Impulse Physik, Skripte von Physik

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Zusammengestellt von Daniela Eberhard

Oliver Fechtig

Pascal Märkl

Matthias Riekert

Ernst Klett Verlag

Stuttgart · Leipzig

Impulse Physik

Inhalt

4

Grundlegende Konzeption von „Impulse Physik“

Physikbücher werden selten im Unterricht herangezogen oder zu Hause von den Schülern

zur Nachbereitung verwendet� Viele Lehrkräfte nutzen die Möglichkeiten eines Schulbuches

nur wenig, weil es vermeintlich ihre methodische Freiheit einengt� Um diese Vorbehalte

zu entkräften, wurde die Konzeption von „Impulse Physik“ vor allem daraufhin ausgelegt, die

Einsatzmöglichkeiten zur Vorbereitung (durch die Lehrerinnen und Lehrer), die Einsatz-

möglichkeiten im Unterricht und die Einsatzmöglichkeiten zur Nachbereitung (durch die

Schüler innen und Schüler zu Hause) zu verbessern� Ziel ist es, Schülerinnen und Schüler zum

selbsttätigen Wissenserwerb anzuregen und Lehrerinnen und Lehrer größtmögliche Freiheit

in der Unterrichtsgestaltung zu bieten� Impulse Physik bietet daher für

Die Unterrichtsvorbereitung (Lehrerinnen und Lehrer)

• Themeneinstiege (Kontextanbindung)
• Fundus für Experimente (weitere Versuche und Alternativexperimente in diesem Lehrerband)
• Fundus an Beispiel- und Übungsaufgaben
• Vorschläge für Lernzirkel und sonstige Unterrichtsmethoden (weitere Vorschläge in diesem

Lehrerband)

• Hilfe zur Strukturierung der Unterrichtsstunde

Den Einsatz im Unterricht

• Themeneinstiege
• Fundus für Diagramme, Abbildungen, Lesetexte, Vertiefungen, Unterrichtsmethoden,

Schülerversuche, …

• Beispielaufgaben mit Musterlösung, Übungsaufgaben, …

Die Nachbereitung (Schülerinnen und Schüler)

• Wiederholung des Lernstoffes (grafisch aufbereitete Zusammenfassung)
• verständliche Lehrtexte, Beispielaufgaben mit Musterlösungen und Kontrollfragen/

Arbeitsaufträge

• Vorbereitung auf Klassenarbeiten durch Selbsttest und Trainingsaufgaben

Aufbau des Buches

Die Kapitel sind einheitlich aufgebaut� Sie bestehen jeweils aus mehreren Bausteinen, die

sich bis auf den Kapiteleinstieg und den Rückblick mehrfach wiederholen:

Kapiteleinstieg, allgemeine Problematisierung

Eine Einführungsseite greift exemplarisch eine für das Kapitel charakteristische Frage auf

und liefert somit eine Diskussionsgrundlage�

100 Magnetismus

5.1 Wirkung von Magneten

Kühlschrank- magnetKühlschrank-tür

Stabmagnet Ringmagnet Scheibenmagnet Topfmagnet

Hufeisenmagnet

Mit Magneten kannst du Zettel oder Fotosan einer Kühlschranktür befestigen.Funktioniert das mit jeder beliebigen Tür?

Magnete ziehen Gegenstände an Magnete ziehen bestimmte Gegenständean und andere nicht. Anziehung tritt nur beiGegenständen auf, die die Metalle Eisen, Nickel oder Cobalt enthalten. Gegenständeaus Holz, Glas, Gummi, Kunststoff, Kupfer,Silber, Aluminium und den meisten anderenStoffen werden dagegen von Magneten nicht angezogen (einer Kühlschranktür, die Eisen enthält, abernicht an der Küchentür aus Holz. Magnetund Kühlschrank ziehen sich gegenseitig an.OV1 ). Magnete haften an Die Anziehung wirkt dabei durch Papierhindurch, sodass ein Zettel zwischen Ma-gnet und Kühlschranktür eingeklemmtwerden kann. Dabei tritt die Anziehung auf, ohne dass sich Magnet und Gegenstandberühren. Wirkung von Magneten Die Wirkung, die ein Magnet ausüben kann,ist an manchen Stellen größer als an an-deren. Legt man z. B. einen Stabmagneten in eine Schachtel mit Eisennägeln, so bleibenim Bereich der Enden des Magneten diemeisten Nägel hängen (OV2 ). In der Mitte

des Stabmagneten werden die Nägel kaumangezogen. An den Enden des Stabmagne-ten beobachten wir die größte Wirkung desMagneten. Diese Stellen größter Wirkung heißen Aufbau eines Kühlschrankmagneten Magnete gibt es in vielen verschiedenen Pole eines Magneten. Formen (die Form eines Hufeisens. Die Pole einessolchen Hufeisenmagneten befinden sich anseinen offenen Enden. KühlschrankmagneteOB2 ). Manche Magnete haben haben oft die Form von Scheiben.Beim Scheibenmagnet ist einer der Pole desMagneten auf der Oberseite und der andere auf der Unterseite. Ein Scheibenmagnetzieht also auf beiden Seiten Gegenständean, die Eisen enthalten. Viele Kühlschrankmagnete kann man da-gegen nur mit einer Seite an der Kühl-schranktür befestigen. Sie müssen anders aufgebaut sein als Scheibenmagnete. Einsolcher Kühlschrankmagnet besteht ausvielen kleinen Hufeisenmagneten (Beide Pole des Magneten befinden sichOB1 ). auf der Unterseite, sodass die Wirkung desKühlschrankmagneten auf der Oberseitesehr schwach ist. Magnete ziehen Gegenstände an, die Eisen,Nickel oder Cobalt enthalten.Die Anziehung tritt auf, ohne dass sichMagnet und Gegenstand berühren. B2 An den Polen eines Magneten ist dieWirkung am stärksten.

B1 (^) schrankmagnetenPole beim Kühl-

Magnetismus 101

V1stände (z. B. Eisenschraube, Alufolie,verschiedene Münzen, Schere,Büroklammer, …) in die Nähe eines Bringe verschiedene Gegen- Magneten. Prüfe, welche Gegen-stände vom Magneten angezogenwerden.Die Eisenschraube, die Schere und die Büroklammer werden von einemMagneten angezogen.

