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Strahlungsenergie

Diagramm:Formeln für die Strahlungsenergie elektromagnetischer Wellen und das Planck'sche Strahlungsgesetz.Strahlungsenergie ist die Energie elektromagnetischer Wellen. Sie ist proportional zum Quadrat der Amplitude der elektrischen bzw. der magnetischen Feldstärke. Elektromagnetische Wellen hoher Frequenz und damit Energie haben Teilchencharakter. Die Energie dieser Teilchen ist proportional zur Frequenz bzw. umgekehrt proportional zu ihrer Wellenlänge. Der Proportionalitätsfaktor ist das Planck’sche Wirkungsquantum h. Dass Strahlungsenergie quantisiert sein muss, fand Max Planck bei der Untersuchung der Strahlung schwarzer Körper. Er formulierte ein Strahlungsgesetz, das aber erst durch Einsteins Postulat von den Lichtquanten erklärt werden konnte. Zahlenbeispiel für die Planck’sche Strahlungsformel:Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von 5.800 K, die damit verbundene Strahlungsleistung ist nach der Planck’schen Strahlungsformel 3,85 x 1023 kW. Davon trifft nur ein sehr kleiner Anteil auf die Erde (bei senkrechtem Strahlungseinfall 1,37 kW/m²).Hinweise und Ideen:Strahlungsenergie kann vielfach in andere Energieformen umgewandelt werden: Beim Röntgen wird die Strahlungsenergie in chemische Energie verwandelt (Schwärzung des Fotofilms), Licht wird in der Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt, ebenso Funkwellen in einer Antenne. Die Energie von Mikrowellen kann man zur Erwärmung von Speisen verwenden.


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Solarzellen auf Hausdach

Foto:Fotovoltaik-Anlage, die auf einem Hausdach montiert ist.


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Solarstromanlage auf Freifläche (“Solarfeld”, “Solarpark”)

Foto: Photovoltaikanlage auf einer Wiese (“Freiflächenanlage”).Hinweise und Ideen:Das Foto eignet sich zur Veranschaulichung und beinhaltet thematisch viele Anknüpfungspunkte. So können davon ausgehend sowohl der Energieträger Sonne als auch die damit verbundenen technologischen Entwicklungen (z. B. Photovoltaik) behandelt werden. Zudem können wirtschaftliche und gesellschaftliche Aspekte der Energieversorgung zur Sprache kommen.


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Schallbrechung

Schemagrafik:Schallbrechung in Luft mit unterschiedlichen Temperaturschichten (von warm nach kalt).Die Schallgeschwindigkeit in Luft hängt von der Dichte und damit auch von der Temperatur ab: bei hohen Temperaturen ist der Schall schneller als bei niedrigen. Beim Übergang von einer warmen in eine kältere Luftschicht nimmt die Schallgeschwindigkeit also ab. Mit der Geschwindigkeit ändert sich aber auch die Ausbreitungsrichtung. Man sagt, die Schallwelle wird “gebrochen”. Im beschriebenen Fall, also beim Übergang von warmer nach kalter Luftschicht, wird die Schallwelle nach oben hin gebrochen.Hinweise und Ideen:Wie verhält sich der Schall, wenn er von einer kälteren in eine wärmere Schicht dringt?Ist es richtig, dass man gegen den Wind schlechter hört als mit dem Wind?Letzteres kann gemeinsam mit den Schülerinnen und Schülern im Versuch nachgeprüft werden.Ein Vergleich mit der Brechung von Lichtstrahlen bietet sich an.Unterrichtsbezug:Schall/Akustik: KenngrößenSchwingungen und Wellen

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Schallabsorption

Grafik:Treffen Schallwellen auf ein Hindernis mit entsprechender Materialstruktur, werden sie absorbiert, d. h. die gesamte mechanische Energie des Schalls wird in Wärmeenergie umgewandelt.Zur Anwendung kommt dieses Phänomen in Schallschutz-Wänden. Eine hohe Absorption wird mit porigen Materialien erreicht. Durch Multireflexion und Streuung wird der Schallweg in diesen Materialien extrem verlängert. Der Schall “läuft sich tot”. Hinweise und Ideen:Bezug zur Alltagswelt der Schüler: Stille nach einem Schneefall.Kann gemeinsam mit den Schülern im Versuch nachgeprüft werden.Unterrichtsbezug:Schall/Akustik: KenngrößenSchwingungen und Wellen

