In einer Stadt wird die elektrische Leistung von P_nutz = 230 MW bei einer Spannung U = 230 V benötigt. Der elektrische Widerstand der Fernleitung beträgt  20 Ω.

Fall 1: Direkte Übertragung der elektrischen Leistung Mehr anzeigen »

 

 

Ergänze die Lücken. Führe dazu die notwendigen Berechnungen durch.

Die Stromstärke I in der Stadt beträgt: I = .............

In der Fernleitung tritt ein Spannungsverlust auf (Spannungsabfall): U_Verlust = .............

Verlustleistung in der Fernleitung: P_Verlust =  ..............

Vom Kraftwerk ins Netz einzuspeisende elektrische Leistung; P_zu =  ..............

Wirkungsgrad: η = P_nutz/P_zu = ............... 

 

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Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

- aus den Windungszahlen der Primär- und Sekundärspule ein Spannungsverhältnis bestimmen

- die Notwendigkeit der Verwendung hoher Spannungen für den Transport elektrischer Energie begründen.

 

Hinweise zum Erwartungshorizont

 

Fall 1: Direkte Übertragung der elektrischen Leistung

 

Ergänzung der Lücken: Die Stromstärke I in der Stadt beträgt: I = 1 000 000 A In der Fernleitung tritt ein Spannungsverlust auf (Spannungsabfall): UVerlust = R · I = 20 Ω  1 000 000 A = 20 000 000 V Verlustleistung in der Fernleitung: PVerlust = UVerlust · I = 20 000 000 V · 1 000 000 A = 20 000 000 MW Vom Kraftwerk ins Netz einzuspeisende elektrische Leistung: Pzu = Pnutz + PVerlust = 20 000 230 MW ≈ 20 TW Wirkungsgrad: η = Pnutz/Pzu = 0,000011 = 0,0011 %

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Fall 2: Übertragung der elektrischen Leistung mit einer Hochspannungsleitung Mehr anzeigen »

 

 

 

Die im Kraftwerk erzeugte Spannung von 23 kV wird zunächst mit einem Transformator (1 : 10) hoch transformiert, bevor sie in das Stromnetz eingespeist wird.

In der Stadt wird sie mit einem zweiten Transformator (1000 : 1) wieder auf die übliche Netzspannung von 230 V herunter transformiert.

Ergänze die Lücken. Führe dazu die notwendigen Berechnungen durch.

Die Spannung in der Fernleitung beträgt dann: U₁/U₂ = N₁/N₂ (Trafo 1) → U_F = U₂ = .............

Die Stromstärke I_F in der Fernleitung beträgt dann: I₁/I₂ = N₂/N₁ (Trafo 2) → I_F = I₁= .............

Spannungsabfall in der Fernleitung: U_Verlust = ..............  Verlustleistung in der Fernleitung: P_Verlust =  .........

Vom Kraftwerk eingespeiste elektrische Leistung P_zu =  ............. Wirkungsgrad: η = P_nutz/P_zu =...........

 

Vergleiche die Fälle 1 und 2 und ziehe Schlussfolgerungen.

 

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Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

- aus den Windungszahlen der Primär- und Sekundärspule ein Spannungsverhältnis bestimmen

- die Notwendigkeit der Verwendung hoher Spannungen für den Transport elektrischer Energie begründen. 

 

 

  Vergleich und Schlussfolgerung: Durch die Verwendung von Transformatoren und Hochspannung wird die Übertragung elektrischer Energie über weite Strecken überhaupt erst möglich.

 

Hinweise zum Erwartungshorizont

 

Fall 2: : Übertragung der elektrischen Leistung mit einer Hochspannungsleitung

 

Ergänzung der Lücken: Die Spannung in der Fernleitung beträgt dann: U1/U2 = N1/N2 → UF = U2 = 230 000 V Die Stromstärke IF in der Fernleitung beträgt dann: IF = I1= 1 000 A Spannungsabfall in der Fernleitung: UVerlust = R ·  IF = 20 000 V Verlustleistung in der Fernleitung: PVerlust = UVerlust IF = 20 000 000 W = 20 MW Vom Kraftwerk einzuspeisende elektrische Leistung: Pzu = Pnutz + PVerlust = 250 MW Wirkungsgrad: η = 0,92 = 92 %

Vergleich und Schlussfolgerung: Durch die Verwendung von Transformatoren und Hochspannung wird die Übertragung elektrischer Energie über weite Strecken überhaupt erst möglich.