V2an die lange Seite eines Stab-magneten. Hänge an diese Nägelweitere Nägel. Hänge möglichst viele Nägel An den Enden des Stabmagnetenkannst du mehr Nägel anbringen alsin der Mitte.

V3schrankmagneten, ob beide SeitenGegenstände, die Eisen enthalten,anziehen. Viele Kühlschrankmagne- Teste mit verschiedenen Kühl- te ziehen Gegenstände aus Eisennur auf einer Seite an. V4 Lege einen Eisenstab auf run- de Holzstäbe. Bringe einen Magne-ten in die Nähe des Eisenstabes.Wieder hole den Versuch. Lege nunden Magnet auf die Holzstäbe und bringe den Eisenstab in seine Nähe.In beiden Fällen bewegt sich derGegenstand auf den Holzstäben.

te ziehen Gegenstände aus Metall an.“^ A2 A3^ $^ Beurteile folgende Aussage: „Magne-. Du findest auf dem Dachboden einen Gegenstand. Beschreibe ein Experiment, mitdem du herausfinden kannst, ob es sichbei diesem Gegenstand um einen Magnetenhandelt.

Beispieleinen Magneten befestigen. Hält man denMagneten an den Küchenschrank, so hafteter nur an einigen ausgewählten Stellen. An der Kühlschranktür kann man Erkläre diese Beobachtung. Lösungoder Cobalt enthalten, werden von Magne- Nur Gegenstände, die Eisen, Nickel ten angezogen. Der Küchenschrank ist ausHolz und enthält kein Eisen. Deshalb wirdder Küchenschrank nicht von Magneten angezogen und der Magnet fällt zu Boden.Die Scharniere des Küchenschranks enthal-ten Eisen und werden daher vom Magnetendurch das Holz hindurch angezogen. A1Haustürschlüssel in einen Gully gefallen.Die Abbildung zeigt, welche Idee Kai hat,um den Schlüssel wiederzubekommen. Be- 0 Kai ist durch ein Missgeschick der schreibe seine Idee und überprüfe die Vor-gehensweise mit verschiedenen Schlüsseln.

So lernst du mit Impulse Physik

Aufgaben Mit den Aufgaben kannst du prüfen, ob du das Thema verdas Gelernte selbstständig an. standen hast. Du wendest Die Schwierigkeit der Aufgaben ist abgestuftin einfach 0 , mittel $ und schwierig..

Beispiel Hier wird dir gezeigt, wie eine typische Aufgabegelöst werden kann.

Einstieg Jedes Thema beginnt mit einer Situation, die du vielleicht schon aus deinem Alltagkennst. Der Bezug zum Thema wird im anschließenden Text oder im Beispiel erläutert.

Kurzfassung Die wichtigsten Aussagen des Textes werden hier kurz zusammengefasst.

Grundwissen Im Lehrtext werden die Phänomene und Beobachtungen zum Thema erläutertund Begriffe definiert. Abbildungen helfen bei den Erklärungen. Zwischen-überschriften erleichtern das Lesen. Wichtige Begriffe sind hervorgehoben.

Versuche Hier findest du grundlegende Versuche, Beobachtungen und Messergebnissezum Thema der Doppelseite.

Online-Materialien Der Code führt dich zu einer Übersicht über alle Online-Materialien zu diesem Impulse-Band. Am besten speicherst du diese unterdeinen Favoriten, um immer wieder einfach Zugriff zu haben.

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Jedes Kapitel beginnt mit einersolchen Seite. Das Foto und die dazugehörige Frage machendeutlich, worum es in diesem Kapitel geht.

104 Magnetismus

MethodeDokumentieren Versuchspro†okollDatum: 27.2.2017Thema: Welche Münzen enthalten Eisen, Nickel oder Cobalt? Name: Laura Muster Material:Ein Magnet, Euro- undCent-MünzenVersuchsaufbau: Münzen1 Cent2 Cent5 Cent 10 Cent

werdenangezogen werden nichtangezogen Münzen20 Cent50 Cent1 Euro 2 Euro XXX werdenangezogen^ werden nichtangezogen Ergebnis:1-Cent-, 2-Cent-, 5-Cent-, 1-Euro- und 2-Euro-Münzen werden eindeutig von einemMagneten angezogen, 10-Cent-, 20-Cent- und 50-Cent-Münzen dagegen nicht.Daraus können wir schließen, dass 1-Cent-, 2-Cent-, 5-Cent-, 1-Euro- und 2-Euro-X XXXX Münzen Eisen, Nickel oder Cobalt enthalten müssen, 10-Cent-, 20-Cent- und50-Cent-Münzen dagegen nicht.

Durchführung:Der Magnet wird an unterschiedliche Seiten der jeweiligen Münze gehalten, um zuprüfen, ob sie angezogen wird. Die Beobachtungen werden in einer Tabelle notiert.Beobachtungen:

Das schreibe ich mir auf Münzen sehen sehr unterschiedlich aus.Dies lässt vermuten, dass sie aus verschiede-nen Materialien bestehen. Wenn sie Eisen,Nickel oder Cobalt enthalten, würde einMagnet sie anziehen. Dies kann man in einem Experiment überprüfen:Untersuche, ob Münzen von einem Ma-gneten angezogen werden. Vergleiche deineBeobachtungen mit früheren Ergebnissen.

