Visuelles Wissen. Physik E-Book

Leo Ball

• Herausgeber: Dorling Kindersley Verlag
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Visuelles Wissen
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 403

Veröffentlichungsjahr: 2025

Beschreibung

Bildgewaltiges Physik-Buch für Schüler*innen Ein anschaulicher Einstieg in die Physik! Dieses umfassende Wissensbuch für Schüler*innen ab 12 Jahren beantwortet klar und verständlich die wichtigsten Fragen rund um physikalische Themen: Was ist Konvektion? Wie funktionieren Hebel? Wodurch unterscheiden sich Licht- und Schallwellen? Anschauliche Doppelseiten führen mit klaren Grafiken und Erläuterungen durch zentrale Aspekte der Physik – von Energie und Bewegung über Magnetismus bis zur Kernreaktion. Umfangreiches Physik-Wissen für Schüler*innen in einem Buch Naturwissenschaften für Schüler*innen so simpel und lebendig wie nie! Die DK-Reihe "Visuelles Wissen" unterstützt mit ansprechenden Illustrationen und kompakten Erklärungen beim einfachen und schnellen Verständnis wissenschaftlicher Sachverhalte. Dieses Physik-Buch ist der perfekte Begleiter für den Schulunterricht, die Hausaufgaben oder für die Prüfungsvorbereitung. • Physik einfach erklärt: Was verursacht den Klimawandel? Wie funktionieren Radiowellen? Wie wird Elektrizität verwendet? Prägnante Erläuterungen und grafische Darstellungen beleuchten selbst komplexe wissenschaftliche Sachverhalte gut verständlich. • Alle wichtigen Themen und Abläufe der Physik: Anschauliche Doppelseiten erwecken die Wissenschaft zum Leben und erleichtern Schüler*innen den Einstieg in die Materie – ob Atomaufbau, Beschleunigung, Stromkreise, Wärmeleitung oder Volumenmessung. • Idealer Lernbegleiter: Didaktisch geprüft und an die Terminologie in deutschen Schulen angepasst eignet sich dieses tolle Wissensbuch optimal zum Selbstlernen für Schüler*innen der Sekundarstufen I und II. Die perfekte visuelle Begleitung für den Physik-Schulunterricht! Dieses umfassende Physik-Buch macht Wissenschaft für Schüler*innen, Student*innen und an Physik Interessierten lebendig.

Leseprobe

Selbstlernen

leicht gemacht

visuelles wissen

PHYSIK

DER ANSCHAULICHE EINSTIEG

IN ALLE THEMENBEREICHE

Ben Morgan, Edward Aves, Steven Carton, Alexandra Di Falco,

Lisa Gillespie, Andrew Macintyre,

DK London / Delhi

Lektorat

Liz Wheeler, Jonathan Metcalf, Virien Chopra, Bipasha Roy, Sukriti Kapoor,

Manjari Thakur, Kingshuk Ghoshal

Michelle Staples, Adam Brackenbury, Gus Scott, Owen Peyton Jones, Karen Self,

Vikas Chauhan, Sanjay Chauhan, Sifat Fatima, Bhavnoor Kaur, Geetika Bhandari,

Taiyaba Khatoon, Govind Mittal, Vishal Bhatia, Syed Mohammad Farhan

Gestaltung und Bildredaktion

Leo Ball, Ben Davies, Hilary Lamb, Penny Johnson, Ben Morgan, Robert Snedden,

Giles Sparrow, Steve Woolley, Rutuparna Das, Penny Johnson

Gillian Reid, Meskerem Berhane, Balwant Singh, Pankaj Sharma

Text und Fachberatung

Akiko Kato, Sophia M.T.T.

Herstellung

Umschlaggestaltung

Projektbetreuung Dr. Kerstin Schlieker

Herstellungskoordination Claudia Rode

Herstellung Sophie Schiela

Für die deutsche Ausgabe:

Titel der englischen Originalausgabe:

SuperSimple Physics

© Dorling Kindersley Limited, London, 2021

Ein Unternehmen der Penguin Random House Group

Alle Rechte vorbehalten

© der deutschsprachigen Ausgabe: 2022

Dorling Kindersley Verlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München

Alle deutschsprachigen Rechte vorbehalten

Deutsche digitale Ausgabe, 2025

Dorling Kindersley Verlag GmbH

Jegliche – auch auszugsweise – Verwertung, Wiedergabe, Vervielfältigung oder

Speicherung, ob elektronisch, mechanisch, durch Fotokopie oder Aufzeichnung,

bedarf der vorherigen schriftlichen Genehmigung durch den Verlag.