 

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Regelmäßig wird radioaktiver Müll von der Wiederaufbereitungsanlage in La Hague (Frankreich) in das Zwischenlager nach Gorleben transportiert. Dies geschieht in sogenannten Castoren, das sind spezielle Sicherheitscontainer. Mehr anzeigen »
a)	Bei diesen Transporten kommt es regelmäßig zu Protesten von „Atomkraft"-Gegnern. Stelle Pro- und Contra-Argumente für die Nutzung der Kernenergie gegenüber.
b)	Die Abbildung zeigt den Castor auf einem Spezial-LKW. Sie wurde mit einer Wärmebildkamera aufgenommen. Interpretiere diese Aufnahme des Castors.

Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• alternative technische Lösungen zur Energiebereitstellung unter den Aspekten der Nachhaltigkeit vergleichen und bewerten,
• Texte (einschließlich enthaltener Abbildungen) erschließen. 

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)	Pro, z- B.: Contra, z. B.: -       preiswerte Energieproduktion -       Kraftwerksleistung regelbar -       CO2 -neutral -       geringe Umweltveränderungen -       große Umwelt- und Personenschäden bei GAU -       Endlagerung ungeklärt -       Brennstoffe begrenzt
	b)	Castoren sind wesentlich wärmer als die Umgebungstemperatur. Diese Erwärmung wird durch die Umwandlung eines Teils der freigesetzten Strahlung in Wärmeenergie hervorgerufen.
Hinweis: Castor: cask for storage and transport of radioactive material (Fass zur Lagerung und zum Transport radioaktiven Materials)

Beim Betrieb einer Windkraftanlage wurde das abgebildete Diagramm aufgenommen.

a)   Interpretiere das Diagramm.

b)   Stelle Vor- und Nachteile von Windkraftwerken gegenüber. Mehr anzeigen »

 

 

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Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Herausbildung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• alternative technische Lösungen zur Energiebereitstellung unter den Aspekten der Nachhaltigkeit vergleichen und bewerten,
• Texte (einschließlich enthaltener Grafiken) erschließen. 

 

 

Hinweise zum Erwartungshorizont

 

	a)	Interpretation, z. B.: Erst ab einer Windgeschwindigkeit von 5 m/s erzeugt das Windrad elektrische Energie. Die Abgabe steigt stark mit wachsender Windgeschwindigkeit und erreicht bei 12 m/s ihren größten Wert von 1,2 MW. Bei großen Windgeschwindigkeiten (über 24 m/s) wird das Windrad aus Sicherheitsgründen abgeschaltet.
	b)	Vorteile, z- B.: Nachteile, z. B.: -       CO2 -neutral -       regenerative Energie wird genutzt -       diskontinuierliches Ernergieaufkommen -       Verunstaltung der Landschaft

 

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Pedoskope (griech.: pedon „Boden"; skopein „betrachten) sind Röntgengeräte, die bis Mitte der 1960er Jahre in Schuhgeschäften aufgestellt waren. Verkäufer und Kunden konnten so recht schnell die Passgenauigkeit von Schuhen überprüfen. Mehr anzeigen » Begründe, warum diese Geräte heute in Schuhgeschäften nicht mehr benutzt werden.
	Quelle: Hans-Peter Pommeranz Halle

Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• Risiken und Sicherheitsmaßnahmen bei der Nutzung von Strahlung in Experimenten, im Alltag und bei modernen Technologien bewerten. 

Hinweise zum Erwartungshorizont

Begründung, z. B. Röntgenstrahlen können auch bei geringen Dosen organische Substanzen ionisieren und damit das Gewebe zerstören. Das betrifft mehr das Verkaufspersonal als die Kunden, da dieses ja sehr oft der Strahlung ausgesetzt ist.

Mit der abgebildeten Anordnung soll untersucht werden, welche Materialien IR-Strahlung besonders gut abschirmen.
Die Thermometer sind mit verschiedenen Materialien umhüllt: Thermometer 1 mit einer Rußschicht Thermometer 2 mit heller Baumwolle Thermometer 3 mit Aluminiumfolie Mehr anzeigen »       Nach fünf Minuten wurden folgende Temperaturerhöhungen gemessen:
Thermometer 1 2 3  Δθ in K 27 6 2

a) Kreuze an, was bei der Durchführung dieses Experimentes beachtet werden muss.

b) Welche Schlussfolgerungen kannst du aus diesen Messwerten für die Verwendung von Materialien ziehen? Begründe deine Aussagen. 

Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Herausbildung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• selbstständig Experimente zur Untersuchung der Eigenschaften und Wirkungen von Strahlung planen und auswerten,
• Anwendung physikalischer Erkenntnisse beschreiben. 

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)	A und C
	b)	Schlussfolgerungen, z. B.: Soll die IR-Strahlung (Thermosgefäß) unterbunden werden, dann sind glänzende Metallflächen einzusetzen. Soll IR-Strahlung absorbiert werden (Sonnenkollektor), dann sind matte, dunkle Materialien verwendbar.

Im Gespräch über Handys hört man immer wieder den Begriff Funkloch. Was ist eigentlich ein Funkloch und woher kommt es? Recherchiere die Antwort im Internet und gestalte ein dazu ein informatives Poster. Mehr anzeigen »

Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• Recherchen zu technischen Anwendungen von Strahlung durchführen und deren Ergebnisse präsentieren. 

Hinweise zum Erwartungshorizont

	Recherche im Internet (effektiv, zielorientiert, mit Quellenangabe)
	Gestaltung des Posters (Beachtung von Grundregeln der Gestaltung, fachlich und sprachlich korrekt, Einbindung von beschrifteten Skizzen)

Personen, die beruflich starker Strahlung ausgesetzt sind, müssen Dosimeter tragen. Der lichtdicht eingepackte Film wird monatlich kontrolliert. Die Zeichnung zeigt vereinfacht den Querschnitt durch ein solches Dosimeter. Mehr anzeigen »
a)	Nenne Tätigkeiten, für die das Tragen solcher Dosimeter deiner Meinung nach notwendig ist.
b)	Begründe, warum der Film mit Materialien unterschiedlicher Art und Dicke bedeckt wird.
c)	Für berufliche Strahlenbelastung gilt ein Grenzwert von 20 mSv (Millisievert).Nach welchen Kriterien würdest du einen Grenzwert festlegen?

Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie unter Nutzung von Modellen beschreiben und dabei auftretende Energieumwandlungen erläutern,
• Risiken und Sicherheitsmaßnahmen bei der Nutzung von Strahlung in Experimenten, im Alltag und bei modernen Technologien bewerten. 

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)	Tätigkeiten, z. B. Bedienung von Röntgenapparaten in Krankenhäusern, auf Flughäfen, bei der Werkstoffprüfung
	b)	Begründung, z. B.: Das Durchdringungsvermögen der Strahlung und die schädigende Wirkung der Strahlung hängen von der Energie der Strahlung ab. Werden nur die dünnen Schichten aus Kupfer durchdrungen, dann ist die Strahlung nicht so gefährlich. Man kann sich ihr länger aussetzen. Wird dagegen sogar die Bleischicht durchdrungen, dann ist Vorsicht geboten.
	c)	Mögliche Kriterien: biologische Wirkung der Strahlung, Aufenthaltsdauer in der Strahlung, Kinder, Schwangere

Patienten wird empfohlen, freiwillig einen Röntgenpass zu führen. In diesen werden alle Röntgenaufnahmen, die von diesem Patienten gemacht wurden, eingetragen. Mehr anzeigen »
a)	Begründe die Vorteile eines Röntgenpasses.
b)	Warum unterstützen Ärzte deiner Meinung nach nur  selten diese Maßnahme?

Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• Risiken und Sicherheitsmaßnahmen bei der Nutzung von Strahlung in Experimenten, im Alltag und bei modernen Technologien bewerten. 

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)	Begründung, z. B.: Durch den Röntgenpass können Mehrfachaufnahmen vermieden werden. Dadurch werden die Gefährdung des Patienten verringert und Kosten für die Krankenkasse erspart.
	b)	Mögliche Gründe: Unterschätzung der Gefährdung, mangelnder Informationsaustausch, Gewinnstreben

Es ist technisch möglich, den Ort eines eingeschalteten Handys bis auf wenige Meter genau zu bestimmen. Mehr anzeigen » a) Beschreibe, wie man das machen könnte. Recherchiere die dazu notwendigen Informationen. b) Die Handy-Ortung ohne Zustimmung ist illegal.  Stelle Vor- und Nachteile der Zustimmung zur Handyüberwachung in einer Tabelle gegenüber. Äußere zusammenfassend deine Meinung.

