Sexl Physik 5 Bewegung Geschwindigkeit Beschleunigung Trägheit Kraft Gravitation Reibung Druck Energie Thermodynamik Wärme Temperatur Gas Phase Wirkungsgrad Entropie QuickMedia App für digitale Zusatzmaterialien
Sexl Physik 5 RG, Schülerbuch und E-Book Schulbuchnummer 215580 Sexl Physik 5 RG, E-Book-Solo Schulbuchnummer 215581 Mit Bescheid des Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung BMBWF vom 18. September 2023, GZ 20220.744.183, gemäß § 14 Absatz 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBl. Nr. 472/86, und gemäß den derzeit geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch für die 5. Klasse an allgemein bildenden höheren Schulen – Oberstufe im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2018) geeignet erklärt. 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.“ Umschlagbild: S. Leitenberger / stock.adobe.com 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: Mag. Florentin Triebl, Wien; Mag. Marion Heszle, Wien Herstellung: Alexandra Brych, BSc, Wien Umschlaggestaltung: Susanne Hörner, Kommunikationsdesign, Staufen Satz: PER MEDIEN & MARKETING GmbH, Braunschweig Druck: Brüder Glöckler GmbH, Wöllersdorf ISBN 978-3-209-13313-7 (Physik Sexl OS SB 5 RG + E-Book) ISBN 978-3-209-13318-2 (Physik Sexl OS SB 5 RG + E-Book Solo) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
www.oebv.at Sexl Physik 5 Roman U. Sexl Helmut Kühnelt Helga Stadler Peter Jakesch Eva Sattlberger Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
„Sicher und kompetent zur Matura“ zu führen, ist Ziel des Lehrwerks „Sexl Physik 5–8“. Das Ziel des Physikunterrichts ist im Lehrplan folgendermaßen beschrieben: „Die Schülerinnen und Schüler sollen eine rationale Weltsicht erwerben, aktiv die spezifische Arbeitsweise der Physik und ihre Bedeutung als Grundlagenwissenschaft erkennen und damit beurteilen lernen, welche Beiträge zu persönlichen und gesellschaftlichen Entscheidungen physikalische Methoden liefern können. Weiters sollen sie die Bedeutung physikalischer Phänomene und Konzepte im Alltag und in der Umwelt und für die Welterkenntnis erfassen und für ihre Lebensgestaltung nutzen. Dadurch sollen die Schülerinnen und Schüler Einblicke in die Vorläufigkeit von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen erhalten und die Bedeutung neuer Sichtweisen bei anstehenden Problemen sowie die Physik als schöpferische Leistung der Menschheit … erkennen. Der Physikunterricht hat einen wichtigen Beitrag zur Berufsorientierung und der persönlichen Berufswahl zu leisten.“ Die Betonung der „Kompetenzorientierung“ soll die Ziele der AHS und des Fachunterrichts stärker hervorheben. Kompetent sein bedeutet, auf der Basis von Wissen handeln zu können. Physikalische Grundbildung besteht aus drei wesentlichen Bereichen. Der Physikunterricht hilft dir, Kompetenzen aus allen drei folgenden Bereichen auf Basis der Lerninhalte zu erwerben und zu vertiefen. 2 Liebe Schülerin, lieber Schüler! S: Standpunkte begründen und Meinungen vertreten In diesem Bereich erwirbst du die Fähigkeit, naturwissenschaftlich begründet zu argumentieren und am gesellschaftlichen Diskurs teilzunehmen. Dieser Bereich betrifft folgende Kompetenzen: S1 Bedeutung, Chancen und Risiken der Anwendungen von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen für dich persönlich, für die Gesellschaft und global erkennen, um verantwortungsbewusst handeln zu können. S2 Naturwissenschaftliche von nicht-naturwissenschaftlichen Argumentationen und Fragestellungen unterscheiden. S3 Informationen aus unterschiedlich verlässlichen Quellen aus naturwissenschaftlicher Sicht bewerten und Schlüsse daraus ziehen. S4 Entscheidungskriterien für das eigene Handeln entwickeln und aus naturwissenschaftlicher Sicht überprüfen. E: Experimentieren und Erkenntnisgewinnung In diesem Bereich erwirbst du Fähigkeiten und Fertigkeiten im Umgang mit physikalischen Arbeitsweisen. Dieser Bereich betrifft folgende Kompetenzen: E1 Zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Umwelt und Technik Fragen stellen und Hypothesen aufstellen. E2 Zu Fragestellungen eine passende Untersuchung oder ein Experiment planen, durchführen und protokollieren. E3 Im Rahmen von naturwissenschaftlichen Untersuchungen oder Experimenten Daten aufnehmen und analysieren (ordnen, vergleichen, Abhängigkeiten feststellen, Zuverlässigkeit einschätzen). E4 Daten durch mathematische und physikalische Modelle abbilden und interpretieren. W: Fachwissen In diesem Bereich erwirbst du physikalisches Fachwissen und wendest dieses Fachwissen in verschiedenen Zusammenhängen an. Dieser Bereich betrifft folgende Kompetenzen: W1 Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Technik beschreiben und benennen. W2 Mit Informationen aus fachlichen Medien und Quellen umgehen. W3 Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Technik in verschiedenen Formen (Bild, Grafik, Tabelle, Diagramm, formale Zusammenhänge, Modelle ...) darstellen, erläutern und adressatengerecht kommunizieren. W4 Fachwissen in unterschiedlichen Lebensbereichen anwenden. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
3 Kompetenzbereich: Bereich Inhaltsverzeichnis So arbeitest du mit Sexl Physik 4 Physik – um die Welt zu verstehen 8 Bewegung 13 1 Die Grundgrößen Zeit und Länge 14 1.1 Die Messung der Zeit 14 1.2 Die Messung der Länge 16 Praxis und Vertiefung 20 2 Geschwindigkeit und Beschleunigung 22 2.1 Was ist Bewegung? 22 2.2 Die Geschwindigkeit 23 2.3 Die Beschleunigung 25 Praxis und Vertiefung 30 Kurz gesagt 32 Kraft 33 1 Die Newton’schen Gesetze 34 1.1 Das Trägheitsgesetz 34 1.2 Erstes und zweites Newton’sches Gesetz 37 1.3 Die Gewichtskraft 39 1.4 Die Federkraft 39 1.5 Die Addition von Kräften 40 1.6 Die schiefe Ebene 41 Praxis und Vertiefung 42 2 Drittes Newton’sches Gesetz: Das allgemeine Wechselwirkungsgesetz 44 2.1 Allgemeine Wechselwirkungen 44 2.2 Die Gravitationskraft 45 Praxis und Vertiefung 48 3 Der Einfluss der Reibung 50 Praxis und Vertiefung 53 4 Spezielle Bewegungsformen 54 4.1 Die Wurfbewegung 54 4.2 Die Bewegung auf der Kreisbahn 57 4.3 Bewegungen von Planeten und Satelliten 60 Praxis und Vertiefung 64 5 Druck in Flüssigkeiten und Gasen 66 5.1 Der Druck 66 5.2 Der hydrostatische Druck 67 5.3 Der Auftrieb 68 5.4 Der Luftdruck 69 Praxis und Vertiefung 70 Kurz gesagt 72 Energie 73 1 Mechanische Arbeit und Energie 74 1.1 Energieerhaltung 77 Praxis und Vertiefung 84 Kurz gesagt 86 Thermodynamik 87 1 Atome lieben Wärme 88 1.1 Atome als Bausteine