Die automatisierte Analyse des Werkes, um daraus Informationen, insbesondere

über Muster, Trends und Korrelationen gemäß § 44b UrhG (Text und Data Mining)

zu gewinnen, ist untersagt.

Übersetzung Dr. Margret Bodmann

Lektorat Dr. Stephan Matthiesen

eISBN 978-3-8310-8454-8

5902-314297-24295-01

www.dk-verlag.de

Hinweis

Die Informationen und Ratschläge in diesem Buch sind von den Autoren und vom Verlag

sorgfältig erwogen und geprüft, dennoch kann eine Garantie nicht übernommen werden.

Eine Haftung der Autoren bzw. des Verlags und seiner Beauftragten für Personen-,

Sach- und Vermögensschäden ist ausgeschlossen.

PHYSIK

visuelles wissen

DER ANSCHAULICHE EINSTIEG

IN ALLE THEMENBEREICHE

Inhalt

Energie

Wissenschaftlich arbeiten

10 Die wissenschaftliche Methode

12 Wissensfortschritt

14 Wissenschaft und Gesellschaft

15 Nutzen und Risiken

16 Wissenschaftliche Modelle

17 Sicher arbeiten

18 Versuchsplanung

20 Messungen

21 Signifikante Stellen

22 Daten darstellen

24 Datenmuster

25 Schlussfolgerungen

26 Genauigkeit und Präzision

27 Evaluation

28 Mathematische Modelle

30 SI-Einheiten

32 Energie

33 Energie und Nahrung

34 Energieformen

35 Energieübertragung

36 Erneuerbare Energiequellen

38 Endliche Energie

39 Klimawandel

40 Energienutzung

41 Energieeffizienz

42 Wärmeübertragung

43 Strahlung

44 Strahlung untersuchen

46 Wärmeleitung

47 Dämmstoffe untersuchen

48 Konvektion

50 Energieübertragung vermindern

52 Kinetische und potenzielle Energie

54 Energieerhaltung

55 Energieübertragung durch Kräfte

56 Energie und Leistung

58 Wirkungsgrad berechnen

Sicherheit und Aufsicht durch eine Lehrkraft

• In diesem Buch sind Versuche und praktische Übungen enthalten. Bei der

Durchführung müssen sowohl die Anleitungen auf jeder Seite als auch die

grundsätzlichen Anweisungen des Kapitels „Sicher arbeiten“ auf Seite 17 genau

befolgt werden.

• Einige Versuche, bei denen zusätzlich die Aufsicht durch eine Physiklehrkraft

notwendig ist, sollten nur in der Schule unter Aufsicht durchgeführt werden.

Solche Experimente sind mit diesem Symbol gekennzeichnet.

!

Aufsicht durch Lehrkraft erforderlich

• HAFTUNGSAUSSCHLUSS: Der Verlag übernimmt keinerlei Haftung für Perso-

nen- und Sachschäden, die aufgrund der Experimente bei Nichtbeachtung der

Anweisungen und/oder bei Durchführung ohne angemessene Aufsicht entstehen.

