das Licht ein oberstes Tempolimit vorgegeben ist, das im gesamten Universum gilt und nicht überschritten werden kann (B 11.16). B 11.16 Das Licht gibt das Tempolimit für das ganze Universum vor. Sein Tempo von 1.080.000.000 km/h kann von Objekten weder völlig exakt erreicht noch überschritten werden. Gut, wir haben jetzt eine Menge über das Tempo von Objekten gehört, von den allerlangsamsten Dingen wie dem Haarwuchs bis zum Tempolimit des Universums. Wenn man von A nach B will, ist aber das Tempo eines Objekts erst die halbe Miete. Wichtig ist natürlich auch, in welche Richtung sich das Objekt dabei bewegt. Ein sehr gutes Beispiel dafür ist ein Navigationssystem, kurz Navi genannt. Ein Navi steht ja heute schon auf jedem Smartphone zur Verfügung (B 11.17). Es führt dich auf sicherem Weg von A nach B und schlägt dir dabei immer vor, wo genau du die Richtung ändern sollst. ?!! 1.080.000.000 Gilt auch für Raumschi e! B 11.17 Das Navi auf deinem Smartphone zeigt dir immer an, in welche Richtung du musst. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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