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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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Chemische Energie

Diagramm: Chemische Energie als Bindungsenergie zwischen Atomen in der Darstellung als Potenzialkurve.Sowohl in der Bindung von Atomen und Molekülen als auch in der Möglichkeit (Potenzial) zur chemischen Bindung steckt chemische Energie. Diese kann bei der Bildung oder beim Zerfall der Bindungen in Form von Wärme frei werden. Diese “Reaktionswärme” wird auch als Reaktionsenthalpie (H) bezeichnet. Wird Wärme frei (dH < 0), so spricht man von einer exothermen Reaktion, wird Wärme verbraucht (dH > 0) von einer endothermen. Jedes Gemisch von Ausgangsstoffen, das zu Endstoffen reagieren kann, ist also als ein Potenzial an chemischer Energie aufzufassen. Mikroskopisch steckt diese chemische Energie in den Bindungen zwischen einzelnen Atomen, wie es anhand der Potenzialkurve illustriert wird. Hinweise und Ideen:Chemische Energie ist eine Energieform, die sich gut speichern lässt - sei es im menschlichen Körper oder in Batterien und Akkus. Ein weiteres Beispiel ist Wasserstoff als chemischer Energiespeicher für regenerative Energien.


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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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Lärmwirkungen

Schemagrafik: Die Grafik zeigt, dass - abgesehen von den physischen Wirkungen - Schall erst im Gehirn zu Lärm wird.Lärm hat Auswirkungen auf die physische und psychische Gesundheit des Menschen. Was der Einzelne als Lärm empfindet, hängt von zahlreichen Faktoren ab, z. B. von der eigenen Stimmungslage.Hinweise und Ideen:Kann z. B. als Einstieg in das Thema “Wie wirkt Lärm?” verwendet werden.U. a. geeignet als Schaubild: einzelne Komponenten können auch abgedeckt werden (schrittweiser Aufbau).Unterrichtsbezug:Lärm: Ursachen, Wirkung, Schutz

Medientypen

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Lernalter

11-18

Schlüsselwörter

Diagramm Gehörlosigkeit Lampe

Sprachen

Deutsch

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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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Hörfeld eines Hörgeminderten

Diagramm:Hörfeld eines Hörgeminderten. Im Vergleich zum voll intakten Gehör wird vor allem die Einengung des Sprachbereichs zum Handicap.Der Sprachbereich ist der Frequenz- und Lautstärkebereich, in dem sprachliche Kommunikation vorwiegend stattfindet. Innerhalb des Hörfeldes ist er als nierenförmiger Bereich (= Sprachniere) zu erkennen. In unserer Abbildung ist der Sprachbereich blau unterlegt. Wenn z. B. Haarzellen im Innenohr geschädigt sind und ausfallen, verändert sich das Hörfeld, der Sprachbereich wird eingeengt. Hinweise und Ideen:Der beschreibende Vergleich der Diagramme des intakten und geminderten Gehörs ist als von den Schülern selbstständig zu lösende (Haus-) Aufgabe gut geeignet. Neben der praktischen Übung des schriftlichen Ausdrucks (Deutsch) kommen hier auch Grundfertigkeiten aus der Mathematik und Physik (Wie lese ich ein Diagramm) zum Tragen. Unterrichtsbezug:Hörschädigung/SchwerhörigkeitFunktionsweise des HörensSchall/Akustik

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Hörbahn - am Hören beteiligte Hirnregionen

Grafik, beschriftet: Die “Hörbahn” beschreibt den Weg der Hörnervenimpulse in und durch das Hirn. Damit ist allerdings der Hörvorgang noch nicht abgeschlossen.Die Hörbahn ist die Nervenbahn für die Hörempfindung.Früher dachte man, dass die Sinne stärker lokalisiert wären. Heute weiß man, dass außer der Hörbahn noch viele Teile des Hirnes beteiligt sind, die auch von anderen Sinnen gemeinsam genutzt werden. Nur so sind über die bloße Mustererkennung hinaus die abstrakten Verstandesleistungen der menschlichen Intelligenz möglich. Einen komplexen Satz zu einem komplexen Sachverhalt verstehen, heißt schließlich mehr als die Summe der Wörter zu erkennen.Hinweise und Ideen:Weitere inhaltliche Informationen zu dieser Grafik gibt es als Sachinformation auf dem Medienportal der Siemens Stiftung.Unterrichtsbezug:Aufnahme und Verarbeitung von InformationenWahrnehmen, Erkennen, Handeln

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Lernalter

11-18

Schlüsselwörter

Diagramm Schall Sprache

Sprachen

Deutsch

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Wasser als Lösungsmittel für Salze und Gase

Diagramm:Wasser löst ionische und polare Stoffe hervorragend, da es selbst eine polare Flüssigkeit ist.Die Löslichkeit in Wasser ist oft stark von der Temperatur abhängig; dabei verhalten sich Feststoffe und Gase unterschiedlich. Gase lösen sich bei zunehmender Temperatur schlechter in Wasser, während sich Feststoffe bei zunehmender Temperatur meist besser in Wasser lösen lassen (Ausnahmen gibt es mehrere, wie z. B. Lithiumsulfat).Hinweise und Ideen:Normalerweise gilt, dass ein Stoff sich umso besser in polaren Lösungsmitteln wie Wasser lösen lässt, je mehr polare Gruppen in diesem Stoff vorhanden sind. Überkritisches Wasser zeigt jedoch ähnliche Löslichkeitseigenschaften wie unpolare organische Lösungsmittel. Die Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit ist ein gutes Beispiel, um den Unterschied von Geschwindigkeit und Gleichgewicht zu thematisieren.

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Lernalter

13-18

Schlüsselwörter

Diagramm Lösung

Sprachen

Deutsch

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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

Medientypen

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Lernalter

11-18

Schlüsselwörter

Diagramm Schall Welle (Physik)

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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