Bewegung beschreiben

Kraft und Bewegung

61 Geschwindigkeit

62 Geschwindigkeitsformel

63 Geschwindigkeit messen

64 Weg-Zeit-Diagramme

66 Skalare und Vektoren

67 Geschwindigkeitsvektor

68 Beschleunigung

70 Geschwindigkeit-Zeit-Diagramme

Kräfte

73 Kräfte

75 Kräftegleichgewicht

76 Resultierende Kräfte

78 Kräfte zerlegen

79 Masse und Gewicht

80 Federn

82 Federn untersuchen

83 Verformung

84 Drehmomente

86 Schwerpunkt

88 Hebel

90 Zahnräder

91 Weitere einfache Maschinen

92 Kraft und Gegenkraft

93 Felder

94 Gravitationsgesetz

Wellen

113 Wellen

114 Schall

115 Oszilloskope

116 Formeln für Wellen

118 Schall hören

119 Wellengeschwindigkeit untersuchen

120 Schallgeschwindigkeit messen

121 Ultraschall nutzen

122 Sonar

123 Das Erdinnere untersuchen

124 Interferenz

96 Kreisbewegung

97 Zweites Newtonsches Gesetz

98 Beschleunigung untersuchen

100 Impuls

102 Elastische und inelastische Stöße

104 Impuls ändern

105 Anhalteweg

107 Fahrzeugsicherheit

108 Bremsweg und Energie

110 Endgeschwindigkeit

Licht

Elektrische Stromkreise

127 Licht und Sehen

128 Schall und Licht vergleichen

129 Lochkamera

130 Reflexion

131 Brechung

132 Licht untersuchen

134 Totalreflexion

136 Linsen

137 Wellen und Brechung

138 Brechungsindex

140 Sammel- und Zerstreuungslinsen

141 Sehfehler korrigieren

142 Strahlengang der Sammellinse

143 Strahlengang der Lupe

144 Strahlengang der Zerstreuungslinse

145 Licht und Farbe

147 Reflektieren und absorbieren

148 Elektromagnetische Strahlung

150 Radiowellen

151 Schädliche Strahlung

153 Elektrischer Strom

154 Stromkreise

155 Reihen- und Parallelschaltung

156 Elektrischen Strom messen

158 Reihen- und Parallelschaltungsregeln

160 Ladung

161 Widerstand ändern

162 Widerstand in Drähten untersuchen

164 Widerstand in Drähten

165 Widerstände parallel und in Reihe

167 Stromstärke und Spannung berechnen

169 Strom-Spannungs-Kennlinien

171 Elektrische Leistung

172 Energie berechnen

174 Fotowiderstände

175 Thermistoren

176 Sensorschaltungen

Elektrizität verwenden

179 Gleich- und Wechselstrom

180 Verdrahtung

181 Schmelzsicherungen und Schutzschalter

182 Stromschläge vermeiden

183 Elektrogeräte

184 Energieverbrauch im Haushalt

185 Energieverschwendung

186 Energieübertragung

Statische Elektrizität

Materie

188 Anziehen und abstoßen

190 Anziehung durch Influenz

191 Statische Elektrizität verwenden

192 Gefahren statischer Elektrizität

194 Elektrische Felder

Magnetismus und

Elektromagnetismus

196 Magnete

197 Magnetfelder

198 Das Erdmagnetfeld

199 Elektromagnete

201 Elektromagnete nutzen

202 Das Motorprinzip

204 Elektromotoren

205 Elektromagnetische Induktion

206 Generatoren

208 Lautsprecher und Mikrofone

209 Transformatoren

212 Aggregatzustände

213 Zustandsänderungen

214 Teilchen in Bewegung

215 Wärmeausdehnung

216 Dichte

217 Dichte bestimmen

218 Innere Energie

219 Spezifische Wärmekapazität

221 Spezifische Wärmekapazität bestimmen

223 Aufheizkurven

224 Temperatur und Zustandsänderungen

225 Berechnungen mit latenter Wärme

Druck

227 Druck auf eine Fläche

228 Luftdruck

229 Druck in Flüssigkeiten

230 Schwimmen und sinken

231 Barometer und Manometer

232 Druck in Gasen

233 Druck und Volumen

234 Druck und Temperatur

235 Arbeit und Temperatur

Atome und Radioaktivität

Weltraum

237 Atomaufbau

238 Elemente und Isotope

239 Atommodelle

240 Radioaktiver Zerfall

241 Verschiedene Strahlungsarten

242 Kernreaktionsgleichungen

244 Halbwertszeit

245 Hintergrundstrahlung

246 Gefahren radioaktiver Strahlung