der Materie 88 1.2 Temperatur und Molekularbewegung 92 1.3 Temperatur und Volumenänderung 95 1.4 Wärmetransport 98 1.5 Wärmekapazität 101 Praxis und Vertiefung 102 2 Phasenübergänge 104 2.1 Phasenübergang fest – flüssig 105 2.2 Phasenübergang fest – gasförmig 106 2.3 Phasenübergang flüssig – gasförmig 106 2.4 Die Luftfeuchtigkeit 111 Praxis und Vertiefung 114 3 Das ideale Gas 116 3.1 Das Modell des idealen Gases 116 3.2 Die Zustandsgleichung des idealen Gases 117 3.3 Gaskinetik 121 3.4 Der osmotische Druck 125 Praxis und Vertiefung 126 4 Energie und Entropie 128 4.1 Wärme, Arbeit und innere Energie 129 4.2 Die Entropie 133 Praxis und Vertiefung 136 5 Wärme- und Kältetechnik 138 5.1 Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen 139 5.2 Verbrennungsmotoren 141 5.3 Kühlschrank und Wärmepumpe 143 5.4 Die Jagd nach dem absoluten Nullpunkt 145 Praxis und Vertiefung 147 Kurz gesagt 149 Grundgr. Mechanik I Thermodynamik Mechanik I Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Angenommen, wir wissen, wo ein Körper zu einem bestimmten Zeitpunkt ist und welche Geschwindigkeit er hat. Wenn wir auch die Kräfte kennen, die auf den Körper wirken, können wir die weitere Bewegung des Körpers vorhersagen. Das gilt für Flugzeuge und Züge, aber auch für Raumsonden. Zum Beispiel konnte man berechnen, wann die Raumsonde Voyager 1 beim Planeten Jupiter vorbeikommen und wann sie unser Planetensystem verlassen würde. Derartige Berechnungen gehören zu den wichtigen Aufgaben der Physik und der Technik. Voraussetzung für solche Berechnungen sind genaue Orts-, Geschwindigkeits- und Zeitangaben der Objekte. Die Ansprüche an die Genauigkeit sind mit der Zeit gewachsen. Vor 400 Jahren maß Galilei die Zeit mit seinem Pulsschlag. Heute werden Zeitdauern auf milliardstel Sekunden gemessen, in der Quantenphysik werden Längen auf milliardstel Millimeter genau bestimmt. 1.1 Die Messung der Zeit Was ist Zeit? Die Frage wird von der Philosophie, der Psychologie, der Biologie und der Physik jeweils anders beantwortet (14.1). Augustinus (354–430 n. Chr.) bemerkte dazu: „Was ist Zeit? Wenn niemand mich danach fragt, weiß ich es; will ich es einem Fragenden erklären, weiß ich es nicht.“ In der Physik dachte man lange, dass es eine absolute Zeit gäbe, die unabhängig von uns Menschen und unabhängig vom Kosmos gleichmäßig verstreicht. Wir wissen heute, dass dieser Zeitbegriff nur dann gilt, wenn wir in den Dimensionen des Alltags denken. Große Massen, wie wir sie etwa bei Sternen finden, aber auch hohe Geschwindigkeiten verändern den Gang der Uhren (14.2). Für die physikalische Größe Zeit benützt man die Abkürzung t. Um eine beliebige Zeitdauer messen zu können, benötigen wir eine Vergleichsgröße, die Maßeinheit (vgl. Kasten „Was heißt messen?“, siehe S. 18). Ein natürliches Zeitmaß ist der Wechsel von Tag und Nacht. Schon in der römischen Antike teilte man die Zeit zwischen zwei Sonnenhöchstständen – also den vollen Tag – in 24 Stunden auf. Die Stunde wiederum unterteilt man in 60 Minuten, 1 Minute in 60 Sekunden. Ursprüngliche Definition: 1 Sekunde ist der 86 400 ste Teil eines mittleren Sonnentages. Diese Definition berücksichtigt, dass sich wegen der ungleichmäßigen Bewegung der Erde auf ihrer Bahn um die Sonne, die Länge eines Tages im Laufe eines Jahres ändert. Die Sekunde (abgekürzt s) ist im Internationalen Einheitensystem (SI-System, siehe Kasten siehe S. 18) die Einheit für die Zeit. Zur Messung der Mondentfernung werden seit 1969 Laserblitze auf einen von den Apollo-Astronauten aufgestellten Reflektor gerichtet. Wie genau kann man auf diese Weise die Entfernung des Mondes bestimmen? Der Anspruch an die Genauigkeit der Messung hat sich in den letzten Jahrzehnten erhöht. Daher wird seit 1967 die Dauer einer Sekunde mittels Atomuhren festgelegt. Dabei nutzt man Licht, das von Cäsium-Atomen abgestrahlt wird, und die Tatsache, dass Schwingungen des Lichts völlig gleichmäßig erfolgen. Atomuhren, wie sie etwa für das GPS-System verwendet werden, sind so genau, dass sie erst nach 10 000 Jahren einen Fehler von maximal 1 s aufweisen würden. Präzisionsuhren, wie sie in der Forschung verwendet werden, sind noch wesentlich genauer (15.2). Die Zeitangabe, die wir mittels Funkuhren oder über Radio, Fernsehen oder Internet erhalten, erfolgt aufgrund eines weltweiten Netzes von mehr als 260 Atomuhren. Dieses Zeitsystem wird als Weltzeit oder Coordinated Universal Time (UTC) bezeichnet. Die Atomuhren zeigen, dass die Erddrehung langsamer wird. Ein mittlerer Sonnentag hat daher nicht exakt 86 400 Sekunden, sondern etwas mehr. Zu Jahresende wird daher hin und wieder eine Schaltsekunde eingefügt. In der Physik untersucht man sehr große, aber auch winzig kleine Zeiträume: Das Weltall existiert nach heutiger Ansicht ca. 13 Milliarden Jahre, manche Elementarteilchen zerfallen nach einigen milliardstel Sekunden. Verwenden von Zehnerpotenzen Für die Darstellung sehr kleiner oder sehr großer Zahlen benutzt man häufig die Schreibweise mit den Potenzen der Zahl 10 (15.3). Die Zahl 104 bedeutet 10·10·10·10 = 10 000. Eine negative Hochzahl mit der Basis 10 bedeutet den Kehrwert der Zahl mit der positiven Hochzahl, also 10–4 = 1/104 = 1/10 000. Das Alter des Weltalls von 13 000 000 000 Jahren kann daher auch als 13·109 oder 1,3·1010 Jahre geschrieben werden. Der Durchmesser eines Urankerns beträgt ca. 15·10–15 m = 0,000 000 000 000 015 m. Untersuche, überlege, forsche: Zeitmessung 15.1 W1 Überprüfe die Behauptung: Ein guter Näherungswert für die Dauer eines Jahres von 365 Tagen in Sekunden ist π·107 Sekunden. 15.2 Bei Reisen über große Distanzen müssen die Zeitzonen beachtet werden. Die Weltzeit (UTC) stimmt mit der lokalen Uhrzeit (GMT = Greenwich Mean Time) am nullten Längengrad (Meridian der Sternwarte Greenwich in London) überein. W2 a) Finde heraus, welche Zeitzonen es gibt. S1 b) In China gibt es nur eine Zeitzone, in Russland dagegen neun. Erörtere, was das für Menschen bedeutet, die in diesen Ländern wohnen. W4 c) Wenn du in Europa reist, kann es passieren, dass du deine Uhr verstellen musst. Erkläre dies anhand einer „fiktiven“ Reise durch Europa. S2 d) Beschreibe Auswirkungen der Unterschiede der lokalen Zeiten auf Menschen bei Fernreisen und im Geschäftswesen. 