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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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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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Schwingungen und Wellen

Übersichtsgrafik:Die wichtigsten Kenngrößen von Schwingungen und Wellen im Überblick.Elektromagnetische Wellen sind Schwingungen der elektrischen und magnetischen Feldstärke, die sich räumlich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen. Die Kenngrößen der Schwingungen und Wellen, wie z. B. die Frequenz, werden hier in der Übersicht gezeigt.Hinweise und Ideen:Als Überblicksinformation für die Schülerinnen und Schüler zum Thema “Schwingungen und Wellen”. Wichtige Grundlage für das Verständnis der Schallwellen in der Akustik.

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11-18

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Diagramm Optik Schall Welle (Physik)

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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

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Diagramm Optik Schall Welle (Physik)

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Schallfeld und Schalldämpfung

Schemagrafik: Konzentrische Ausbreitung von Schallwellen. Eingezeichnet sind die Linien gleicher Lautstärke, die mit der Entfernung zur Quelle abnimmt.Warum hören wir immer weniger, je weiter wir von der Schallquelle entfernt sind?Schall breitet sich von seiner Quelle her kreisförmig aus, d. h. die Schallenergie breitet sich über ein zunehmend größeres Raumgebiet aus und der Schalldruck nimmt entsprechend ab. In einem freien Schallfeld nimmt er jedes Mal um rund 6 dB ab, wenn die Entfernung zur Quelle verdoppelt wird. Innerhalb eines Raumes gilt dieses Abstandsgesetz aber nur nahe der Schallquelle.Hinweise und Ideen:Geeignet, um zu erläutern, warum man immer weniger hört, je weiter man von der Schallquelle entfernt ist.Unterrichtsbezug:Schall/Akustik: KenngrößenSchwingungen und WellenKommunikation und Verständigung

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Diagramm Schall Welle (Physik)

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Energiesparen als Energiequelle

Schemagrafik:Diese Übersicht zeigt anhand ausgewählter Beispiele, dass Energiesparen selbst als “Energiequelle” bezeichnet werden kann.Anhand von fünf Beispielen aus dem Alltag (Strom- und Wärmeerzeugung, Energieverteilung, Bauwesen, Beleuchtung, Verkehr) wird gezeigt, wie Energiesparen den Verbrauch einzelner Energieträger (primär oder sekundär) schont. Hinweise und Ideen:Die Schülerinnen und Schüler können nach weiteren Beispielen suchen. Welche Bedeutung kommt dem Energiesparen in Bezug auf die allgemeine Verknappung der Ressourcen zu? Kann es etwa mit der Erschließung regenerativer Energiequellen gleichgesetzt werden?


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Thermische Energie

Diagramm:Formeln für die thermische Energie von Gasen sowie die Temperaturabhängigkeit der zugehörigen molaren Wärmekapazität bei konstantem Volumen.Die thermische oder innere Energie eines Stoffs ist die Summe der Bewegungsenergien seiner Atome bzw. Moleküle. Diese Energie ist als Temperatur messbar. Führt man dem Stoff Wärme zu, steigt die Teilchengeschwindigkeit und damit die Temperatur. Bei molekularen Gasen kann die Wärmezufuhr zusätzlich zur translatorischen Bewegung die Anregung anderer Bewegungsformen (Rotation und Schwingung) hervorrufen. Dies drückt sich im stufenförmigen Verlauf der molaren Wärmekapazität aus (Diagramm rechts). Die molare Wärmekapazität eines Stoffs gibt an, wie viel Energie man zuführen muss, um 1 mol eines Stoffs um 1 °C zu erhöhen. Für gasförmige Stoffe gilt: Falls die Gasteilchen sich nur linear bewegen (Translation), ist die Wärmemenge, die zugeführt werden muss, um das Gas um 1 °C zu erhöhen, konstant 3R/2. Im Fall molekularer Gase fangen die Moleküle ab einer bestimmten Temperatur an zu rotieren. In diesem Bereich (linearer Anstieg im Diagramm) muss man mehr Energie zuführen, um die Temperatur um 1 °C zu erhöhen, da die Energie nicht nur in die translatorische Bewegung geht, sondern auch in die Anregung der Rotation. Sind alle Teilchen in Rotation versetzt, so ist die Energie, die zugeführt werden muss, um die Temperatur um 1 °C zu erhöhen, wieder konstant 5R/2. Der Anstieg beim Übergang von Rotation nach Schwingung lässt sich analog erklären. Hinweise und Ideen:Die Übersichtsgrafik fasst das Thema Wärmeenergie am Beispiel Gase zusammen. Ausführliche Erläuterungen und Erläuterungen zur Wärme in Feststoffen findet man im Leitfaden “Was ist Energie?”.