247 Radioaktive Isotope verwenden

248 Nuklearmedizin

250 Kernspaltung

252 Kernkraft

253 Kernfusion

255 Aufbau der Erde

256 Jahreszeiten

258 Sonnensystem

260 Der Mond

261 Finsternisse

262 Umlaufbahnen

263 Galaxien

264 Weltraumbeobachtung

265 Rotverschiebung

266 Expandierendes Universum

267 Urknall oder stationärer Zustand?

268 Lebenszyklen von Sternen

270 Sterne klassifizieren

272 Glossar

281 Schaltzeichen

282 Register

288 Dank und Bildnachweis

Wissenschaftlich

arbeiten

10 Wissenschaftlich arbeiten

Die wissenschaftliche Methode

Naturwissenschaftler möchten erklären,

wie und warum etwas geschieht, z. B. wenn

elektrischer Strom durch einen Draht fließt

oder wann Sterne oder Planeten entstehen.

Dazu gehen sie logisch Schritt für Schritt

vor. Die hier beschriebenen Schritte werden

in allen Naturwissenschaften verwendet.

Der nächste Schritt ist, sich

eine mögliche Erklärung zu

überlegen, die überprüft

werden kann. Das

nennt man eine Hypo-

these. Man kann sie

häufig mit den Worten

„abhängig von“

2. Hypothese aufstellen

1. Wissenschaftliche Fragestellung

formulieren

Wissenschaftler sind neugierig und fragen

oft danach, wie etwas funktioniert, z. B.

warum es manchmal länger dauert, bis

Wasser im Kessel siedet. Eine wissen-

schaftliche Frage kann durch das

Sammeln von Daten (Informationen)

beantwortet werden. „Welches Getränk

schmeckt am besten?“ ist keine wissen-

schaftliche Frage.

formulieren. Unsere

Hypothese könnte z. B.

lauten: Die Zeitspanne

bis zum Sieden des Was-

sers im Kessel ist abhängig

von der Wassermenge.

Daten sammeln

Manche wissenschaftlichen Fragestellungen können

nicht durch Experimente überprüft werden. Astrono-

men können nicht mit Planeten und Sternen

experimentieren. Trotzdem können sie

Hypothesen aufstellen und Vorhersa-

gen treffen und diese anschließend

durch Beobachtungen, bei denen

sie Daten sammeln, überprüfen.

3. Vorhersage treffen

Um die Richtigkeit

einer Hypothese zu

prüfen, treffen wir

eine Vorhersage.

Eine Vorhersage

kann man oft mit

„Wenn ... , dann ...

“ formulieren: Wenn

man die Wasser-

menge verdoppelt,

dann braucht das Wasser

doppelt so lange zum Sieden.

4. Daten sammeln

Versuche überprüft. In unserem Fall würden

wir unterschiedliche Wassermengen erhitzen

und die Zeit messen, die sie bis zum Sieden

benötigen. Ein Versuch muss unter kontrol-

lierten Bedingungen ablaufen, d. h. dass nur

Hypothesen werden üblicherweise durch

die Variable verändert wird, die untersucht wird

(hier die Wassermenge). Die Informationen, die bei

einem Versuch gesammelt werden, nennt man Daten.

Wissenschaftlich arbeiten

Auf einen Blick

Male überprüft und niemals

widerlegt worden ist, wird

sie möglicherweise mit der

Zeit als wissenschaftliche

Theorie anerkannt.

Wenn die Hypothese viele

7. Theorie

✓ Eine Hypothese ist eine

überprüfbare wissenschaft-

liche Idee.

✓ Mithilfe der Hypothese wird

der mögliche Ausgang eines

Experiments vorhergesagt.

✓ Stützt ein Versuch eine

Hypothese, kann sie Teil

einer Theorie werden.

?

Hypothese oder Versuch verfeinern

Wenn die Vorhersage falsch

war, kann entweder die Hypo-

these falsch sein oder der

Versuch hat nicht richtig

funktioniert. Fehlgeschla-

gene Experimente sind

keine Zeitverschwendung

– manchmal führen sie zu

neuen Entdeckungen.

✓ Forschungsergebnisse wer-

den durch andere Wissen-

schaftler überprüft.

Viele Wissen-

schaftler

wiederholen

den Versuch.

11

Wissenschaftliche

Die Schlussfolgerung

stützt die Hypothese

nicht.