1. koll gehören und 2. Thema: Schreibe auf, worumes geht.Auf jedes Proto- Name Datum.
2. Material: Liste alle benutztenGeräte und Gegen-stände auf. 4. VersuchsaufbauStelle den in einer Skizze dar. 5. Durchführung: Beschreibe deinVorgehen.
3. (^) BeobachtungenNotiere deine.
4. Ergebnis: Notiere, welcheZusammenhängedu entdeckt hast. 110 Magnetismus

ExkursPflichtthema

Nordpol KanadaKap BarrowMagnetischer Pol^ Mould Bay^19701948200019951980196519041947 AlertGrönland

(^201520102005)

magnetischer Südpol 3002700240 N (^0) NWSWWS (^0180330210) SONOO 3060 90120150 Erdachsegeografischer Nordpol geografischer Südpol magnetischer Nordpol IslandNW SO geografischer Nordpol MissweisungBerlin magnetischerSüdpol

Unsere Erde hat ein Magnetfeld Ein an einem Faden frei aufgehängter Stab-magnet richtet sich immer so aus, dass einbestimmter Pol nach Norden zeigt (Er wurde magnetischer Nordpol genannt.Erst viel später erkannte man als UrsacheOB1 ). dieser Ausrichtung, dass die Erde von einemMagnetfeld umgeben ist (man sich so vor, als stamme es von einemriesigen Stabmagneten im Inneren der Erde,dessen magnetischer Südpol in der Nähedes geografischen Nordpols der Erde liegt.OB2 ). Dieses stellt Entsprechend findet sich der magnetischeNordpol beim geografischen Südpol.

davon ist sie nach Westen, östlich davonnach Osten gerichtet.Eine Magnetnadel mit horizontaler Dreh-achse (magnetischen Feldlinien verlaufen alsoschräg in den Boden.OB3 ) zeigt schräg zum Boden. Die Die Magnetpole der Erde wandernSüdpol des Erdmagneten im Norden Kanadasliegt etwa 400 km vom geografischen Nord-pol entfernt. Er wandert jährlich etwa 40 kmin nördliche Richtung (sche Nordpol in der Antarktis wandert jähr-lich etwa 15 km. Zurzeit nimmt die StOB5). Der magneti- Derärke des Magnetfeldes jährlich ab.Kühlt sich flüssige Lava nach einem Vulkan-ausbruch ab, so entstehen im Gestein eisen-haltige Kristalle, die beim Abkühlen durchdas jeweils vorhandene Erdmagnetfeld magnetisiert werden. Sie geben Auskunftüber die Richtung des Erdmagnetfeldesvergangener Zeiten. Daher weiß man, dasssich die Polung des Erdmagnetfeldes in denletzten 100 Millionen Jahren mindestens170-mal geändert hat. A1tischen Südpols im Norden unserer Erde von1904 bis 2015. Suche den Weg auf einerAtlaskarte und gib die größeren Inseln an,die der Pol durchquert hat. A2 $ (^). B5 zeigt die Wanderung des magne-Untersuche die Neigung des Erd- B3Messung der vertikalenRichtung des Magnet-feldes Magnetnadel zur magnetfeldes in deiner Umgebung mit einermagnetisierten Stricknadel, die an einemFaden hängt. Bestimme den Winkel gegen-über dem Fußboden.

B1Magnet stellt sich inNord-Süd-Richtung ein. Ein frei aufgehängter B2 Die Erde als Magnet

B4 Missweisung des Magnetfeldes der Erde B5 Wanderung des magnetischen Südpols der Erde

Die magnetischen Pole der Erde liegennicht genau auf der Erdachse. Eine Magnet-nadel zeigt also nicht genau die Nord-Süd-Richtung an. Die Nordrichtung einer Ma-gnetnadel hat gegenüber dem geografischenNordpol einen kleinen Fehler, eine Miss-weisung (OB4). Für Orte entlang der west- lichen Grenzen des Bundesgebiets ist dieMissweisung zur Zeit fast null, westlich 99

5 Magnetismus Was hält die Messer an der Wand?

Kapitelanfang Exkurs-Seiten

Diese Seiten bieten dir Materialien,mit deren Hilfe du das Gelernte anwenden und verIm Gegensatz zu Wahlthemen sind tiefen kannst. Pflichtthemen Gegenstand desBildungsplans.

Methoden-Seiten

Diese Seiten zeigen dir die grund-legenden Methoden im Überblick. Hier kannst du bei der Arbeitmit dem Buch immer wieder nach- schlagen.

114 Magnetismus

RückblickTraining (^) A1Körner mit einem Fließband zum Mahlentransportiert. Zwischen den Getreidek 0 In einer Getreidemühle werden dieörnern haben sich ein kleiner Nagel, ein StückchenAluminiumfolie, ein Holzstab, eine rostigeSchere, ein Nickelohrstecker und der Resteiner Goldkette versteckt.Über dem Fließband ist ein starker Magnetangebracht. Nenne die Gegenstände, dieder Magnet aus den Körnern herausziehen kann. Begründe deine Auswahl.

A5du aus einem Eisenstab einen Magnetenmachen kannst. A6stellt man sich vor, dass alle magnetisier-baren Gegenstände aus kleinen Magneten $ $ Beschreibe ein Experiment, mit dem Beim Modell der Elementarmagnete bestehen. Skizziere einen nicht magnetisier-ten großen Nagel und einen magnetisiertenNagel so, dass die Elementarmagnete zuerkennen sind. A7des Magneten nicht!“ denkt sich Sandra.. „Eigentlich brauche ich den Südpol „Ich breche ihn einfach ab!“Beurteile auf der Grundlage des Modellsder Elementarmagnete, weshalb SandrasVorhaben nicht funktionieren kann.

B1 zu Aufgabe 9

A2und rote Farbe abgegangen. Beschreibezwei Möglichkeiten, mit denen du herausfin-den kannst, wo der Nord- und Südpol liegen. A3 $ $ Bei einem Magneten ist die grüne Dem Nordpol eines beweglichen Stabmagneten wird der Nordpol eines zwei-ten Stabmagneten angenähert. Beschreibeeine mögliche Beobachtung.Nun wird dem beweglichen Magneten derSüdpol des zweiten Magneten genähert.Beschreibe wieder eine mögliche Beobach-tung. A4suches zu sehen. Materialien für den Ver-such waren eine Halterung, ein Metallstab(von dem nicht bekannt ist, ob er ein Ma-gnet ist) und eine Schale mit Eisenfeilspänen.Beschreibe das Bild und deute das Ergebnis.. Im Bild ist das Ergebnis eines Ver-