Originalbild von http://www.marines.mil/unit/imef/PublishingImages/2011/Geotagging%20Safety%20Smart%20Phones.jpg, Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23155440 / Lizenz: CC0 Bilder

Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Entwicklung folgender Kompetenzen: Schlussfolgerung:

Die Schülerinnen und Schüler können

• technische Anwendungen von Strahlung beschreiben,
• Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse in gesellschaftlichen Zusammenhängen beschreiben. 

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)	Beschreibung einer technischen Möglichkeit, z. B.: Das Handy bestimmt wie ein Navigationssystem seinen Standort und meldet diesen an das Handynetz. Es wird die Signallaufzeit zu mehreren Umsetzern bestimmt. Es wird nur die Funkzelle bestimmt, in der sich das Handy befindet.
	b)	Vorteile, z. B. Nachteile, z. B. Ortsbestimmung in Notsituationen, bei Diebstahl des Handys Missbrauch durch Verletzung des Datenschutzes (Überwachung)
		Zusammenfassende Meinungsbildung (begründete Abwägung)

Bei einem Gramm frischen Holzes wurde eine Aktivität von 25 Zerfällen pro Minute ermittelt. Für abgestorbenes Holz wurden folgende Werte berechnet:

a)	Zeichne ein A(t)-Diagramm. Mehr anzeigen »
b)	Zur Altersbestimmung eines Tisches wurde ihm eine kleine Probe entnommen. Für eine Minute wurde die Strahlung gemessen und dabei 21 Zerfälle gemessen. Ermittle mithilfe des Diagramms das Alter des Tisches.
c)	Welches Alter hättest du für den Holztisch erhalten, wenn du für die Aktivität 22/min bis 20/min gemessen hättest? Was für Schlussfolgerungen würdest du aus deinen Ergebnissen ziehen?
d)	Mache einen begründeten Vorschlag, wie man das Alter des Tisches genauer bestimmen könnte.

Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• Ergebnisse von Beobachtungen und Experimenten in Diagrammen darstellen,
• Größen aus Diagrammen ermitteln,
• die Messung physikalischer Größen bei zufälligen Prozessen beschreiben und Zusammenhänge ableiten,
• selbstständig Experimente zur Untersuchung der Eigenschaften und Wirkungen von Strahlung planen. 

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)	Diagramm
	b)	Alter ≈ 1500 Jahre
	c)	t (20) ≈ 1800 a, t (22) ≈ 1000 a
		Schlussfolgerung: Diese Methode so angewendet ist ziemlich ungenau.
	d)	Vorschlag, z. B,: Man könnte die Strahlung der Probe 30 Minuten erfassen und dann durch 30 teilen.

Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• Recherchen zu technischen Anwendungen von Strahlung durchführen und deren Ergebnisse präsentieren
• Risiken und Sicherheitsmaßnahmen bei der Nutzung von Strahlung in Experimenten, im Alltag und bei modernen Technologien bewerten. 

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)	Recherche im Internet (effektiv, zielorientiert, mit Quellenangabe)
		Gegenüberstellung von Vor- und Nachteilen (vgl. angegebene Internetadresse)
	b)	Gestaltung des Posters (Beachtung von Grundregeln der Gestaltung, fachlich und sprachlich korrekt, Einbindung von beschrifteten Skizzen)

Im Diagramm ist das Hörvermögen von Menschen dargestellt.

Kreuze an, welche der folgenden Aussagen aus dem Diagramm geschlossen werden können: 

Der Mensch kann Sprache im Bereich von ca. 180 Hz bis ca. 4,5 kHz wahrnehmen. Mehr anzeigen » Geräusche über 100 dB(A) bereiten Schmerzen. Sehr leise Töne hören wir schlechter, wenn sie tief sind. Menschen können schlechter hören als Hunde. Wir können Musik unter 30 dB(A) nicht hören. Töne zwischen 2 und 5 kHz hören wir besonders schlecht.

Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• Diagramme interpretieren. 

Hinweise zum Erwartungshorizont

x Der Mensch kann Sprache im Bereich von ca. 180 Hz bis ca. 4,5 kHz wahrnehmen. o Geräusche über 100 dB(A) bereiten Schmerzen. x Sehr leise Töne hören wir schlechter, wenn sie tief sind. o Menschen können schlechter hören als Hunde. x Wir können Musik unter 30 dB(A) nicht hören. o Töne zwischen 2 und 5 kHz hören wir besonders schlecht.