Theorien

Die Schlussfol-

gerung stützt die

Hypothese.

6. Begutachtung (Peer-Review)

Nach einem erfolgreichen Experi-

ment verfassen Forscher häufig einen

Bericht (eine sogenannte Veröffentli-

chung), sodass andere Wissenschaftler

davon erfahren und die Details über-

prüfen können. Die Veröffentlichung

erscheint dann in einer Fachzeitschrift

und kann von allen Wissenschaftlern

gelesen werden.

Wassermenge

5. Analyse und Schlussfolgerung

Nach dem Sammeln der Daten werden diese

sorgfältig analysiert, um mögliche Fehler zu

finden und nach Mustern zu suchen. Mithilfe

der Analyse wird entschieden, ob der Versuch die

Hypothese stützt. Das bildet die Schlussfolgerung.

Manchmal sagen Leute, wenn

sie etwas nicht glauben: „Es ist

doch nur eine Theorie.“ Doch

in den Naturwissenschaften ist

eine Theorie eine Erklärung, die

schon viele Male überprüft und

allgemein als richtig anerkannt

worden ist. Dass die Erde wie

alle Planeten unseres Sonnen-

systems um die Sonne kreist, ist

eine wissenschaftliche Theo-

rie, die auf vielen sorgfältigen

Beobachtungen und Vorhersa-

gen basiert. Ohne Wissenschaft

würden wir wahrscheinlich

immer noch glauben, dass sich

die Sonne um die Erde dreht.

Sonnensystem

Siedezeit

12 Wissenschaftlich arbeiten

Wissensfortschritt

Wissenschaftliche Methoden und Theorien ändern

sich im Laufe der Zeit. So änderte die Erfindung des

Fernrohrs, wie die Menschen über das Sonnensystem

dachten. Als die Teleskope leistungsfähiger wurden,

setzten sich weitere neue Vorstellungen über

die Sterne und das Weltall durch.

Quadrant

Sonne

Himmelsbeobachtung

Die ersten Menschen, die nachweislich den Nachthimmel

studierten, waren die Mesopotamier (im heutigen Irak) vor

ca. 5000 Jahren. Antike Astronomen benutzten einfache In -

strumente, wie z. B. den Quadranten, um den Winkel zwischen

Sternen oder Planeten und dem Horizont zu messen und Auf-

und Untergangszeit von Sonne und Mond vorherzusagen.

140 n. Chr.

Die Erde im Mittelpunkt

Die Menschen in der Antike

glaubten, dass sich die Sonne

um die Erde drehe und die Erde

der Mittelpunkt des Universums

sei. Dies war die Grundlage des

„geozentrischen Weltbilds“ des

griechischen Astronomen Pto-

lemäus. Geozentrisch bedeutet,

dass die Erde der Mittelpunkt

ist. Damit sein Weltbild zu der

Beobachtung passte, dass

sich die Planeten manchmal

rückwärts am Himmel bewegen,

beschrieb er die Bahn eines Pla-

neten als kompliziertes System

aus Kreisbahnen innerhalb von

Kreisbahnen (Epizyklen).

Ptolemäus’ Weltbild

wird geozentrisch

genannt, weil es die

Erde in den Mittel-

punkt stellt.

Heliozentrisches Weltbild

Aufgrund von Beobach-

tungen mit bloßem Auge

entwickelte der polnische

Astronom Nikolaus Koper-

nikus ein neues Weltbild mit

der Sonne im Mittelpunkt

(heliozentrisch), um die sich

die Planeten auf Kreisbahnen

bewegen. Anfänglich wurde

es abgelehnt, weil es mit den

Beobachtungen nicht genau

übereinstimmte.

1543

Elliptische Umlaufbahnen

Etwa 80 Jahre nach Kopernikus’

Tod schlug der deutsche Astronom

Johannes Kepler ein heliozentrisches

Weltbild mit elliptischen (ovalen)

anstatt kreisförmigen Umlaufbahnen

vor. Dies passte viel besser zu den

Bewegungen der Planeten am Himmel

als die älteren Modelle.

Auf einen Blick

✓ Wissenschaftliche Theorien

und Methoden ändern sich

im Laufe der Zeit.