A8Magnetverschluss nicht zu kräftig zuschla-gen soll. A9feld umgeben. Erläutere am Beispiel der $. Begründe, warum man Türen mit Jeder Magnet ist von einem Magnet- „schwebenden Büroklammer“ (man ein Magnetfeld bemerken kann. A1Kunststoff. Weil sie schnellmöchte eine Firma andere Gehäuse verwen-den. Nimm Stellung zu der Frage, welche 0 $ Kompassgehäuse bestehen oft aus kaputt gehen,OB1 ), wie Stoffe für Gehäuse geeignet sind und wel-che nicht. A1veranschauliche sein Magnetfeld mit Feld-linien. Zeichne außerdem neben den Ma- 1 $ Zeichne einen Stabmagneten und gneten eine Magnetnadel mit der richtigenAusrichtung zwischen die Feldlinien. A1magneten soll mit Eisenfeilspänen sichtbargemacht werden. Beschreibe ein Experi-ment und die gemachte Beobachtung. 2 0 Das Magnetfeld eines Hufeisen- Magnetismus 113

Teste dich selbstTeste dich selbst FACHWISSEN

ERKENNTNISGEWINNUNG

Im Folgenden findest du Aussagen zum Themen-gebiet Magnetismus, die wahr oder falsch sind.Entscheide! 1 Wenn ein Magnet einen Gegenstand anzieht, zieht auch^ KOMMUNIKATION 2 3 4 der Gegenstand den Magneten an.Eine Magnetnadel ist ein kleiner Magnet, der sich drehenkann.Die Spitzen oder Ecken eines Magneten heißen Pole.In jedem Eisenstück können wir uns Elementarmagnetedenken. 5 6 7 8 Magnete ziehen alle Metalle an.Die Magnetfeldlinien weisen vom Nordpol zum Südpol desStabmagneten.Magnete wirken nicht unter Wasser.Mit größer werdendem Abstand zum Magneten wird diemagnetische Wirkung immer schwächer. 9 10 Zwei Nordpole ziehen sich an.Schlägt man mit dem Hammer auf einen Magneten, sobrechen die Elementarmagnete im Inneren durch. Es werden einige Aussagen formuliert.Gib an, auf welche der Bilder a) bis d) sie zutreffen. 1 2 3 Die Pole des Magneten sind erkennbar.Zeigt Geräte zum Nachweis eines Magnetfeldes.Man kann Nord- und Südpol unterscheiden. 4 5 6 Ist eine gedachte Veranschaulichung.Magnetnadeln lassen sich richtig einzeichnen.Bereiche mit unterschiedlich starker magnetischer Wirkungsind erkennbar.

Übertrage das Rätsel in dein Heft und ergänzepassende Begriffe aus dem Bereich „Magnetismus“. 1 2 3 4 5 Wird außer Eisen und Cobalt von Magneten angezogen.Jeder Magnet hat mindestens zwei davon.Wird von jedem Magneten erzeugt.Name für einen MagnetpolDamit kann man Magnetfelder nachweisen. (^6 7) Das Wort im markierten Bereich bezeichnet ein Gerät.Beschreibe seinen Aufbau.Beachte: Schreibe für ß = SSBeobachtet man zwischen zwei gleichnamigen Magnetpolen.Befindet sich in der Nähe des geografischen Nordpols. und für Ü = UE BEWERTUNGEntscheide, welche Aussagen zutreffen können. 1 Tonis Mutter stellt an der Kasse fest, dass ihre Bankcardnicht mehr funktioniert. Kann es daran liegen, dass …a) ihre Tasche einen Magnetverschluss hat.b) die Bankcard nass geworden ist. 2 c) sie die Bankcard in eine Aluminiumhülle gesteckt hatte.d) dass Toni einen Kompass auf die Karte gelegt hatte.Der Kompass brachte einen Fortschritt für die Navigation,weil …a) die Richtung bei jedem Wetter gefunden werden konnte.b) damit das Wetter vorausgesagt werden konnte.c) damit die Fahrtstrecke bestimmt werden konnte. d) der Blick auf die Sterne nicht mehr notwendig war.

41253 (^67)

a) c)

b) d) 112 Magnetismus

Rückblick

Training Am Ende jedes Kapitels befinden sich Aufgaben zum Üben.Die Lösungen zu diesen Aufgaben findest du in den Online-Materialien.

Teste dich selbst Anhand von Fragen kannst du schnell selbst überprüfen, ob dudas Wichtigste verstanden hast. Diefindest du am Ende des Buches. Lösungen zu diesen Fragen

Zusammenfassung Auf diesen Seiten findest du den Inhalt des Kapitels ineiner Übersichtsgrafik nochmals zusammengefasst.

Rückblick-Seiten

5

Grundwissen, zusammenhängende Problemerläuterung

Die Grundwissen-Doppelseiten bilden insbesondere die inhaltsbezogenen Kompetenzen des

Kerncurriculums ab� Sie bestehen immer aus sechs Elementen�

Auf der linken Seite:

1 � Der Einstieg: ein Kontextbezug aus dem Alltag, der die Verbindung zum Thema herstellt�

2 � Im Lehrtext werden, ausgehend von experimentellen Befunden, grundlegende Inhalte

und Begriffe erarbeitet� Das erforderliche Fachwissen wird unter weitgehendem Verzicht

auf mathematische Strukturen dargestellt�

3 � Der Merksatzblock fasst die wesentlichen Inhalte in einer Art Abstract zusammen�

Auf der rechten Seite:

4 � Das Beispiel zeigt exemplarisch die Lösung eines Problems/einer Aufgabe mit Hilfe des

Lehrtextes�

5 � Arbeitsaufträge regen an, den Lehrtext zu reflektieren und in bereits Gelerntes einzu-

ordnen� Sie sind – wie die Trainingsaufgaben am Kapitelende – nach drei Niveaustufen

gekennzeichnet (siehe unten)�

6 � Die Versuche stellen die grundlegenden Beobachtungen bereit, mit deren Hilfe die

Erkenntnisse, die im Lehrtext vermittelt werden, entwickelt werden� Die Beschreibung

wird auf Fragestellung und Beobachtung eingeschränkt� Dies schafft eine Basis für

eigenständiges Denken und bildet eine experimentelle Grundlage für das Verständnis

des Lehrtextes, ohne methodische Richtungen vorzugeben�

Ergänzungen

Hier wird unterschieden in Methoden und in Exkurse� Diese Bausteine folgen inhaltlich zu-

geordnet den Grundwissen-Doppelseiten:

1 � Die Methodenseiten bilden in besonderer Weise die prozessbezogenen Kompetenzen

(Dokumentieren, Argumentieren, Problemlösen, Planen/Experimentieren/Auswerten,

Mathematisieren, mit Modellen arbeiten, Kommunizieren, Bewerten) des Kerncurriculums ab�

2 � Die Exkurse liefern ergänzende Sachinformationen und sind zum Verständnis späterer

Kapitel nicht zwingend notwendig� Sie bieten beispielhafte Einstiege in Schülerreferate,

sind als Zusatzinformation zu verstehen und sollen Brücken zu Anwendungen der Physik

und Technik schlagen� Sie bieten auch Anknüpfungen für fächerübergreifende Betrach-

tungen (z� B� Geschichte, Biologie, …)� Bei den Exkursen wird zwischen Pflichtthemen und

Wahlthemen unterschieden� Erstere sind explizit Gegenstand des Bildungsplans, während

letztere über den Bildungsplan hinausgehen�

Rückblick (zusammenfassen, testen, trainieren)

Der Rückblick besteht immer aus drei Teilen und schließt jedes Kapitel ab:

1 � Eine Seite Zusammenfassung: Diese wiederholt nicht einfach nur die Merksätze aus dem

Kapitel, sondern stellt den Inhalt des Kapitels in einem bildhaften Zusammenhang dar�

2 � Eine Seite „Teste dich selbst“: Anhand der vier Kompetenzbereiche Fachwissen, Kommu-

nikation, Erkenntnisgewinnung und Bewertung können die Schülerinnen und Schüler

ihren Kenntnisstand selbständig überprüfen (Lösung der Fragen im Buchanhang)�

3 � Das Training schließt das Kapitel mit einem Übungsteil ab� Dieser besteht aus Aufgaben

(qualitative und quantitative Fragestellungen), die so auch in einem Test oder einer

Klassenarbeit gestellt werden können� Die Aufgaben sind – ebenso wie die Arbeits-

aufträge auf den Grundwissenseiten – jeweils einem Anforderungsniveau zugeordnet:

0 Niveau ¯ ( „leicht“ ); $ Niveau ¯¯ ( „mittel“ );. Niveau ¯¯¯ ( „schwer“ )

Die Anforderungsniveaus korrespondieren mit bestimmten Operatoren mit folgender

tendenzieller Zuordnung:

Niveau ¯ beschreiben, nennen, aufzählen, einteilen, zeichnen, skizzieren …

Niveau ¯¯ beschreiben, erläutern, vergleichen, zuordnen, begründen …

Niveau ¯¯¯ begründen, erklären, vergleichen, beurteilen, bewerten, recherchieren …

Kommentar: Durch das alltägliche Beispiel eines

Gewitters kann das Thema Schall schülernah motiviert

werden� Den meisten SuS ist bekannt, dass der Donner

zeitlich versetzt zu dem Blitz zu hören ist�

Lösung der Einstiegsfrage: Schall breitet sich mit

340 m/s aus� Der Donner wird durch die starke,

plötzliche Erhitzung der Umgebungsluft durch den

Blitz erzeugt� Damit ergibt sich die Näherungsformel:

Der Donner benötigt für 1 km ca� 3 s�

1 Schall

(S. 8) 1.1 Schallquellen und Schallempfänger

Lernziele SuS kennen die Definition für Schall: Alles, was Menschen und Tiere hören können, ist Schall�

Sie erkennen, dass etwas schwingen muss, damit Schall entsteht und dass sich Schall in alle

Richtungen von der Schallquelle ausbreitet�

Begriffe Schall, Schallquelle, Schallausbreitung, Schallempfänger

Hinweise/Kommentar Als Einstieg in das Kapitel Schall werden die Schallquellen und Schallempfänger untersucht�

Diese sind Grundlage für das Verständniss der Schallausbreitung und für einen leichten,

alltagsnahen Zugang in die Thematik� Eine erste, einfache physikalische Erklärung der Schaller-

zeugung wird über die Untersuchung von Vibrationen gegeben�

Einstieg Viele SuS waren schon auf einem Konzert

oder in einer Schüler-Diskothek und kennen

daher das Empfinden von lauter Musik�

Diese Alltagserkenntnis der SuS bietet einen

motivierenden Einstieg und bietet Diskus-

sionsmöglichkeiten, weshalb man Musik

„spüren“ kann� Auch die Gefahren der Musik

können bereits hier andiskutiert und im

weiteren Unterrichtsgang vertieft werden�

Versuche im Schulbuch V1 Ein Ende eines Trinkhalms wird so

zugeschnitten, dass es wie ein Dreieck

aussieht� Nun nimmt man dieses zugeschnit-

tene Ende in den Mund und drückt es leicht

zusammen� Bläst man in das Röhrchen,

lassen sich damit Töne erzeugen� Am Röhr-

chen sind Schwingungen zu spüren�

Hinweise:

• Gute Ergebnisse ergeben sich mit folgenden Maßen:

Länge des Strohhalms: 6 cm, Einschnitttiefe: 1 cm, Dreieckspitzen entfernen�

• Röhrchenflöte mit den Lippen kurz hinter dem Einschnitt leicht zusammendrücken und

pusten�

V2 Schlage eine Stimmgabel an und

tauche sie sofort ins Wasser� Beim Ein-

tauchen der Stimmgabel spritzt das Wasser

auf�

V3 Ein Luftballon wird zunächst aufge-

blasen, dann wird seine Öffnung mit den

Fingern so auseinandergezogen, dass sie

straff gespannt ist� Die Luft strömt mit

einem Quietschen aus dem Luftballon�

Weitere Versuche V4 Streue Reiskörner/kleine Kügelchen/Bügelperlen auf die Membran eines tönenden