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Lernalter

11-18

Schlüsselwörter

Schall Welle (Physik)

Sprachen

Deutsch

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Farbe und Spannung bei LED

Foto:Die Betriebsspannung bei LED hängt von der Farbe ab. Dies ist ein Hinweis auf diskrete Energieniveaus und den Photonencharakters des Lichts.Welche Farbe eine LED abstrahlt, hängt vom Energieniveau des Ladungsübergangs vom Nichtleitungsband ins Leitungsband ab. Je nach Grundmaterial (Si, GaAs, GaN usw.) und Dotierung, sowie innerem Widerstand besitzt jede LED eine typische Betriebsspannung (Spannung = Potential = Energiedifferenz). Die wird zwar von Bauform (innerem Widerstand usw.) modifiziert, ist aber letztlich vom diskreten Energieniveau des Ladungsübergangs zwischen Nichtleitungs- und Leitungsband bestimmt.Hinweise und Ideen:Das abstrakte Prinzip der Quantisierung von Energie in Form von Photonen wird in einem extrem einfachen Experiment mit vier LED und einem Netzgerät deutlich. Rote LED leuchten ab ca. 1,5 Volt, gelbe ab ca. 1,9 Volt, grüne ab ca. 2,3 Volt und blaue ab ca. 3,3 Volt.Eine Anleitung für den Bau eines geregelten LED-Farbmischers findet man in der Experimentieranleitung “Experimente - Energiequantisierung mit LEDs” auf dem Medienportal der Siemens Stiftung.

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Schallreflexion

Grafik:Wenn Schallwellen auf ein Hindernis treffen, können sie ähnlich wie Licht reflektiert werden.Wenn eine Schallwelle auf eine große, harte Oberfläche trifft, tritt eine Schallreflexion auf:Der Schall wird von der Oberfläche reflektiert, wie Licht von einem Spiegel. Hinweise und Ideen:Bezug zur Alltagswelt der Schüler: Echo im Gebirge.Kann gemeinsam mit den Schülern im Versuch nachgeprüft werden.Unterrichtsbezug:Schall/Akustik: KenngrößenSchwingungen und Wellen

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Lernalter

11-18

Schlüsselwörter

Schall Welle (Physik)

Sprachen

Deutsch

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Beugung

Grafik: Beugung von Wellen beim Auftreffen auf ein Hindernis.Die Grafik zeigt die möglichen Beugungseffekte in Abhängigkeit von Blendenöffnung und Wellenlänge.Hinweise und Ideen:Auch bei Schallwellen kommt es zur Beugung, zum Beispiel an Hausecken.Weitere inhaltliche Informationen zu dieser Grafik gibt es als Sachinformation auf dem Medienportal der Siemens Stiftung.Unterrichtsbezug:Schall/Akustik: KenngrößenSchwingungen und Wellen

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Lernalter

13-18

Schlüsselwörter

Licht Optik Schall Welle (Physik)

Sprachen

Deutsch

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Prüfton als reinstes Schallsignal

Grafik: Oszilloskop-Kurve eines periodischen Tons einer einzigen Frequenz (Reinton). Der Ton wurde mit einem elektronischen Tongenerator erzeugt.Einfache periodische Töne enthalten als “Reinton” nur eine einzige Frequenz (monofrequenter Sinuston). Das gibt es nur in der Messtechnik als synthetisch erzeugten “Prüfton”.Hinweise und Ideen:Möglicher Querverweis: Untersuchung von aperiodischen Sprachsignalen mithilfe der Spektralanalyse.Weitere inhaltliche Informationen zu dieser Grafik gibt es als Sachinformation auf dem Medienportal der Siemens Stiftung.Unterrichtsbezug:Schall/Akustik: KenngrößenSchwingungen und Wellen

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Lernalter

11-18

Schlüsselwörter

Schall Welle (Physik)

Sprachen

Deutsch

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