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Energiequellen für elektrischen Strom

Schemagrafik:Übersicht über die Umwandlungspfade von verschiedenen Energiequellen hin zu elektrischem Strom.Um die in nuklearen, regenerativen und fossilen Energieträgern enthaltenen Energieformen für den Menschen nutzbar zu machen, müssen sie in eine andere Energieform umgewandelt werden, z. B. in elektrische Energie (“Strom”). Von den hier gezeigten Energieträgern ist bei Kernenergie, nachwachsenden und fossilen Brennstoffen sowie Geo- und Solarthermie eine direkte Umwandlung in elektrische Energie nicht möglich. Daher müssen mehrere Umwandlungsschritte hintereinandergeschaltet werden. Die beiden letzten Schritte sind die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie in der Turbine und die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie im Generator.Wasser- und Windkraft können direkt einen Generator antreiben und Photovoltaik erzeugt direkt elektrische Energie. Hinweise und Ideen:Sehr gut geeignet, um das Gesetz von der Erhaltung der Energie zu erläutern. Dass Energie nicht erzeugt, sondern nur umgewandelt werden kann, ist den Schülern nicht selbstverständlich.

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Schallbeugung

Schemagrafik:Beugung ist eine typische Verhaltensweise von Schallwellen, wenn sie auf ein Hindernis treffen.Die Beugung von Schallwellen ist ein physikalischer Mechanismus, der für das Eindringen von Schallenergie in akustische Schatten sorgt. Das heißt der Schall ist auch in Bereichen hörbar, die vom direkten Schalleinfall abgeschattet sind, wie etwa hinter Hindernissen. Hinweise und Ideen:Die Beugung des Lichts lässt sich nachweisen, wenn ein paralleles Strahlenbündel einfarbigen Lichts auf einen engen Spalt gerichtet wird. Ein hinter dem Spalt aufgestellter Schirm gibt eine Beugungsfigur (helle und dunkle Streifen, die nach außen an Intensität verlieren).Beim Schall ist ein direkter Bezug zur Alltagswelt der Schüler noch besser möglich: Warum kann man die vor einem Gebäude verlaufende Straße hören, obwohl man dahinter steht?Weitere inhaltliche Informationen zu dieser Grafik gibt es als Sachinformation auf dem Medienportal der Siemens Stiftung.Unterrichtsbezug:Schall/Akustik: KenngrößenSchwingungen und Wellen

Medientypen

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Lernalter

13-18

Schlüsselwörter

Diagramm Optik Schall Welle (Physik)

Sprachen

Deutsch

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Linse und Abbildungsgleichung

Schemagrafik: Die vom Gegenstand ausgehenden Lichtbündel müssen durch eine Linse zu den Punkten eines Bilds gesammelt werden. Die dabei geltenden Gesetze beschreibt die Abbildungsgleichung.Zur Konstruktion des Bildpunktes sind mindestens zwei der folgenden Strahlen nötig:• Strahl vom Gegenstand parallel zur optischen Achse (Parallelstrahl)• Strahl vom Gegenstand durch den Brennpunkt der Linse (Brennstrahl)• Strahl vom Gegenstand durch den Mittelpunkt der Linse (Mittelpunktstrahl).Der Mittelpunktstrahl geht ohne Richtungsänderung durch die Linse. Der Parallelstrahl geht hinter der Linse durch den Brennpunkt. Der Brennstrahl wird hinter der Linse zum Parallelstrahl.Hinweis: Die Abbildungsgleichung wird oftmals auch als “Linsenformel” bezeichnet.Hinweise und Ideen:Wozu braucht man eine Linse?

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Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)

%chemagrafik:Schematische Darstellung der Stromumwandlungsstufen bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) vom Produktionsort zum Mittelspannungsnetz des lokalen Netzes.Um Strom als Hochspannungs-Gleichstrom übertragen zu können, muss er sowohl transformiert als auch gleichgerichtet werden. Nach der Übertragung wird er mit Stromrichter wieder zu Wechselstrom gewandelt. Als Gleich- und Wechselrichter verwendet man Thyristoren. Die Fotos zeigen in der Starkstromtechnik verwendete Transformatoren und Thyristoren.Mit der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) lassen sich Strecken über Land (Freileitungen) ab ca. 1.000 km Länge und unter Wasser (Seekabel) ab ca. 60 km wirtschaftlicher überbrücken als mit Wechselstrom. Gleichstrom hat gegenüber dem Wechselstrom den Vorteil, dass er keine Wirbelströme verursacht und somit den vollen Leitungsquerschnitt nutzt. Aufgrund des niedrigeren Widerstands bei gleichem Querschnitt sind die Wärmeverluste geringer.Übrigens: Leistungsverluste sind bei Wechselspannung unter Wasser deshalb höher als in der Luft oder in der Erde, weil bei Tiefseekabeln keine Ausgleichselemente (Spulen, Kondensatoren) gegen induktive und kapazitive Verluste eingesetzt werden können.Hinweise und Ideen:Was verwendete man früher als Gleichrichter?Unter Verwendung der Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Hochspannungs-Gleichstrom-%C3%9Cbertragun%