✓ Die Erfindung des Fernrohrs

führte zu neuen Erkenntnis-

sen über die Planeten, den

Mond und die Sterne.

✓ Mit der Weiterentwicklung

der Teleskope veränderten

neue Entdeckungen unser

Verständnis des Weltalls.

1609

1610

Fernrohre

Nach der Erfindung des Fernrohrs im frü-

hen 17. Jahrhundert entdeckte der ita-

lienische Wissenschaftler Galileo Galilei

Berge und Krater auf dem Mond und vier

Jupitermonde. Seine Beobachtungen

stützten das heliozentrische Weltbild.

Wissenschaftlich arbeiten 13

Bei anderem Licht besehen

Sichtbares Licht ist nur ein Teil des elektro-

magnetischen Spektrums. Astronomen können

mehr über Sterne und Galaxien erfahren, wenn

sie andere Arten elektromagnetischer Wellen

beobachten. Manche dieser Wellen werden von

der Erdatmosphäre absorbiert, sodass Röntgen-,

Ultraviolett- und Infrarotteleskope in den Welt-

raum gebracht werden müssen. Radioteleskope

können auf der Erde gebaut werden. Auf diesen

Bildern sieht man die Andromeda-Galaxie bei ver-

schiedenen Wellenlängen.

Theorie der Gravitation (Schwerkraft)

Inspiriert von Keplers elliptischen Umlaufbahnen veröffent-

lichte der englische Forscher Isaac Newton in einem Buch seine

Grundgesetze der Bewegung und das Gravitationsgesetz. Diese

mathematischen Modelle helfen beim Verständnis, wie die

Planeten die Sonne und Monde Planeten umkreisen.

Andromeda-

Galaxie

Newton erfand auch das

Spiegelteleskop, das mit

gekrümmten Spiegeln

anstatt von Linsen arbeitet.

1687

1781

Verbesserte Teleskope

Als die Teleskope größer und

besser wurden, entdeckten die

Astronomen weiter entfernte Him-

melskörper. Mit einem 12 Meter

langen Teleskop entdeckte der in

Deutschland geborene Astronom

William Herschel den Uranus.

Er identifizierte auch sehr viele

Entdeckung von Galaxien

1912 erarbeitete die US­amerikanische Astronomin Henrietta

Swan Leavitt eine Methode zur Berechnung der Entfernung

von der Erde zu veränderlichen Sternen (Sterne, deren

Helligkeit schwankt). 1923 nutzte ein weiterer US­Amerikaner,

Edwin Hubble, ihre Idee, um die Existenz anderer Galaxien

neben unserer eigenen zu beweisen, und zeigte damit, dass

das Weltall viel größer als bis dahin angenommen ist.

1908

Nebel: Wolken aus leuchtender

Materie zwischen den Sternen.

Moderne Beobachtungsmethoden

Heutzutage können Astronomen

Teleskope ins All bringen oder

solche zum Nachweis von Radio-

wellen oder anderen Formen elek-

tromagnetischer Strahlung

anstatt des sichtbaren

Lichts bauen. Mithilfe

der gesammelten

Informationen kann

man erklären, wie

Herschel konstruierte sein

riesiges Teleskop zusam-

men mit seiner Schwester

Caroline Herschel.

Sterne entstehen

und sterben, wie

die Schwerkraft

sie in Galaxien

zusammenhält

und wie das Uni-

versum entstanden

sein könnte.

Radioteleskop

Gegenwart

Röntgenstrahlen

Infrarot

Ultraviolett

Radiowellen

14 Wissenschaftlich arbeiten

Wissenschaft

Auf einen Blick

und Gesellschaft

Manche wissenschaftlichen Entwicklungen werfen ethische

Fragen auf, die sich nicht experimentell beantworten lassen.

Doch das Sammeln von Daten hilft, fundierte Entscheidun-

gen zu treffen. Die Antworten in den folgenden Beispielen

hängen von Überzeugungen ab, nicht von der Wissenschaft.

✓ Einige wissenschaftliche Entwicklun-

gen werfen ethische Fragen auf.

✓ Die Frage, was moralisch richtig oder

falsch ist, kann nicht durch Experi-

mente beantwortet werden, sondern

hängt von den Überzeugungen der

Menschen ab.