15.3 W2 Funkuhren sind Quarzuhren, die per Funk ein Zeitsignal erhalten, das über Funk ständig nachreguliert wird. Recherchiere, wie Funkuhren in Mitteleuropa synchronisiert werden. Experiment: Dauer einer Pendelschwingung 15.1 Du brauchst: Eine 1 m lange Schnur, einen „Pendelkörper“ (z. B. Metallkugel), eine Stoppuhr E3 a) Fertige ein Pendel an und lass es schwingen. Miss mittels Stoppuhr die Dauer einer Pendelschwingung. Das ist die Zeit, die das Pendel benötigt, um in die Ausgangslage zurückzukehren. Arbeitet in Teams und vergleicht die Ergebnisse. Diskutiert, wie eventuelle Unterschiede in euren Messdaten zustande kommen können und wie genau das Ergebnis überhaupt sein soll. E4 b) Die Genauigkeit einer Messung kannst du verbessern, indem du die Dauer von mehreren Schwingungen misst und das Ergebnis durch die Zahl der Schwingungen dividierst (Mittelwert berechnen!). Durch mehrmalige Wiederholung der Messung kannst du den Mittelwert und die maximale Abweichung davon bestimmen (siehe Kasten S. 18). E4 c) Diskutiert mögliche Fehlerquellen und das Resultat. 15.1 Die Kenntnis des Stands der Sonne zu verschiedenen Tageszeiten und im Laufe eines Jahres ermöglicht die Bestimmung der Zeit. Bastle selbst eine Sonnenuhr! Anleitungen dazu findet du im Internet. 15.2 Die primäre Atomuhr, mit der die UTC realisiert wird. Die Uhr befindet sich in der Physikalisch Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Die Atomuhr des Labors ist mit Uhren anderer Labors weltweit synchronisiert. Von den Labors wird die Zeitangabe per Funk an die einzelnen Landesstellen weitergegeben. 15.3 Es ist üblich, Vielfache oder Teile der festgelegten Maßeinheit mit bestimmten Vorsilben zu benennen, die durch ein internationales Übereinkommen geregelt sind. Vorsilbe Abkürzung Faktor Peta P 1015 Tera T 1012 Giga G 109 Mega M 106 Kilo k 103 Hekto h 102 Deka da 101 Dezi d 10–1 Zenti c 10–2 Milli m 10–3 Mikro μ 10–6 Nano n 10–9 Piko p 10–12 Femto f 10–15 Atto a 10–18 14.1 Schmelzende Zeitmesser in dem Gemälde „Das Beharren der Erinnerung“ von Salvador Dali (1931). Zeit ist nicht nur in unserem persönlichen Erleben, sondern auch in Philosophie und Kunst ein wichtiges Thema. 14.2 Albert einstein (1879–1955) Einstein hat 1905 gezeigt, dass es keine absolute Zeit gibt. Uhren, die sich relativ zu uns bewegen, gehen im Vergleich zu unseren Uhren langsamer. 15 Größenordnungen 14 Größenordnungen 1 Die Grundgrößen Zeit und Länge Die Grundgrößen Zeit und Länge In diesem Kapitel erfährst du, – wie man in der Physik Zeiten und Längen misst, – in welchen zeitlichen und räumlichen Größenordnungen die Physik arbeitet. 1 Überlege dir eine Antwort auf die Einstiegsfrage und überprüfe deine Vermutung auf der abschließenden Doppelseite „Praxis und Vertiefung“. Blaue Kästen enthalten weiterführende Inhalte, die teilweise über den Lehrstoff hinausgehen und zum Nachdenken anregen sollen. Sie helfen aber auch den gerade gelernten Stoff anhand konkreter (Alltags-) Beispiele noch begreiflicher zu machen bzw. zu vertiefen. In den Sprechblasen finden sich Zitate von bekannten Persönlichkeiten sowie genauere Begriffsdefinitionen, die helfen sollen, Fachsprache von Alltagssprache zu unterscheiden. Grüne Kästen enthalten Beispiele und Anregungen für einen „nachhaltigeren“ und effizienteren Umgang mit Ressourcen. Weitere Elemente im Buch: Im gelben Kasten findest du wichtiges Merkwissen kompakt zusammengefasst. Bei Experimenten kannst du deine Experimentierkenntnisse unter Beweis stellen! Demonstrationsexperimente sollen nur von der Lehrperson durchgeführt werden. In diesem Kompetenzbereich befindest du dich gerade. Die „Untersuche, überlege, forsche“-Aufgaben fördern dein selbstständiges Arbeiten. Die Lösungen dazu findest du am Ende des Buchs. Das Taschenrechnersymbol zeigt dir Aufgaben mit Bezug zur Mathematik. Zeigt dir das Kapitel an, in dem du dich gerade befindest. Verweis auf eine Abbildung. 4 So arbeitest du mit Sexl Physik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Antwort auf die Eingangsfrage Warum sind die Astronautinnen und Astronauten mit Seilen mit dem Satelliten verbunden? Könnten sie im Weltall verloren gehen? Im Film Gravity (2013) führen Astronautinnen und Astronauten Reparaturarbeiten am Weltraumteleskop Hubble durch (42.1). Sie erfahren, dass ein russischer Satellit zerstört wurde und die Trümmerteile im Orbit treiben. Die Trümmerteile schlagen kurz darauf ein, das Raumschiff wird zerstört. Der Funkkontakt zur Bodenstation reißt ab, die Astronautinnen und Astronauten werden vom Schiff weggeschleudert. Eine Astronautin kann sich mit den Schubdüsen ihres Düsenrucksacks retten, ein Astronaut entfernt sich und treibt in die Umlaufbahn der Erde. Der Film wurde unter Beratung hochrangiger wissenschaftlicher Institute gedreht, und die Fakten sind, von einigen Details abgesehen, korrekt dargestellt. Tatsächlich gibt es in der Umlaufbahn der Erde zahlreiche Trümmerteile, die mit einer Geschwindigkeit von 8 km/s durch den Weltraum rasen und (als sogenannter Weltraumschrott) Satelliten und Weltraumstationen gefährden. Sie bewegen sich, genauso wie der Mond und die Meteoriten, ohne Antrieb um die Erde, sondern allein aufgrund der Trägheit. Allerdings ist es bisher noch nie passiert, dass ein Mensch nicht mehr zur Kapsel zurückkehren konnte. Bei Außenarbeiten müssen Astronautinnen und Astronauten angeschnallt bleiben. Nach dem Wechselwirkungsgesetz (siehe nächstes Kapitel) bewirkt auch die geringste Krafteinwirkung des Astronauten oder der Astronautin auf die Kapsel eine gleich große Gegenkraft, die von der Kapsel wegweist und dazu führt, dass sich der Astronaut oder die Astronautin von der Kapsel entfernt. Da es im Weltall keine Reibung gibt, die diese Bewegung stoppen könnte, wird er oder sie wohl unendlich lange durch das Weltall schweben. Es sei denn, er oder sie wird vom Schwerefeld eines anderen Körpers eingefangen. Wobei jedenfalls bald die Versorgung mit Atemluft zum Problem werden würde. Retten könnte sich der der Astronaut oder die Astronautin nur, wie im Film gezeigt, mit Schubdüsen. 42.1 Ausschnitt aus dem Film Gravity 1 E1 S3 Die Beschreibung der Bewegung der Erde war ein wesentlicher Schritt in der historischen Entwicklung der Physik. a) Beschreibe die Bewegung der Sonne im Laufe eines Tages. Betrachte den Nachthimmel, suche den Großen Wagen und beschreibe seine Bewegung über einen längeren Zeitraum. Erkläre deine Beobachtungen. b) Was würde Galilei zu deinen Erklärungen sagen? Würde er sie widerlegen oder bestätigen? Schreibe alle deine Beobachtungen und Erklärungen auf und verfasse einen fiktiven Dialog zwischen dir und Galilei. 