Lautsprechers: Die Körner beginnen zu tanzen�

(S. 10) 1.2 Schwingungen unter der Lupe

Lernziele SuS beschreiben eine Schwingung als eine Bewegung, deren Richtung sich immer wieder

umkehrt und die sich nach stets der gleichen Zeit wiederholt�

Begriffe t - s -Diagramm, Periode, Periodendauer, Amplitude

Hinweise/Kommentar In dieser Lerneinheit werden die Schwingungen aus dem Thema Akustik/Schall herausgelöst

betrachtet und untersucht�

Einstieg Der Kölner Dom hat auf den ersten Blick

nichts mit Schwingungen zu tun� Das auch

solch ein großes Bauwerk in Schwingung

versetzt werden kann, soll als motivierender

Einstieg dienen� Im Unterrichtsverlauf kann

über die Amplitude und Periodendauer

solcher schwingenden Bauwerke recher-

chiert und diskutiert werden� Auch kann ein

Bezug zu Erdbeben und erdbebensicherer

Bauweise hergestellt werden�

Versuche im Schulbuch V1 Ein Becher mit einem kleinen Loch wird

an einer langen Stange aufgehängt� Der

Versuch findet im Schulhof statt� Der Becher

wird mit Wasser gefüllt, die Stange von zwei

Schülern möglichst horizontal getragen�

Wir lenken den Becher aus, die Schüler

laufen gleichmäßig entlang einer Linie� So

entsteht ein Schwingungsdiagramm�

V2 Das Diagramm der Schwingung eines

Federpendels wird mit einem Bewegungs-

sensor aufgenommen� Die Bewegung des

Pendels wird mit dem Diagramm verglichen�

Hinweise: Geeignete Smartphone-App aus-

wählen und das Smartphone als Pendel-

körper verwenden�

Weitere Versuche V3 (Alternative zu V1) Ein Schüler steht mit einer Kreide in der Hand an der Tafel� Er hält

diese mittig an die Tafel und läuft an der Tafel entlang� Dadurch entsteht eine gerade Linie�

Im zweiten Versuch bewegt der Lehrer, während der Schüler läuft, die Tafel gleichmäßig

nach oben und nach unten� Dadurch entsteht ein t - s -Diagramm, hier also eine Schwingungs-

form�

V4 Du kannst Schwingungslinien auch selbst zeichnen� Nimm ein Blatt Papier und einen

Bleistift� Zeichne mit dem Bleistift immer rauf und runter und ziehe dabei das Papier gleich-

mäßig zur Seite hin weg�

V5 (Vorversuch) Benötigt wird eine „endlos“-Rolle Packpapier� Diese wird von zwei Schülern

über einen langen Tisch gespannt� Auf ein Kommando hin zieht einer der Schüler langsam

immer mehr Papier zu sich� Ein dritter Schüler pendelt senkrecht zur Zugrichtung mit einem

Stift auf dem Papier� Ein vierter Schüler macht bei jedem Schlag eines Metronoms (z� B� auf

60 1/min eingestellt) auf der Höhe des dritten Schülers einen Punkt in einer anderen Farbe

auf das Papier� Es ergibt sich eine Vorform eines t - s -Diagramms�

Leitfrage: Was kann man an der Aufzeichnung woran erkennen?

Material Kopiervorlagen Arbeitsblätter:

• Amplitude und Frequenz (ak_s1_ab_002a: diff , ak_s1_ab_002b: diff )

Lösungen der Aufgaben A1 0

A2 $ Er muss die Amplitude, die Periodendauer und die Startauslenkung übermitteln�

A3. a) In jedem Umkehrpunkt des Pendels springt der Sekundenzeiger eine Sekunde

weiter� Daher benötigt das ideale Pendel für eine halbe Schwingung 1 s, für eine ganze

Schwingung daher 2 s�

b) Eine Stunde hat 3 600 s, eine ideale Pendeluhr schwingt also 1 800 mal hin und her� Daher

ergibt sich ein Fehler von 0,01 s · 1 800 = 18 s�

t in s 1 4 5

s in cm

t in s 1 4 9

s in cm

t in s 1 4 5

s in cm

Lösungen der Aufgaben A1 0 a) Beide Tiere schwingen mit ihren Flügeln (ähnlich wie ein Lineal schwingt)� Daher

erzeugen sie auch einen Schall�

b) Die Biene schlägt sehr viel schneller als der Schmetterling� Deshalb kann man die Biene

summen hören�

Die Frequenz der Flügel des Schmetterlings ist sehr gering, daher kann man diesen Flügel-

schlag nicht hören�

A2 $

Nummer Periodendauer T in s Frequenz f =1/ T in Hz

1 4 __ 41 = 0,

__^1 2 =^ 0,

__^1 8 =^ 0,

__^1 3 =^ 0,

6 __^103 __ 103 = 0,

__^1 20 =^ 0,

__^1 16 =^ 0,

A3 $ Es gilt: T =

---

1 000 s^ und damit^ f^ =^

_

T =^

---

3 ≈^ 333,33^ Hz

(S. 14) 1.4 Schallwahrnehmung

Lernziele SuS verwenden die Frequenz einer Schwingung als ein Maß für die Tonhöhe, die Amplitude

als ein Maß für die Lautstärke� Es gilt: Je höher die Frequenz umso höher klingt der Ton�

Je größer die Amplitude umso lauter klingt der Ton�

Begriffe Ton, Klang, Geräusch, Knall

Hinweise/Kommentar Als wichtigste Erkenntnis wird der Zusammenhang der Tonhöhe und Lautstärke mit den

physikalischen Größen Frequenz und Amplitude herausgearbeitet� Diese Zusammenhänge

sind den SuS aus dem Alltag eher unbekannt und sollten daher im Idealfall in einem

Prak tikum von den SuS selbst „erfahren“ werden� Dazu eignen sich unterschiedliche PC-