Billiges Fleisch

Auslesezüchtungen erzeugen Nutztiere, die besseres Fleisch

liefern, Kühe, die mehr Milch geben, oder Hennen, die mehr

Eier legen. Doch Veränderungen, die die Kosten für die Bauern

senken, können schädlich für die Tiere sein. Manche Hühner, die

für schnelles Wachstum gezüchtet wurden, sind zu schwer zum

Laufen. Was ist wichtiger: billiges Fleisch und größere Gewinne

oder Tierschutz?

Dieser goldene Reis wurde

gentechnisch verändert, um

mehr Vitamine zu liefern.

Normaler weißer

Reis

Saubere Energie

Das Klima verändert sich, weil die Menschen der Atmosphäre zu viel

Kohlenstoffdioxid zuführen. Gezeitenkraftwerke erzeugen elektri-

schen Strom ohne Kohlenstoffdioxid, doch manchmal muss über eine

Flussmündung ein Stauwehr gebaut werden, das die Fische bei ihrer

Wanderung aufhält und natürliche Lebensräume verändert. Was ist

wichtiger: saubere Energie oder der Schutz der Lebensräume?

Biomassekraftwerk

Gentechnik

Gentechnik kann Heilmittel für Krankheiten hervorbringen und

Nutzpflanzen so verändern, dass sie mehr Nährstoffe enthalten.

Dies verbessert das Leben vieler Menschen, doch genetisch ver-

änderte Organismen sind nicht natürlich. Ist es falsch, Lebewesen

so zu verändern?

Biobrennstoffe

Biobrennstoffe, die aus Nutzpflanzen hergestellt werden, reduzieren

im Vergleich zu fossilen Brennstoffen die Kohlenstoffdioxidemissionen,

da die Pflanzen beim Wachsen CO2

absorbieren. Doch ihr Anbau ver-

braucht Ackerfläche, die für Nahrungsmittel genutzt werden könnte.

Ist saubere Energie wichtiger als die Nahrungsmittelversorgung?

Wissenschaftlich arbeiten 15

Nutzen und Risiken

Naturwissenschaft und Technik bringen Erfindungen

hervor, die das Leben der Menschen verbessern,

doch manche Technologien bergen auch Risiken.

Nutzen und Risiken müssen gegeneinander ab -

gewogen werden. Dabei muss man alle Fakten

einbeziehen. Die Alternative, von der wir annehmen,

dass sie gefährlicher sei, ist es häufig nicht.

Auf einen Blick

✓ Moderne Technik kann von großem

Nutzen sein, doch manche Technolo-

gien können auch schädlich sein.

✓ Risiken und Nutzen verschiedener

Technologien müssen vor der Ent-

scheidung, ob man sie nutzt oder

nicht, bewertet werden.

Kernkraft oder fossile Brennstoffe

Viele Menschen halten Kernkraft wegen des

Risikos für nukleare Unfälle oder frei werdende

Strahlung für gefährlich. Wissenschaftliche

Studien deuten jedoch darauf hin, dass mit

fossilen Brennstoffen betriebene Kraft-

werke durch Umweltverschmut-

zung nicht nur mehr Krankheit

und Tod verursachen,

sondern auch mehr zum

Klimawandel beitragen.

Zudem geschehen

häufiger Unfälle bei

Ölbohrungen oder

der Kohleförde-

rung als bei der

Herstellung von

Nuklearbrenn-

stoffen.

Zu Fuß gehen oder Auto fahren?

Was ist sicherer – gehen oder fahren?

Unfallstatistiken ergeben, dass Fußgänger

pro Kilometer häufiger tödlich verunglücken

als Autofahrer. Doch das ist nicht der

einzige Faktor. Gehen stellt zudem

eine Form körperlicher Aktivität

dar und Bewegung kann das

Risiko für Erkrankungen

wie Herzkrankheiten

und Diabetes stark

verringern.