2 W2 Die Auseinandersetzung Galileis mit der Kirche ist Thema zahlreicher historischer Arbeiten. Was waren die zentralen Diskussionspunkte? Recherchiere dazu im Internet und fasse deine Ergebnisse in einem Aufsatz zusammen oder halte ein Referat, zum Beispiel im Geschichtsunterricht. 3 S1 Bert Brecht schrieb das Theaterstück „Leben des Galilei“. Recherchiere Inhalt und Thematik. Interpretiere die Aussage des Theaterstücks und nimm dazu Stellung. 4 E2 E2 E4 Kräfte kann man messen. a) Denk dir eine Methode aus, wie du deine Muskelkraft mit Hilfe eines Expanders (Therabands) messen kannst, und erläutere, wie du vorgehst. b) Zeige mit Federwaagen, wie man Kräfte als Resultierende ihrer Komponenten darstellen kann. c) Erkläre am Beispiel des Therabands das Hooke’sche Gesetz. 5 W4 Isaac Newton war ein bedeutender Physiker. Erkläre seine Bedeutung für die Entwicklung der Physik. Beschreibe die Zeit, in der er lebte. Verfasse eine biografische Skizze. 6 W2 Informiere dich, wie vor mehr als 4 000 Jahren in Ägypten große Pyramiden aus Stein errichtet wurden. 7 W3 Schiefe Ebenen spielen auch heute eine wichtige Rolle, etwa bei Seilbahnen oder Bergstraßen. Erkläre anhand zweier Beispiele mittels Grafiken die technischen Grundlagen. 8 W4 Beschreibe den Nutzen von Federungen für Fahrzeuge. Bestimme die verschiedenen Arten von Federn in der Fahrzeugtechnik. Frage dazu in einer Autowerkstatt nach. Weiterführende Fragestellungen 1 Welche Aussage über ein Inertialsystem trifft zu? Kreuze die richtige Antwort an. a) Die Erde ist ein Inertialsystem. b) Das Sonnensystem ist ein Inertialsystem. c) In einem Inertialsystem gilt das Trägheitsgesetz. 2 Beschreibe eine Methode, mit der man die Bewegung der Erde um die Sonne beweisen kann. 3 Beschreibe den Zusammenhang zwischen dem ersten und dem zweiten Newton’schen Gesetz. 4 Markiere die richtige Aussage: a) Ein Körper erhält durch die Wirkung von 1 N eine Geschwindigkeit von 1 m/s. b) Ein Körper erhält durch die Wirkung von 1 N eine Beschleunigung von 1 m/s2. c) Ein Körper mit 1 kg Masse wird durch 1 N mit 1 m/s2 beschleunigt. 5 Erkläre den Begriff „Gewicht“. Ermittle dein eigenes Gewicht. 6 Kräfte werden vektoriell addiert. Zeichne die Addition für a) Kräfte, die parallel und gleichgerichtet sind. b) Kräfte, die parallel und entgegengesetzt gerichtet sind. c) Kräfte, die einen beliebigen Winkel einschließen. 7 Zeichne in der Abb. 43.1 die wirkenden Kräfte ein. 8 Auf einen Körper wirken gleichzeitig Kräfte von 3 N und von 4 N ein. Die Kräfte schließen miteinander einen Winkel von 90° ein. Bestimme die gesamte wirkende Kraft und kreuze die richtige Antwort an. a) 3 N b) 5 N c) 4 N d) 7 N Teste dein Wissen 43.1 Wurfbahn eines Balls unter Vernachlässigung des Luftwiderstands. 1 Die Beschleunigung bei verschiedenen Autos kann stark variieren. a) Ein Auto (m = 900 kg) benötigt 11 s, um aus dem Stand auf 80 km/h zu kommen. Bestimme die durchschnittliche Beschleunigung und die durchschnittliche Kraft des Motors. b) Bestimme dieselben Werte für das folgende E-Auto: m = 2 000 kg, das E-Auto benötigt 6,1 s, um aus dem Stand auf 100 km/h zu kommen. 2 Bei Crashtests wird mit Dummys untersucht, welche Kraft bei einem Frontalzusammenstoß auf den Sicherheitsgurt wirkt. Dabei wird das Auto in 0,25 s aus einer Geschwindigkeit von 64 km/h zum Stillstand gebracht. Der Dummy hat eine Masse von 60 kg. a) Bestimme die Kraft, die auf den Gurt wirkt. b) Analysiere, ob eine Gefahr besteht, wenn man sich mit den Armen am Lenkrad abstützt statt einen Sicherheitsgurt zu verwenden. 3 An eine Schraubenfeder mit der Federkonstante k = 10 N/m wird ein Körper der Masse m = 60 g gehängt. a) Ermittle die Dehnung der Feder auf der Erde. b) Wie groß wäre die Dehnung auf dem Mond? Vergleiche. 4 Der mittlere Steigungswinkel der Bergisel-Schanze (43.2) beträgt rund 29°, die Höhendifferenz rund 50 m. Ermittle die Endgeschwindigkeit der Sportlerinnen und Sportler in der Anlaufspur. 43.2 Bergisel-Schanze in Innsbruck Rechenaufgaben 42 43 1 Die Newton’schen Gesetze Mechanik I Mechanik I Praxis und Vertiefung … wird die Einstiegsfrage ausführlich beantwortet. … sollen die weiterführenden Fragestellungen ein Angebot sein, sich mit einer Frage bzw. einem Thema genauer auseinanderzusetzen und einen Blick „über den Tellerrand hinaus“ bieten. … findest du „Teste dein Wissen“-Fragen, mit denen du die wichtigsten Erkenntnisse des Kapitels selbst überprüfen kannst. … kannst du mit Rechenaufgaben physikalische Fragen aus dem Alltag beantworten, um auch mit konkreten Zahlen argumentieren zu können. Am Ende jedes Kapitels findest du die Doppelseite „Praxis und Vertiefung“. Hier … Digitale Zusatzmaterialien 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 das gewünschte Zusatzmaterial aus der App-Medienliste aus. 4. Öffne das gewünschte Zusatzmaterial. QuickMedia App Android iOS 5 Online-Codes: Einfach den Code im Suchfenster auf www.oebv.at eingeben und du wirst direkt zu unserem digitalen Zusatzmaterial (z. B. Simulationen, angeleitete Lösungen und Hilfestellungen) weitergeleitet. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Dr. Elke Ludewig Auf die folgenden beiden Fragen antwortete uns Dr. Elke Ludewig (6.1, 6.2): Warum habe ich Physik studiert? Die Physik hat viele Facetten. Ich war fasziniert vom Erdsystem, von Wetterprozessen (Atmosphärenphysik), von Wellen im Ozean (Hydrosphäre, Ozeanographie), Erdbeben und Vulkanen (Geophysik). Meine Mutter erzählt oft, dass ich mit 5 Jahren den Atlas aufschlug, mit entschlossener Bestimmtheit auf die Antarktis zeigte und sagte, dort will ich leben und arbeiten. Um diesen Traum zu erfüllen, studierte ich Meteorologie mit Nebenfach Geophysik und Ozeanographie, alles spezifische Bereiche der Physik. Das Studium beinhaltete neben den genannten Fächern auch Informatik, Mathematik, Instrumententechnik und die gesamte Physik bis zur Quantenmechanik. Dabei war Physik nicht mein Lieblingsfach in der Schule, aber mit Physik kann man in viele spannende Bereiche eintauchen, davor konnte ich mich nicht verschließen. Mein Studium schloss ich in Atmosphärenphysik und Erdsystemwissenschaften ab. Dank der Physik konnte ich an faszinierenden Orten der Erde forschen (z. B. Neumayer-Station-III, Alfred-Wegener-Institut, Antarktis). Im Bereich der Klimaforschung leisten wir nun am Sonnblick einen bedeutenden Beitrag für die Menschheit. Wo sind meine heutigen Aufgaben und Interessen? Wo sehe ich künftige Entwicklungen? Aktuell leite ich die internationale Klima- und Umweltforschungsstation „Sonnblick Observatorium“ der GeoSphere