Bienen, Fliegen und Mücken erkennen wir an ihren Tönen. a) Erläutere, wie diese Töne entstehen. b) Bei einem Experiment wurde der Ton einer Mücke mithilfe eines Oszillographen aufgenommen. Mehr anzeigen »     Ermittle aus der Abbildung den maximalen Flügelausschlag und die Frequenz des Tones.   c) Begründe, warum man Schmetterlinge nicht hört.

Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Herausbildung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• die Entstehung und Ausbreitung von Schallwellen beschreiben,
• Kenngrößen mechanischer Schwingungen und Wellen aus Diagrammen ermitteln. 

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)	Erläuterung, z. B. periodisches Bewegen der Flügel und Muskeln
	b)	ymax = 2 mm; f = 400 Hz
	c)	Begründung mit Hörgrenze

Bei der Errichtung von Gebäuden muss die Ausbreitung von Schallwellen in unterschiedlichen Materialien beachtet werden. Dazu werden vielfältige Untersuchungen durchgeführt. In einem Experiment wurde das Diagramm für eine Schallwelle mit einer Wellenlänge von λ = 9,8 m aufgenommen. Mehr anzeigen »     a) Bestimme mithilfe des Diagramms die Amplitude, die Schwingungsdauer und die Frequenz der mechanischen Welle. b) Berechne die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle und ermittle den Stoff, in dem sie sich ausgebreitet hat. c) Zeichne das y(t) - Diagramm einer Welle, die eine größere Lautstärke und eine geringere Tonhöhe als die dargestellte aufweist.

Didaktisch - methodische Hinweise

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• Kenngrößen mechanischer Schwingungen und Wellen aus Diagrammen ermitteln,
• Gesetzmäßigkeiten der Schallausbreitung anwenden,
• physikalische Größen und Zusammenhänge aus Nachschlagewerken ermitteln,
• Diagramme darstellen.

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)	ymax = 2 cm; T = 2 ms; f = 500 Hz
	b)	v = 4900 m/s
		Stoff: Stahl
	c)	Diagramm

Einordnung in den Lernplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• selbstständig Experimente zur Untersuchung der Ausbreitung von Schallwellen planen,
• Lärmschutzverordnungen entsprechend der physikalischen Problemstellung erschließen,
• Notwendigkeit und Möglichkeiten von Lärmschutzmaßnahmen unter verschiedenen Kriterien vergleichen,
• Ergebnisse von Recherchen auch mit dem PC darstellen. 

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)	Beschreibung, z. B. Geräusche, die als störend empfunden werden. Lärm ist also subjektiv.
	b)	Lärmquellen, z. B.: Verkehr, Baustellen , spielende Kinder, Sportveranstaltungen
		Beschreibung des Vorgehens (Festlegung der Messpunkte und der Messzeiten, Auswertung als Vergleich mit Grenzwerten)
	c)	Internetrecherche (zielgerichtet, relativ vollständig, Quellenangabe)
		Plakat (Gestaltung, Inhalt)

Nachdem es jahrelang so aussah, als wäre die Schallplatte durch die CD vollständig verdrängt worden. Doch sie hat zumindest unter Liebhabern eine Renaissance. Mehr anzeigen » a) Erkläre die prinzipielle Wirkungsweise beider Verfahren der Schallaufzeichnung. Nutze dazu auch die Abbildungen. b) Bewerte diese Verfahren auf der Grundlage eines Vergleichs. Beschreibe ein weiteres Verfahren der Schallaufzeichnung

Didaktisch - methodische Hinweise

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• den Aufbau und die prinzipielle Wirkungsweise ausgewählter Schallquellen beschreiben,
• alternative technische Lösungen vergleichen und bewerten,
• das Entstehen einer Induktionsspannung erklären.

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)	Erklärung der analogen (Schallplatte) und digitalen Speicherung von Tönen sowie deren Reproduktion.
	b)	Bewertung mithilfe von Vergleichskriterien (z. B. Qualität, Datenmenge, Haltbarkeit, Dau-erhaftigkeit)
	c)	Beschreibung des Prinzips der magnetischen Speicherung (Tonband, Festplatte, MP3-Player)

Räume können unterschiedliche Anforderungen an die Schallausbreitung haben. In Gaststätten und Bibliotheken soll der Schall gedämpft werden, in Kirchen und Konzerthallen soll der Schall überall gut zu hören sein. Deshalb müssen geeignete Materialien für die Verkleidung der Wände und Decken gefunden werden.