Medientypen

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Lernalter

16-18

Schlüsselwörter

Diagramm Energieversorgung Physik

Sprachen

Deutsch

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Reflexion

Schemagrafik:Das Phänomen der Reflexion wird mit dem Strahlencharakter des Lichts erklärt.Der Strahlencharakter des Lichts wird am Phänomen der Reflexion deutlich: Licht wird an spiegelnden Flächen gemäß dem Reflexionsgesetz reflektiert.1. Der einfallende Strahl und der reflektierte Strahl liegen in einer Ebene.2. Der Einfallswinkel ist genauso groß wie der Ausfallswinkel.Hinweise und Ideen:Gerade im Bereich Reflexion (inklusive zum Thema Spiegel) bieten sich Experimente an, die die Schüler mit einfachen Mitteln selbst durchführen können.

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Lernalter

13-18

Schlüsselwörter

Diagramm Licht Optik

Sprachen

Deutsch

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Anregungsenergie eines Wassermoleküls

Diagramm:Wasser kann in Form der Schwingungen bzw. der Bewegung seiner Moleküle Wärmeenergie aufnehmen. Dieser Energieinhalt hängt vom Aggregatzustand ab: Wasserdampf enthält z. B. mehr Energie als flüssiges Wasser.Die uns umgebende Materie nimmt je nach Druck und Temperatur (in Kelvin) verschiedene Aggregatzustände an: fest, flüssig oder gasförmig. Das gilt auch für Wasser: Beim Übergang von fest nach flüssig bzw. flüssig nach gasförmig nimmt die Energie der Wassermoleküle zu, ohne dass dabei die Temperatur ansteigt. Dies entspricht den beiden Plateaus im Diagramm. Die “Breiten” der Plateaus liegen bei ca. 6 kJ/mol (Schmelzwärme) und ca. 40,7 kJ/mol (Verdampfungswärme).Hinweise und Ideen:Eignet sich gut zur Erläuterung des Themas Phasengleichgewicht.


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Spracherkennung: Satz, Wort und Phonem

Diagramm:Die Bausteine der Sprache, vom Phonem zum Satz visuell dargestellt.Die Grafik zeigt die Oszilloskop-Kurve des gesprochenen Satzes “It's raining cats and dogs” sowie ausschnittsweise die Einheiten, aus denen sich die Sprache zusammensetzt: Satz, Wort und Phonem.Hinweise und Ideen:Spracherkennung und Sprachsynthese sind ganz aktuelle Themen in der Kommunikations- und Informationstechnik.Weitere inhaltliche Informationen zu dieser Grafik gibt es als Sachinformation auf dem Medienportal der Siemens Stiftung.Unterrichtsbezug:Der menschliche KörperBau und Leistung eines SinnesorgansReizaufnahme und InformationsübermittlungSinnesleistungen

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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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Temperaturabhängigkeit der Dichte

Diagramm: Dichte-Temperatur-Verlauf bei Wasser im Vergleich zu Benzol; Gegenüberstellung veranschaulicht die Dichteanomalie des Wassers.Bei den meisten Stoffen gilt als kontinuierlicher Verlauf: je höher die Temperatur, desto niedriger die Dichte der Substanz. Bei Phasenübergängen (Gas -> Flüssigkeit -> Feststoff) ändert sich die Dichte um diesen Temperaturbereich drastisch. Bei Wasser tritt jedoch ein Dichtesprung um den Gefrierpunkt auf. Die Dichte nimmt nicht zu, sondern entgegen den Erwartungen ab. Im Gegensatz dazu zeigt die Grafik den Dichte-Temperatur-Verlauf bei “normalen” Stoffen (hier Benzol). Hinweise und Ideen:Woher könnte dieses Verhalten kommen?Welche praktische Bedeutung hat diese Anomalie des Wassers?

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Pumpspeicherkraftwerk bei Stromüberschuss

Grafik:Funktionsbild eines Pumpspeicherkraftwerk bei Stromüberschuss.Wenn im Stromnetz Überschuss besteht, wird im Kraftwerk aus einem tiefer gelegenen Becken Wasser mit einer elektrischen Pumpe in Becken höherer Lage gepumpt. Hinweis: Bei Bedarfsspitzen fließt dann das Wasser aus dem Hochbecken zu den Turbinen des niedrig gelegenen Kraftwerks zurück.