Austria. Wir forschen in allen Bereichen der Atmosphäre (Lufthülle der Erde), Kryosphäre (alle Formen von Eis und Schnee), Biosphäre (umfasst alle Lebewesen) und studieren Prozesse zwischen diesen Sphären. Ich bin für den Betrieb, die Wetterbeobachtung und die Forschungsprogramme des Observatoriums zuständig und betreue zahlreiche Wissenschafterinnen bzw. Wissenschafter sowie technisches Personal – eine sehr vielfältige und wichtige Aufgabe. Die Daten des Sonnblick Observatoriums fließen z. B. in den internationalen Klimabericht IPCC ein und stehen Forschenden weltweit zur Verfügung. Am Sonnblick-Observatorium betreibe ich auch mit meinem Team und Partnerinnen bzw. Partnern das Europäische Zentrum für Wolkenvergleichsmessungen (ECCINT – European Center for Cloud ambient INTercomparison) im Rahmen des europäischen Forschungsverbunds ACTRIS (Aerosol, Cloud, Trace Gas Infrastructure). Mit ECCINT wollen wir qualitativ hochwertige Wolkendaten in Europa erfassen, Wolkenprozesse besser verstehen und so Klima- und Wettervorhersagen verbessern. Mit den neuen Erkenntnissen sollen Unsicherheiten des Einflusses von Wolken und Aerosolen auf das Klima reduziert werden. Die physikalischen und chemischen Prozesse des Erdsystems sind noch nicht vollständig verstanden, hier besteht noch viel Forschungsbedarf, der auch die Entwicklung und Optimierung von Messinstrumenten erfordert. Mit dem Sonnblick-Observatorium steht hier der nächsten Generation von Forscherinnen und Forschern in Österreich eine international anerkannte Forschungsinfrastruktur und Nachwuchsförderung zur Verfügung. 6.1 Dr. Elke Ludewig (geb. 1987) leitete 13 Monate lang den Wetterdienst einer Forschungsstation in der Antarktis. Das Foto zeigt sie bei der Kontrolle eines Windmessers. Seit 2016 leitet sie das Observatorium am Sonnblick (12.2). Weitere Informationen zu dieser Forschungsstation sind unter www.sonnblick.net und www.geosphere.at zu finden. 6.2 Die Wetterbedingungen auf dem Sonnblick sind nicht immer einfach. Dennoch muss man die Messungen genauestens durchführen. 6 Einblicke in aktuelle Forschung Auf diesen Seiten erfährst du, – Details aus dem Forschungsalltag von Wissenschafterinnen und Wissenschaftern. – mehr über die fachlichen Hintergründe und die Entwicklung, die man als Forscherin bzw. Forscher durchmacht. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Prof. Dr. Ferenc Krausz Die Entwicklung neuer Werkzeuge zur Erforschung der Welt der Elektronen in Atomen und Molekülen wurde mit dem Nobelpreis 2023 gewürdigt. Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts war es nicht möglich, die Bewegung einzelner Elektronen in der Atomhülle oder die für die Photovoltaik wichtige Emission von Elektronen aus Festkörpern zeitlich aufzulösen. Bildlich gesprochen würde man eine Filmkamera brauchen, die mehr als 1 000 000 000 000 000 Bilder pro Sekunde mittels extrem kurzer Lichtblitze liefern könnte. Drei Persönlichkeiten haben den Weg zur Erzeugung solch extrem kurzer Blitze von Laserlicht gefunden: die französische Physikerin Anne L’Huillier, der französische Physiker Pierre Agostini und Ferenc Krausz, der seine bahnbrechenden Forschungen an der Technischen Universität (TU) Wien durchführte. Sie haben damit eine neue Forschungsrichtung, die „Attosekunden-Physik“, gegründet. (Eine Attosekunde (as) entspricht einem Milliardstel einer milliardstel Sekunde: 1 as = 10−18 s.) Phänomene, die bisher nicht erforscht werden konnten, sind nun beobachtbar. Ferenc Krausz auf dem Weg zum Nobelpreis Der ungarisch-österreichische Doppelstaatsbürger Ferenc Krausz (geb. 1962 7.1, 7.2) studierte Elektrotechnik an der Technischen Universität Budapest und wechselte für sein Doktoratsstudium über Laserphysik an die TU Wien, das er 1991 mit Auszeichnung abschloss. Bereits nach zwei Jahren wurde er Dozent und war von 1996 bis 2004 Professor an der TU Wien. 2001 gelang ihm und seinem Team das nun ausgezeichnete Experiment, nämlich die Erzeugung von einzelnen Laserpulsen mit einer Dauer im Bereich von Attosekunden. Das Experiment fand sofort weltweite Beachtung und Anerkennung. Seit 2004 ist er Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Professor an der Universität München. Er gründete in München das Centre for Advanced Laser Applications (CALA) und in Budapest das Center for Molecular Fingerprinting (CMF). Am CMF wird die Anwendung der attophysikalischen Techniken zur Diagnose von winzigen Veränderungen des Blutplasmas zur Früherkennung von chronischen Erkrankungen (z. B. Tumorerkrankungen, …) erforscht. Dazu schreibt Krausz: „The knowledge accumulating from basic research should always be the starting point for the conception and development of helpful and highly needed applications in order to let humankind benefit from resource-intensive basic research.“ Krausz hat zahlreiche Preise und Auszeichnungen bekommen, er ist Mitglied von mehreren europäischen wissenschaftlichen Akademien, auch der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (seit 2003). 7.1 Am 3. Oktober 2023 wurde Ferenc Krausz gemeinsam mit Pierre Agostini und Anne L’Huillier mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. 7.2 Prof. Ferenc Krausz hat mittels Attosekundenlaser die Untersuchung von extrem rasch ablaufenden Vorgängen in der Elektronenhülle von Atomen und Molekülen ermöglicht. 7 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Was haben Blitze und die elektrischen Signale des Herzmuskels, die im Elektrokardiogramm (8.1) sichtbar gemacht werden, gemeinsam? Welche gemeinsamen Phänomene können wir am gespannten Bogen einer Sportschützin und am Stab der Athletin beim Stabhochsprung erkennen (8.2)? Was hat die Drehung des Nachthimmels mit der Pirouette der Eiskunstläuferin gemeinsam? Welche gemeinsame Ursache haben die Farbeffekte des Regenbogens und die von geschliffenen Edelsteinen und Gläsern? Die Physik setzt sich das Ziel, möglichst viele Erscheinungen auf möglichst wenige gemeinsame Grundprinzipien zurückzuführen. Bereits vor mehr als 3 000 Jahren konnten die Babylonier auf Grund langjähriger Beobachtungen eine Sonnenfinsternis voraussagen, als sie Regelmäßigkeiten in den Abständen zwischen den Finsternissen erkannten. Sie scheinen aber dafür keine Begründungen gesucht zu haben: Ihre Vorstellung vom Aufbau der Welt, als eine von Ozeanen umgebene Insel, war dafür ungeeignet. Frühes physikalisches Denken – Die Erde ist keine Scheibe Im antiken Griechenland wird erstmals der Versuch erkennbar, eine Vorstellung der Welt