Programme und auch Apps�

Einstieg Das Fußballspiel ist ein lebensnahes Umfeld

für die SuS, so dass die Suche nach dem

Verursacher der Spielunterbrechung moti-

vierend für die SuS wirkt� Die Begründung,

weshalb die Hundebesitzerin nicht die

Schuldige sein kann, kann nach der Einheit

mit Hinblick auf die Hörbereiche von

Mensch und Tier beantwortet werden�

Versuche im Schulbuch V1 Schließe ein Mikrofon an ein Oszillo-

skop bzw� ein Messwerterfassungssystem

an oder verwende ein Smartphone mit einer

Oszilloskop-App�

a) Schließe einen Lautsprecher an einen

Tongenerator und stelle ihn dem Mikrofon

bzw� dem Smartphone gegenüber� Untersu-

che den Zusammenhang zwischen Lautstär-

ke, Tonhöhe und Schwingungsbild�

b) Schlage eine Stimmgabel einmal leicht

und einmal kräftig an� Vergleiche die Laut-

stärke des Tons und das Schwingungsbild

auf dem Oszilloskop�

c) Nimm Stimmgabeln, die verschiedene Töne erzeugen� Schlage die Stimmgabeln an und

ordne sie nach der Tonhöhe� Beschreibe, worin sich die Schwingungsbilder bei einem höhe-

ren und einem tieferen Ton unterscheiden�

d) Untersuche sonstige Geräusche, z� B� den Klang eines Musikinstrumentes, die menschliche

Sprache usw�

Hinweise: Schüler-Praktikum zu lauten/leisen und hohen bzw� tiefen Tönen mit Hilfe von

Software, beispielsweise „Scope“, „SoundCreator (DataStudio)“, App „Schallanalysator“ für

iOS …

Weitere Versuche V2 (Schülerversuch zum Richtungshören) Stelle dich mit geschlossenen Augen mit dem

Rücken zu deiner Klasse� Halte dir ein Ohr zu� Nun soll dir ein Mitschüler etwas zuflüstern�

Erst wenn beide Ohren offen sind, kannst du bestimmen, aus welcher Richtung das Flüstern

kommt�

Material Kopiervorlagen Arbeitsblätter:

• Töne – hoch und tief (ak_s1_ab_003)
• Töne – laut und leise (ak_s1_ab_004)

(S. 18) 1.5 Schallausbreitung

Lernziele SuS erläutern ein Modell zur Schallausbreitung� Sie erkennen, dass Schall einen Träger be-

nötigt, um sich ausbreiten zu können und dass Schall Zeit benötigt, um sich auszubreiten

und dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit vom Träger abhängt: Als Faustregel für die

Schallgeschwindigkeit in Luft gilt: In drei Sekunden legt er ca� 1 000 m zurück�

Begriffe Träger, Modell, Verdichtung, Verdünnung, Schallwelle, Reflexion des Schalls, Echo

Hinweise/Kommentar Die SuS erhalten meist erste Erfahrungen mit der Modellarbeit� Hierbei sollte auf die Vor-

teile der Modellbildung aber auch auf die Grenzen von Modellen eingegangen werden� Das

Modell der Schraubenfeder bietet sich an, da mit der Schraubenfeder direkt im Unterricht

anschaulich gearbeitet werden kann� Bei der Schallgeschwindigkeit wurde bewusst auf die

Formel für die Geschwindigkeit verzichtet, um keine Vorkenntnisse für das Kapitel zu erzwin-

gen� Falls das Thema Kinematik bereits vor der Akustik unterrichtet wurde, kann die Schall-

geschwindigkeit natürlich exakt angegeben und verwendet werden�

Einstieg Kriegerische Auseinandersetzungen im

Weltraum werden in den entsprechenden

Science-Fiction-Kinofilmen immer mit laut-

starken Explosionen dargestellt� Daher bie-

tet sich beim Thema Schallausbreitung eine

physikalische Auseinandersetzung mit die-

ser Problematik an� Zusätzlich sollte aber

eine Diskussion darüber stattfinden, wes-

halb in den Filmen die falschen akustischen

Signale verwendet werden�

Versuche im Schulbuch V1 Stelle eine brennende Kerze vor ein

Tamburin� Schlägst du das Tamburin an, so

flackert die Kerze oder geht aus�

V2 Stelle einen tickenden Wecker zusam-

men mit einem Funkmikrofon oder Mobil-

telefon unter eine Glasglocke� Das Ticken

des Weckers ist über einen Lautsprecher zu

hören� Pumpt man die Luft unter der Glocke

ab, wird der Ton immer leiser, bis man ihn

nicht mehr hört�

Hinweis: Häufig wird der Versuch nur mit

Schallquelle (Wecker) unter der Vakuum-

glocke vorgeführt� Jedoch wird bei noch relativ hohem Luftdruck unter der Glocke bereits der

Grenzwinkel der Totalreflexion an der Grenzfläche Luft (innen)-Glas überschritten� Ohne dass

ein Vakuum unter der Glocke vorliegt, ist dann trotzdem außerhalb der Glocke kein Klingeln

des Weckers zu hören� Es empfiehlt sich daher, auch einen Schallempfänger (Mikrofon)

unter der Vakuumglocke zu platzieren, um den tatsächlichen alleinigen Vakuumeffekt zu

zeigen�

V3 Mehrere Schülerinnen und Schüler stellen sich mit Stoppuhren 200 m, 300 m, 400 m

weit von einem Mitschüler mit einer Starterklappe auf� In dem Augenblick, in dem die

Klappe zusammengeschlagen wird, starten sie ihre Stoppuhren� Wenn sie den Knall hören,

stoppen sie die Uhren wieder�

V4 Hinter den Lautsprecher eines Handys wird ein Geodreieck gehalten� Der Schall wird

von dem Geodreieck umgelenkt� Die Musik ist nun besser zu hören�

V5 Bei einer Schraubenfeder haben die Windungen zunächst alle den gleichen Abstand�

Nun wird die Feder an einem Ende auseinandergezogen und dann losgelassen� Die Verdün-

nung, die entstanden ist, wandert durch die gesamte Feder� Wird die Feder an einem Ende

zusammengeschoben, entsteht eine Verdichtung� Auch sie wandert nach dem Loslassen

durch die Feder�

Weitere Versuche V6 Zwei Stimmgabeln A und B der gleichen Frequenz werden einige Meter auseinander im

Raum aufgestellt� Stimmgabel A wird angeschlagen und danach festgehalten� Stimmgabel B

schwingt weiter und erzeugt einen Ton�

V7 Messung der Schallgeschwindigkeit in

Luft: Zwei Mikrofone werden in definiertem

Abstand auf eine Schallquelle gerichtet� Die

Schallquelle erzeugt einen Knall (z� B� ein

Händeklatschen)� Die Schallwelle startet

den Digitalzähler bei Erreichen des ersten

Mikrofons und stoppt ihn bei Erreichen des

zweiten Mikrofons�

Material Kopiervorlagen Arbeitsblätter:

• Die Ausbreitung des Schalls (ak_s1_ab_005a: diff , ak_s1_ab_005b: diff )
• Die Schallgeschwindigkeit (ak_s1_ab_006a: diff , ak_s1_ab_006b: diff )

Lösungen der Aufgaben A1 0 Der Schall wird über die Heizungsrohre, welche alle Stockwerke und Zimmer mitein-

ander verbinden, übertragen�

A2 $ Paul hat Recht� Er zählt die Zeit, welche der Schall benötigt, um vom Blitz zu ihm zu

gelangen (der Donner wird durch die schlagartige Erhitzung der Umgebungsluft durch den

Blitz erzeugt)� Da Schall in drei Sekunden ca� 1 000 m zurücklegt, ist der Blitz in diesem Fall

ca� 2 000 m entfernt eingeschlagen�

A3 $ Auf der ISS wird eine „künstliche Luft“ technisch hergestellt, damit die Astronauten

dort leben und arbeiten können� Daher können sich zwei Astronauten auf der ISS auch ohne

Hilfsmittel unterhalten� Bei einem Außeneinsatz ist keine Luft als Träger des Schalls mehr

vorhanden und damit eine Unterhaltung nicht mehr möglich� Da die Astronauten bei einem

Außeneinsatz aber sowieso Anzüge tragen müssen, sind diese technisch so ausgerüstet,

dass eine Unterhaltung per Funk möglich ist�

A4. Durch die Reibung der Räder des Zuges und den Schienen wird ein sehr hoher Ton

erzeugt, den sicher jeder schon einmal auf einem Bahnsteig gehört hat� Dieser Schall wird

über die Schienen übertragen� Da die Schallausbreitung sehr viel schneller als der Zug selbst

ist, kann man den herannahenden Zug über die Schiene bereits hören bevor der Zug sicht-

bar ist�

Hinweis 1: Den Zug selbst hört man über die Luft meist noch nicht, da sich in diesem Fall der

Schall in alle Richtungen ausbreitet und zudem durch Winde und Umgebungsgeräusche

keine große Reichweite besitzt� Der Schall der Räder kann sich nur in Richtung der Schienen

ausbreiten und hat eine wesentlich größere Reichweite�

Hinweis 2: Liegt ein Bahnhof in einer Kurve, kann man dieses Phänomen auch gefahrlos auf

dem Bahnsteig wahrnehmen� Der ankommende Zug ist noch nicht sichtbar, aber das hohe

Pfeifgeräusch der Schienen ist sogar über die Luft hörbar�

b) Untersuche den Einfluss der Dicke des Materials zwischen Schallquelle und Schall-

empfänger� Stelle eine Messtabelle auf und trage die Werte in ein Diagramm ein�

Material Kopiervorlagen Arbeitsblätter:

• Lärm (ak_s1_ab_009)

Lösungen der Aufgaben A1 0 individuelle Schülerlösungen

A2 $ Z� B� häufiges Hören von lauter Musik mit Kopfhörern, Verwendung von „In-Ear-Kopf-

hörern“, Disco-Besuche oder laute Musik bei Partys bzw� Rock-/Pop-Konzerten …

A3 $ Der Altglascontainer ist innen mit Dämmmaterialien ausgekleidet; insbesondere

unter dem Einwurfloch befindet sich häufig ein Dämmvlies, auf das das eingeworfene Glas

fällt� Zudem sind viele Altglascontainer so aufgestellt, dass sie entweder nicht in unmittel-

barer Nähe von Wohnbebauung stehen oder durch Wände oder andere Schallhindernisse

abgeschirmt werden� (Der Einwurf von Altglas ist nur in der Zeit von 7�00 bis 20�00 Uhr er-

laubt� Glascontainer sollten möglichst nicht nach 17 Uhr entleert werden�)

A4. individuelle Schülerlösungen

(S. 23) Rückblick Lösungen der Teste-dich-selbst-Aufgaben

Fachwissen:

wahr: 1, 2, 4

falsch: 3, 5, 6

Schwingungsbilder: 1a), 2d), 3c), 4b)

Kommunikation:

AMPLITUDE , OHR , KNALL , SCHALL , ECHO , LAERM , SCHWINGUNG , FREQUENZ

Lösungswort: TONHOEHE

Erkenntnisgewinnung:

Bewerten:

1: Solange noch alte Fahrzeuge auf den Straßen sind, wird die Maßnahme wenig bringen�

2: sehr wirksam; hohe Kosten für die Stadt

3: sehr wirksam solange die Fenster geschlossen bleiben; hohe Kosten für die Anwohner

4: wirksam, wenn die Geschwindigkeit eingehalten wird; geringe Kosten (Verkehrsschilder

aufstellen)

5: wirksam, wenn die Hecken dicht gewachsen und hoch sind; Kosten für die Anwohner

(S. 24) Rückblick Lösungen der Trainingsaufgaben

A1 0 440 Perioden pro Sekunde; entspricht dem Kammerton a�

A2 0 Hummel (dunkler Ton) – Biene – Mücke (heller Ton)

A3 $ Svenja würde geringfügig schneller starten, da der Knall erst vom Ohr empfangen

werden müsste� Dies ist die korrekte Messmethode�

A4. a) Sobald der Schall (hier von rechts kommend) das rechte Mikrofon erreicht, startet

die Stoppuhr� Der Schall bewegt sich weiter und erreicht das linke Mikrofon, woraufhin die

Stoppuhr angehalten wird� Die Stoppuhr misst also die Zeit, die Schall benötigt, um vom

rechten Mikrofon zum linken zu gelangen� Man benötigt dann nur noch den Abstand zwischen

den beiden Mikrofonen und kann dann die Geschwindigkeit ausrechnen (siehe Teil b))�

b) gegeben: Für eine Weglänge von 1 m benötigt der Schall 3,1 ms�

Dreisatzrechnung:

Zeitdauer Weglänge

3,1 ms 1 m : 3,

1 ms 1/3,1 m = 0,3226 m · 1 000

1 s 0,3226 m · 1 000 = 322,6 m