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Energieträger Erdwärme

Übersichtsgrafik: Gegenüberstellung tiefer und oberflächennaher Geothermie anhand ausgewählter Beispiele.Erdwärme oder auch Geothermie bezeichnet das thermische Energiepotenzial im Erdreich. Je nach Tiefe der Erdschichten entsteht die Erdwärme ausschließlich durch Restwärme aus der Erdentstehungszeit und durch radioaktive Zerfallsprozesse (tiefe Geothermie) oder aus der Sonneneinstrahlung (oberflächennahe Geothermie). Die tiefe Geothermie tritt an die Erdoberfläche, z. B. in Form von Thermalquellen und Vulkanen. Bei der oberflächennahen Geothermie zeigt sich ab ca. 15 m Erdtiefe eine jahreszeitenunabhängige Durchschnittstemperatur von 8 bis 12 °C, die sich fast ausschließlich aus der Sonneneinstrahlung speist. Erst ab ca. 100 m Tiefe überwiegt der Wärmezufluss aus dem Erdinneren. Sowohl die oberflächennahe als auch die tiefe Geothermie können mit unterschiedlichen Technologien zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden.Übrigens: Neuschnee im Frühjahr schmilzt auf warmer Erde sofort, wenn er direkt mit dieser in Berührung kommt. Fällt der Schnee jedoch auf Gras, bleibt er länger liegen, da das Gras als Isolationsschicht wirkt.Hinweise und Ideen:Das Medium kann einen Überblick über den Energieträger Erdwärme geben. Eine Verknüpfung mit Erdkunde liegt nahe. Mögliche Fragestellung: Welche Regionen bieten sich für die Nutzung tiefer und/oder oberflächennaher Geothermie an (z. B. Vorkommen heißer Thermalquellen in Island)? Ausführliche Informationen findet man im Leitfaden “Regenerative Energien” auf dem Medienportal der Siemens Stiftung.


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Anteil der Energieträger am weltweiten Strommix von 2005 bis 2040

%iagramm:Das Diagramm zeigt, dass die regenerativen Energien ab ca. 2040 auch weltweit den größten Anteil an der Stromerzeugung haben werden. Es wird deutlich, dass auch in Zukunft die fossilen Energieträger, insbesondere die Kohle, und die dafür entwickelten Kraftwerkstechnologien eine zentrale Rolle bei der Energieversorgung spielen werden. Diese Rolle wird aber zunehmend kleiner.Hinweise und Ideen:In Deutschland sowie in einigen anderen Ländern soll laut Prognosen der Anteil der regenerativen Energien an der Stromerzeugung wesentlich schneller steigen als am gesamten Primärenergieverbrauch. In Deutschland z. B. soll der Anteil in 2040 bei Strom bereits über 65 % liegen. Weltweit liegen die Prognosen sowohl bei Strom als auch beim Gesamtprimärenergieverbrauch (also Strom + Verkehr + Wärmeerzeugung) allerdings gleichauf bei gut 30 %. Wie kann man diesen Unterschied erklären?Unter Verwendung der Quelle: “World Energy Outlook 2012”, International Energy Agency IEA (2012%


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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.