zu konstruieren, die mit Beobachtungen und nicht mit religiösen Mythen begründet werden kann. Der griechische Philosoph Aristoteles (384–322 v. Chr.) dachte, dass die Erde eine Kugel im Zentrum des Weltalls sei. Diese Auffassung stützte er auf drei Beobachtungen: − Wenn man Schiffe bei der Fahrt von der Küste ins offene Meer beobachtet, verschwindet ihr Rumpf früher unter dem Horizont als der Mast mit den Segeln. − Im Lauf einer Reise von Nordgriechenland zu den Pyramiden von Gizeh beobachtet man, dass südliche Sternbilder dort um etwa 10° höher am Himmel stehen. − Bei Mondfinsternissen sieht man den runden Schatten der Erde auf dem Mond. Aber hat Aristoteles mit seiner Erklärung der drei Beobachtungen tatsächlich bewiesen, dass die Erde eine Kugel ist? Nein! Könnte man dies mit einer einzigen Reise rund um die Erde beweisen? Vermessungen im 18. Jahrhundert zeigten, dass die Erde eine „Kugel mit kleinen Fehlern“ ist, wobei ihr Durchmesser zwischen den Polen um 0,3 % kleiner als am Äquator ist (heute wird die Erdgestalt mittels Satelliten auf etwa 10 cm genau vermessen). An diesem Beispiel zeigt sich, dass viele einzelne Messungen notwendig sind, um die Gültigkeit einer physikalischen Idee zu zeigen. Daneben hatte Aristoteles noch eine – aus heutiger Sicht unwissenschaftliche – Idee: Er war überzeugt, dass alle schweren Körper zum Zentrum des Universums fallen. Und da sie zum Erdmittelpunkt hin fallen, muss die Erde der Mittelpunkt des Universums sein (geozentrisches Weltbild). Um diese Idee zu widerlegen, müsste man z. B. auf dem Physik – um die Welt zu verstehen 8.1 Aufnahme eines Elektrokardiogramms (EKG) 8.2 a und b Sportschützin und Stabhochspringerin – was haben sie gemeinsam? 8 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Mond (9.1) einen Körper fallen lassen und die Richtung seines Fallens prüfen – was damals noch nicht möglich war. Daher behauptete sich das geozentrische Weltbild des Aristoteles und seines späten Nachfolgers Ptolemäus (ca. 100–175 n. Chr.) bis zur Zeit von Nikolaus Kopernikus (1473–1543), der die Sonne in das Zentrum des Universums stellte (heliozentrisches Weltbild). Naturgesetze Wenn wir etwa den Zielwurf mit Bällen üben, merken wir, dass wir die Flugbahn beeinflussen, wenn wir Wurfgeschwindigkeit und -richtung richtig wählen. Wir finden bereits als Kinder einen Zusammenhang von Ursache (engl. cause, lat. causa) und Wirkung (engl. effect, lat. effectus). Hinter allen Erscheinungen suchen wir nach Ursachen, denn wir denken kausal. Wir gehen dabei von der Erfahrung aus und vertrauen auf das Kausalitätsprinzip: Gleiche Ursachen führen zu gleichen Wirkungen. Oft können wir uns auch darauf verlassen, dass ähnliche Ursachen zu ähnlichen Wirkungen führen. Wenn wir feststellen, dass auch beliebige andere Menschen dieselben Beobachtungen über Ursache und Wirkung machen, nehmen wir an, dass ein Naturgesetz dafür verantwortlich ist. Ziel der Naturwissenschaften ist es, diese Naturgesetze zu erforschen. Der italienische Mathematiker und Naturforscher Galileo Galilei (1564–1642) wird als Begründer der neuzeitlichen Physik betrachtet. Er machte zahlreiche Erfindungen und Entdeckungen. Indem er den Sternenhimmel mittels Fernrohr, statt mit dem bloßen Auge, beobachtete, revolutionierte er die Astronomie. Dabei entdeckte er unter anderem Gebirge auf dem Erdmond und die vier großen Jupitermonde (9.2). Seit Galilei spielt das Experiment in der Physik als „Frage der Natur“ eine zentrale Rolle. Genauso wichtig ist das Nachdenken über mögliche Ursachen von beobachteten Wirkungen: Dabei ist es das Ziel, mit möglichst wenigen Annahmen möglichst viele Fakten zu erklären. Die Themen der Physik Es ist heute Allgemeinwissen, dass die materielle Welt aus kleinen Bausteinen, den Atomen, besteht, die sich meist zu Molekülen verbinden. Im Alltag begegnen sie uns üblicherweise in einem von drei Aggregatzuständen (fest, flüssig, gasförmig). Doch auch Atome sind nicht unteilbar, sie bestehen aus Elektronen und dem Kern (Protonen und Neutronen, die wiederum aus Quarks bestehen). Ob die Quarks in weitere Bestandteile gespalten werden können, ist derzeit unbekannt. Die Physik untersucht das Verhalten der Materie von den kleinsten Teilchen, den Quarks und den Elektronen, bis zu den größten Ansammlungen, den aus Milliarden Sternen bestehenden Galaxien. Dabei zeigt sich, dass die heute bekannten Naturgesetze überall im Weltall in gleicher Weise gelten. Das ermöglicht uns, auch Vorgänge wie die Sternentstehung in fernen Galaxien (9.3) zu verstehen. Physik als Forschungsgebiet enthält zahlreiche Teilgebiete mit jeweils speziellen Arbeitstechniken. Zum Studium der Sterne dienen Teleskope (Astrophysik), für die Untersuchung von Festkörpern dienen Elektronenmikroskope (Festkörperphysik), zur Untersuchung von Strömungen dient der Windkanal (Strömungsmechanik), u. s. w. Eine weitere Arbeitsteilung ergibt sich, indem ein Teil der Forscherinnen und Forscher sich hauptsächlich zu Expertinnen und Experten für das Experimentieren und Messen ausbildet. Im Bereich der sogenannten „Theoretischen Physik“ werden physikalische Theorien zur Erklärung von neuen Beobachtungen weiterentwickelt. Zur Überprüfung dieser Theorien werden weitere Experimente vorgeschlagen, und deren erwartete Resultate werden im Voraus berechnet. Dabei spielen leistungsfähige Computer eine immer größere Rolle. 9.1 Erdaufgang über dem Mond. So sahen Astronauten vom Mond aus die Erde als blaue Kugel im schwarzen Weltall. 9.3 Die Andromedagalaxie ist die nächste größere Galaxie in der Umgebung der Milchstraße und somit unsere Nachbargalaxie. Ihr Licht braucht bis zur Erde 2,5 Millionen Jahre. 9.2 Jupiter mit dem Mond Io und dessen Schatten auf der Oberfläche des Planeten. Die Jupitermonde wurden als schwache Lichtpunkte vor 400 Jahren von Galilei entdeckt. 