Plane Experimente zur Untersuchung, wie gut die bereitgestellten Materialien Schall absorbieren. Führe diese Experimente durch und werte sie aus. Mehr anzeigen »

 

 

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Didaktisch - methodische Hinweise

 

Diese Aufgabe dient der Entwicklung folgender Kompetenzen: Schlussfolgerung:

Die Schülerinnen und Schüler können

• selbstständig Experimente zur Untersuchung der Ausbreitung von Schallwellen planen und auswerten.

 

 

Hinweise zum Erwartungshorizont

 

Mögliches Experiment: Ein Karton wird mit Dämmmaterialien ausgekleidet. Im Karton befindet sich eine Schallquelle mit reproduzierbarer Lautstärke (Wecker, Lautsprecher, Handy). Es werden die Materialien und Dicken der Materialien nacheinander variiert. Es wird jedes Mal die Lautstärke gemessen. Bemerkung: Die Messung ist auch mit einem Mikrophon und einem Oszillographen möglich.

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Mit dem in der Abbildung dargestellten Monochord lassen sich Töne unterschiedlicher Höhe und Lautstärke erzeugen. Mehr anzeigen »   a) Untersuche, durch welche Maßnahmen sich die Höhe des durch Anzupfen erzeugten Tones beeinflusst lässt.   b) Bei einem solchen Experiment wird der Zusammenhang zwischen der Saitenlänge  und der  Frequenz f des erzeugten Tones untersucht. Dabei werden folgende Daten ermittelt: in m 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 f in Hz 440 550 733 1100 2200 Stelle die Messwerte in einem f() - Diagramm dar. Entscheide, welcher  Zusammenhang zwischen f und gilt. Begründe deine Entscheidung.   c) Beschreibe, wie diese Erkenntnisse beim Bau und Spielen von Instrumenten berücksichtigt wird.

Didaktisch - methodische Hinweise

Diese Aufgabe dient der Entwicklung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• selbstständig Experimente zur Untersuchung der Ausbreitung von Schallwellen planen und auswerten,
• Ergebnisse von Experimenten in Diagrammen darstellen,
• Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen ermitteln,
• Aufbau und prinzipielle Wirkungsweise von Schallquellen beschreiben.

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)	Maßnahmen: Saitenspannung, Saitenquerschnitt und Saitenlänge verändern
	b)	Diagramm und Schlussfolgerung f ~ 1/
	c)	Beschreibung von Streichinstrumenten (Eingehen auf Saitendicke, Spannen mit Wirbel, Abgreifen)
Hinweis: Für eine Saite gilt: . Dabei sind die Saitenlänge, A der Saitenquerschnitt, ρ die Dichte der Saite und F die Spannkraft.

Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• Lärmschutzverordnungen entsprechend der physikalischen Problemstellung erschließen,
• Notwendigkeit und Möglichkeiten von Lärmschutzmaßnahmen unter verschiedenen Kriterien vergleichen,
• selbstständig Experimente zur Untersuchung der Ausbreitung von Schallwellen planen und auswerten,
• die Messung des Schalpegels erläutern. 

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)	Kriterien (Zeit, Lautstärke, Abstand)
	b)	Untersuchung mit begründeter Festlegung der Messpunkte und Messzeiten. Auswertung mit Vergleich zu den festgelegten Grenzwerten. Bei Überschreitung eventuell Vorschläge zu Verbesserung.
Hinweis: Wichtige Erläuterungen zum „Freizeitlärm" findet man unter:  http://www.umwelt.nrw.de/umwelt/laerm/freizeitlaerm/index.php

Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• das Brechungsgesetz anwenden,
• Selbständig Experimente zur Lichtausbreitung durchführen,
• Texte zu optischen Phänomenen bzw. technischen Anwendungen aus unterschiedlichen Quellen auf Relevanz beurteilen, erschließen und für eine Präsentation nutzen. 

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)	Beschreibung unter Einbeziehung des Aufbaus eines Lichtleitkabels, der Totalreflexion und der Dämpfung über größere Entfernungen.
	b)	Experiment vorführen und erläutern:
		digitale Signalübertragung - „Morsen"
		analoge Übertragung (Mikrophon, LED, Fotodiode, Lautsprecher)
	c)	Poster (inhaltliche und gestalterische Aspekte) Anwendungen z. B. Medizintechnik, Kabelfernsehen, Automobiltechnik

Weißes Licht fällt durch jeweils eine Blackbox, in der sich ein Körper befindet. Auf dem Schirm entstehen nun die folgenden Bilder. Mehr anzeigen »

 

a) Beschreibe die Bilder.