9 Physik – um die Welt zu verstehen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Physik und die belebte Natur Physik befasst sich nicht nur mit der unbelebten Natur. Dazu einige Beispiele: Die medizinische Physik entwickelt immer bessere Verfahren, um mit Röntgenstrahlung oder Magnetresonanzverfahren in den menschlichen Körper zu blicken oder um die Strahlentherapie bei Krebserkrankungen treffsicherer zu machen. Das Ertasten des eigenen Pulses ermöglicht eine einfache Messung zur Gesundheitskontrolle. Sie erfordert keinen technischen Aufwand und keine Spezialkenntnisse (10.1). Die Biophysik studiert beispielsweise, wie die elektrische Leitung in Nervenzellen im Detail erfolgt oder wie Knochen ihre Stabilität erhalten. In der Biomechanik wird der Bewegungsapparat und die Steuerung von künstlichen Gliedmaßen (Prothesen) durch Nervenimpulse untersucht und natürlich auch die Untersuchung und Optimierung von Bewegungsabläufen im Sport, wie auch die Verringerung von Verletzungsgefahren im Straßenverkehr. Die Bionik untersucht, welche Lösungen die Natur im Lauf der Evolution gefunden hat und wie man diese für den Menschen nutzbar machen könnte: Ein bekanntes Beispiel ist das Blatt der Lotusblume (10.2), von dem Wassertropfen abperlen und dieses dabei reinigen – das immer saubere Tischtuch wäre doch ein schönes Ergebnis. Physik und du Wer Interesse an Physik und Technik hat, dem wird bewusst sein, dass physikalische Kenntnisse in einem höheren Studium und in vielen Berufen wichtig sind. Auch im Studium von Medizin (schon beim Aufnahmetest) oder Biologie spielt die Physik eine wichtige Rolle. Wichtiger ist es jedoch zu erkennen, dass Physik hilft, die Welt und unseren Platz im Universum zu verstehen. Sie hilft uns, die Entwicklung des Universums durch etwa 13 Mrd. Jahre zu verfolgen, genauso wie sie uns den Regenbogen und andere Phänomene des Alltags erklärt. Mit Physik verstehen wir, warum sich der Bremsweg eines Autos bei doppelter Geschwindigkeit vervierfacht und warum Fahrräder die energetisch günstigsten Fahrzeuge sind. Mit Hilfe der Physik verstehen wir auch, warum es sinnvoll ist, statt Glühbirnen effizientere Leuchtmittel einzusetzen. Dabei spielen die Beleuchtungskosten in einem Haushalt mit Elektroherd und Elektroboiler eine geringe Rolle. Das könnte anregen zu überlegen, wie Energie im Gesamten sparsamer genutzt werden kann. Dank gut durchdachter Sicherheitsbestimmungen ist der elektrische Strom nicht mehr jene große Gefahr, die er vor wenigen Jahrzehnten war. Trotzdem kommen durch Leichtsinn immer wieder Personen zu Schaden: Alle sollten verstehen, warum z. B. ein Fön in der Badewanne zur tödlichen Gefahr wird. Physik, Chemie und Mathematik sind Grundlagen der Technik. In der Technik werden Erkenntnisse der Grundlagenforschung weiter entwickelt, so dass sie zu alltagstauglichen Werkzeugen werden. Die Entwicklung des Lasers ist hier ein besonders gutes Beispiel. Entdeckungen können zum Wohl der Menschheit eingesetzt werden, aber in Kriegen auch zum Schaden. Zu den bedeutendsten Herausforderungen der Zukunft gehören die Sicherung des Friedens (einschließlich eines Verbots von Kernwaffen) und die Sicherung der Lebensgrundlagen für alle Menschen. Wie schwierig die Versorgung mit Nahrung, Trinkwasser und Energie sein kann, wird uns besonders bei Naturkatastrophen in den ärmsten Ländern bewusst. Wir sollten daran denken, dass sich die Weltbevölkerung von 2 Mrd. Menschen im Jahr 1927 auf 8 Mrd. Menschen im Jahr 2022 vervierfacht hat und weiter wächst. Das bedeutet auch einen steigenden Bedarf an nicht nachwachsenden Rohstoffen, wie Erdöl, Erdgas und Erzen. Zur Bewältigung der Aufgaben, die sich aus diesen Problemen ergeben, ist neben der Politik auch die Technik herausgefordert. Die bessere Nutzung der Sonnenenergie und Windkraft (10.3) ist dabei ein ebenso naheliegendes wie lohnendes Ziel für junge Forscherinnen und Forscher. 10.1 Die einfachste Messung, die du an deinem Körper durchführen kannst: Fühle deinen Puls und zähle, wie oft du ihn in einer Minute spürst. 10.2 Lotuseffekt: Auch von den Blättern der Kapuzinerkresse perlen Wassertropfen in kleinen Kugeln ab, statt sie zu benetzen. Suche weitere Pflanzen, an denen du diesen Effekt gut sehen kannst. 10.3 Windkraftwerk im Meer (oben) und Solarkraftwerk (Photovoltaik) auf landwirtschaftlich nicht genutzter Fläche (unten) 10 Physik – um die Welt zu verstehen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
11.1 Albert Einstein (1879–1955) war sicher der bedeutendste Physiker des 20. Jahrhunderts. Seine wichtigsten Erkenntnisse zur Natur des Lichts und zur Struktur von Raum und Zeit (Relativitätstheorie) machte er zwischen dem 26. und dem 40. Lebensjahr. 11.2 Aufbau des Rubinlasers: Ein kleiner Stab aus Rubin ist an den Enden parallel geschliffen und verspiegelt. Mit einer Blitzlichtlampe wird er beleuchtet. Nur das Licht, das im Kristall zwischen den Spiegeln hin und herläuft, ergibt schließlich einen parallelen intensiven Lichtstrahl, das Laserlicht. verspiegelte Seite halbverspiegelte Seite Blitzlichtlampe Rubinkristall Laserstrahl polierter Aluzylinder 11.3 Lasersystem, das in der Augenchirurgie verwendet wird. Der Laser – vom Forschungslabor zum Alltagsobjekt Die Geschichte des Lasers zeigt, wie aus „Geistesblitzen“ nach 40 Jahren ein intensives Forschungsgebiet entstanden ist. Im Laufe der Jahre (seit 1960) wurde der Laser entwickelt, der heutzutage in vielen Anwendungsgebieten – oft in winzigen Bauformen – unentbehrlich ist. Im Laserpointer, im CD/DVD-Player und im Strichcodeleser an der Supermarktkasse ist der Laser zum Konsumartikel geworden. Schritt 1: Am Beginn des 20. Jahrhunderts war die Frage „Was ist Licht?“ ein zentrales Forschungsthema der Physik. Einsteins Beitrag im Jahr 1905 war die „Erfindung“ der Lichtteilchen, der Photonen. Damit konnte er erklären, wie Licht Elektronen aus Metallen herausschlägt. Dieser Effekt bildet die Grundlage der Bildentstehung in digitalen Kameras. Ein Jahrzehnt später dachte Einstein (11.1) darüber nach, wie Atome Energie aufnehmen können, die sie später als Licht wieder abgeben. Dabei erkannte er, dass es möglich sein müsste, viele Atome in einem gleichzeitigen Lichtblitz strahlen zu lassen. Schritt 2: Lange schien es unmöglich, diese Idee praktisch umzusetzen. Erst im Jahr 1960 fanden zwei Forschergruppen in den USA unabhängig voneinander eine Lösung. Im Rubinlaser (11.2) sendet ein kleiner Rubinkristall einen gebündelten Strahl rotes Licht aus, im Helium-Neon-Laser wird ein Gasgemisch genutzt. Danach setzte eine rasante Entwicklung ein. Heutzutage gibt es eine Vielfalt von maßgeschneiderten Lasern. Allen ist jedoch eines gemeinsam: Das Licht, das sie abgeben, ist in einem engen Strahl gebündelt und daher sehr intensiv. Es hat jeweils nur eine Wellenlänge (Farbe). Das Wort Laser ist eine Abkürzung für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation und bedeutet „Lichtverstärkung“. Schritt 3: Sehr schnell wurden vielfältige Möglichkeiten für Anwendungen erkannt und weiterentwickelt. Sogenannte Femtosekunden-Laser senden intensive Lichtblitze mit einer Dauer von ungefähr 10−15 Sekunden aus, mit denen man z. B. die Zwischenschritte von chemischen Reaktionen beobachten kann. Einige Anwendungen In der Augenmedizin werden vielfältige Operationen mittels Laser durchgeführt (11.3). Die Ablösung der Netzhaut vom Augenhintergrund führt zur Erblindung. Mittels Laserlicht kann man die Netzhaut wieder fixieren. Bei Kurzsichtigkeit ist ein „Abschleifen“ der zu stark gekrümmten Hornhaut (durch Wegbrennen mittels Laserstrahl) eine Operation, die das Tragen einer Brille überflüssig macht. Die weltweit häufigste Augenoperation ist der Ersatz einer getrübten Augenlinse (Grauer Star) durch eine Kunststofflinse. Mittels Femtosekunden-Lasers wird die Linse freigelegt und zerteilt. Nach Absaugen der zerteilten Linse wird die Kunstlinse eingesetzt und mit der zuvor aufgeschnittenen Hornhaut abgedeckt. In der Chirurgie dient der Laser als Skalpell. Da Blutgefäße gleich wieder verschlossen werden, heilen Wunden bei Laseroperationen schnell. In der Materialbearbeitung hat sich sehr früh das Schneiden und Bohren von Werkstücken mittels Laser bewährt. Beim Laserschneiden verdampft das Material entlang des Schnitts. Es fallen keine festen Späne an. Mit der Laserpistole misst die Polizei Geschwindigkeiten im Straßenverkehr. Im Baugewerbe ersetzt der Laserentfernungsmesser das Maßband und ist wesentlich genauer. Ist es nicht erstaunlich, dass seit der ersten Landung auf dem Mond im Jahr 1969 die Distanz von der Erde zum Mond mittels Laser gemessen wird und auf wenige Zentimeter genau bekannt ist? Dabei konnte nachgewiesen werden, dass sich der Mond jährlich um etwa 3,5 cm von der Erde entfernt. Auch bei der Nutzung des Internets spielen Laser eine Rolle. Informationen werden in kurzen Lichtblitzen – von Lasern erzeugt – durch Kabel aus Glasfasern geleitet. Was wären schließlich ein Rock-Konzert oder die Linzer Klangwolke ohne eine Lasershow? Zeichnungen am Himmel mit Lichtstrahlen von leistungsstarken Lasern begeistern das Publikum. 11 Physik – um die Welt zu verstehen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
12.1 Die Salzburger Physikerin Claire Gmachl entwickelt an der Universität Princeton, USA, Laser für Umweltforschung und Medizin. 12.2 Seit 1886 werden am Hohen Sonnblick (Bundesland Salzburg) in 3 100 m Höhe regelmäßig Wetterdaten und Klimaparameter gemessen. Das Observatorium gehört zu den 40 wichtigsten Stationen im weltweiten Netz der World Meteorological Organisation (WMO) und wurde im Jahr 2023 vom Sonnblick-Verein an die GeoSphere Austria (ehemals Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik) übergeben. Forschung – Kommunikation und Qualitätssicherung Physikalische Forschung erfolgt an Universitäten (12.1) und in speziellen Einrichtungen, die teilweise öffentlich bzw. teilweise durch Industrieaufträge finanziert werden oder Teil eines Industriebetriebs sind. Beispiele für außeruniversitäre Forschungsstätten in Österreich sind das Amt für Eich- und Vermessungswesen, GeoSphere Austria (12.2), das AIT – Austrian Institute of Technology, der Klimawindkanal in Wien oder – als Beispiel im Bereich von technischen Anwendungen, insbesondere der Halbleiter für energiesparende Elektronik – das Forschungs- und Entwicklungszentrum Infineon Austria in Villach. Geforscht wird in Arbeitsgruppen, sodass innerhalb der Gruppen Ergebnisse und auftretende Probleme besprochen bzw. umfangreiche Forschungsarbeiten aufgeteilt werden können. Meist werden ähnliche Fragestellungen auch in anderen Arbeitsgruppen im In- und Ausland untersucht. Neue Erkenntnisse werden zwischen diesen Arbeitsgruppen in mehrfacher Art kommuniziert: − Vorträge und Diskussionen der Forscherinnen und Forscher bei Tagungen − Schriftliche Berichte (im Fachjargon paper genannt), die zunächst in einem elektronischen Archiv allgemein verfügbar sind, werden nach einer – meist anonymen – positiven fachlichen Begutachtung in einer Fachzeitschrift veröffentlicht. Dabei wird überprüft, ob der Bericht neue Erkenntnisse bzw. keine Fehler enthält und ob die Arbeit die verwendeten Methoden so darstellt, dass die Ergebnisse unabhängig überprüft werden können. Gerade bei der Dokumentation experimenteller Arbeiten ist die Analyse möglicher Fehlerquellen besonders wichtig. Die Veröffentlichungen in Fachzeitschriften sind wichtige Leistungsnachweise und können für die Karriere entscheidend sein. Bereits vor 400 Jahren hat der französische Mathematiker und Philosoph René Descartes (1596–1650) heute noch gültige Regeln für die wissenschaftliche Arbeit aufgestellt: 1 Vermeide jede Übereilung und vorgefasste Meinung. Halte nur das für wahr, was du wirklich verstanden hast. 2 Zerlege jedes Problem in Teilprobleme. 3 Beginne beim einfachsten Teilproblem und gehe schrittweise zu komplizierteren Teilproblemen. Physikalische Forschung wird von Menschen betrieben. Fehler sind daher möglich. Wenn sich nach der Veröffentlichung einer wissenschaftlichen Arbeit trotz Begutachtung ein gravierender Fehler findet, der das Ergebnis wertlos macht, so muss die Arbeit widerrufen werden. Fälle von Datenfälschung oder gravierender Fehlinterpretation von Ergebnissen kommen besonders in Bereichen vor, in denen viel Ruhm zu gewinnen ist. In der Physik ist eines dieser Gebiete die Kernfusionsforschung zur Energiegewinnung aus Wasserstoff. Dieser Prozess läuft in der Sonne bei 15 Millionen Grad ab – es wäre doch schön, wenn er auch bei Zimmertemperatur möglich wäre. Zwei Experimente, in denen die Möglichkeit einer „kalten Kernfusion“ behauptet wurde, erregten viel Aufmerksamkeit. Sie konnten von anderen Forschern jedoch nicht nachvollzogen werden und werden daher von der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht als richtig anerkannt. Als gute wissenschaftliche Praxis gilt daher die Selbstverpflichtung der Forscherinnen und Forscher, gemäß dem aktuellen Stand der Wissenschaft zu arbeiten, Forschungsergebnisse zu dokumentieren, ehrlich und unvoreingenommen mit Partnerinnen bzw. Partnern und Konkurrentinnen bzw. Konkurrenten zu verkehren sowie die Ergebnisse der eigenen wissenschaftlichen Arbeit einer scharfen Kritik zu unterziehen. Behauptete Phänomene, wie z. B. die sogenannten „Erdstrahlen“, die nur von bestimmten Personen gefühlt werden können, oder die wichtigen physikalischen Prinzipien widersprechen, sind daher nicht wissenschaftlich erklärbar – falls es sie überhaupt gibt. 12 Physik – um die Welt zu verstehen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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