 

b) Kreuze an, welcher Körper jeweils im Kasten ist. Begründe deine Entscheidung. 

 

Sammellinse dreiseitiges Glasprisma Gitter Hohlspiegel

Sammellinse dreiseitigesGlasprisma Gitter Hohlspiegel

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Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Herausbildung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• Ergebnisse von Beobachtungen in Texten darstellen,
• Wechselwirkungen von Licht und Materie erläutern,
• Eigenschaften von Licht durch geeignete Modelle erklären. 

 

 

Hinweise zum Erwartungshorizont

 

	a)	Beschreibung und Verwendung von Fachbegriffen (Spektrum, Interferenzstreifen)
	b)	Zuordnung (Glasprisma,  Gitter) mit Begründung

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Wenn man abends schräg gegen Scheiben schaut, dann sieht man nicht nur ein, sondern zwei, bei Doppelscheiben sogar vier Spiegelbilder. Mehr anzeigen »   a) Erkläre  diese Erscheinung für zwei Spiegelbilder mithilfe einer Skizze.   b) Zeichne im Maßstab 10:1 den genauen Strahlenverlauf für das erste und für das zweite Spiegelbild für folgende Bedingungen: Die Dicke der Scheibe beträgt d = 0,5 cm und sie besteht aus einer Glassorte, die Quarzglas entspricht. Der Blickwinkel beträgt a = 60° (von der Senkrechten aus gemessen).

Einordnung in den Lehrplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schülerinnen und Schüler können

• die Entstehung ausgewählter optischer Phänomene der Natur beschreiben,
• das Brechungsgesetz anwenden,
• Ergebnisse von Beobachtungen mit Zeichnungen darstellen. 

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)
	b)	In der maßstäblichen Zeichnung ergibt sich: s ≈ 3,7 cm.

Diese Aufnahme zeigt ein natürliches optisches Phänomen.

a) Beschreibe das entstandene Spektrum und erkläre seine Entstehung anhand einer geeigneten Skizze.

b) Beschreibe zwei Situationen, in denen dieses Phänomen beobachtet werden kann.  Mehr anzeigen »

Bild1

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Einordnung in den Lernplan

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• die Entstehung ausgewählter optischer Phänomene der Natur beschreiben,
• das Brechungsgesetz anwenden. 

 

 

Hinweise zum Erwartungshorizont

 

	a)	Beschreibung unter Einbeziehung einer Skizze
	b)	Beschreibung von Situationen (z. B. bei Springbrunnen, Regen und Sonne von hinten)
Hinweis: Im Bild ist ein zweiter Regenbogen mit umgekehrter Farbfolge zu erkennen.

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Je nach dem, wie das Licht in den Lampen erzeugt wird, hat es auch unterschiedliche Eigenschaften. Entscheidend für unseren Lichteindruck (z. B. warm, kalt) ist die Zusammensetzung des ausgesendeten Lichtes - sein Spektrum. Mehr anzeigen »   a) Beschreibe zwei Möglichkeiten, wie ein Spektrum erzeugt werden kann. Gehe auch auf die jeweils zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge ein.   b) Im Folgenden sind die Spektren von drei verschiedenen Lampen abgebildet. Beschreibe die Spektren. Gib Ursachen für die Unterschiede bzw. Ähnlichkeiten an.

Didaktisch - methodische Hinweise

Diese Aufgabe dient der Überprüfung folgender Kompetenzen:

Die Schülerinnen und Schüler können

• Eigenschaften von Licht durch geeignete Modelle erklären,
• Ergebnisse von Beobachtungen in Texten darstellen,
• das Aussenden von Licht durch Wärmebewegung und Elektronenübergänge beschreiben.

Hinweise zum Erwartungshorizont

	a)	Beschreibung mithilfe von Prismen (Nutzung der unterschiedlichen Brechung unterschiedlicher Lichtwellen) und Gittern (Nutzung der Interferenz unterschiedlicher Lichtwellen).
	b)	Beschreibung als kontinuierliche (durch Wärmebewegung der Atomrümpfe) bzw. Linienspektrum (durch Elektronenübergänge in der Atomhülle).