Röntgen-

bild vom

Kopf

Flugsicherheit

Flugzeugabstürze

sorgen immer für

Schlagzeilen und bewir-

ken bei manchen Leuten

Flugangst. Doch Autofahren

ist viel gefährlicher. In den

USA war es z. B. von 2000-2009

pro zurückgelegtem Kilometer über

60-mal wahrscheinlicher, dass ein Auto-

fahrer tödlich verunglückte als ein Passagier auf

einem Linienflug.

Röntgen

Röntgengeräte

und Computer-

tomografen erzeugen

Bilder vom Inneren des

Körpers und helfen Ärzten,

Krankheiten zu erkennen.

Doch bei dieser Technik wird

lebendes Gewebe Röntgenstrahlung

ausgesetzt, wodurch sich das Krebsrisiko

leicht erhöht. Meist ist der Nutzen für die rich-

tige Diagnose größer als das Risiko der Strahlung.

16 Wissenschaftlich arbeiten

Wissenschaft-

liche Modelle

Modelle helfen uns, wissenschaftliche Vorstel-

lungen besser zu verstehen. Wissenschaftliche

Modelle können wie Hypothesen durch Versu-

che überprüft werden. Es gibt fünf Haupttypen:

beschreibende, computergestützte, mathema-

tische, räumliche und darstellende Modelle.

Beschreibende Modelle

Diese Modelle beschreiben etwas mithilfe von Wör-

tern und z. T. auch Schaubildern. Dieses Bild, das

den Weg des elektrischen Stroms vom Kraftwerk zu

Haushalten darstellt, ist ein beschreibendes Modell.

Computermodelle

Bei diesem Typ werden Computer verwendet, um

komplexe Prozesse zu simulieren. Grundlage von

Wettervorhersagen sind Computermodelle der

Atmosphäre. Die Abbildung zeigt eine Wellenvor-

hersage für den Atlantik.

Mathematische Modelle

Diese Modelle beschreiben Abläufe aus der Wirklichkeit

durch Gleichungen. Mit einer mathematischen Formel

kann man z. B. den Temperaturabfall eines heißen Kör-

pers, der Wärme an die Umgebung abgibt, modellieren.

Die Ergebnisse mathematischer Modellrech-

nungen werden in Diagrammen dargestellt.

Räumliche Modelle

Gelb und

Grün reprä-

sentieren

hohe Wellen.

Auf einen Blick

✓ Modelle helfen dabei, wissenschaftliche Vorstel-

lungen zu verstehen oder zu beschreiben.

✓ Mithilfe von Modellen können Vorhersagen

gemacht werden, die dann in Versuchen überprüft

werden können.

✓ In der Physik werden beschreibende, computer-

gestützte, mathematische, räumliche und dar-

stellende Modelle verwendet.

Kraftwerk

Raum-

temperatur

Zeit

Ein räumliches Modell stellt die dreidimensionale Anord-

nung von Objekten dar, z. B. wie die Bestandteile des Ohres

zusammenpassen. Dieses maßstabsgetreue Modell besitzt

nicht dieselbe Größe wie ein reales menschliches Ohr, aber

alle Teile haben die richtigen Größenverhältnisse zueinander.

Darstellende Modelle

Bei diesen Modellen werden komplexere reale Objekte

durch vereinfachte Formen und Symbole repräsentiert.

Dieser elektrische Schaltplan erklärt beispielsweise,

wie die Schaltung einer Taschenlampe funktioniert.

Äußeres

Ohr

Trommelfell

Innenohr

Batte-

rien

Schalter

Glühbirne

Temperatur

Wissenschaftlich arbeiten 17

Sicher arbeiten

Da bei Physikversuchen mit elektrischem Strom, sich bewegenden

Körpern und Hitze gearbeitet wird, besteht Verletzungsgefahr. Es

ist sehr wichtig, dass die Durchführung der Untersuchungen sicher

ist. Bitte halte dich an diese Vorsichtsmaßnahmen.

Schütze deine Augen

Spezielle ((Arbeits-))Brillen schüt-

zen deine Augen vor Flüssig-

keitsspritzern oder kleinen

Teilchen, z. B. Eisenfeilspä-

nen. Du solltest sie ebenfalls

beim Dehnen von Drähten oder

Federn aufsetzen, falls der Draht

reißt und dir ins Gesicht schlägt.

Schütze deine Füße

Bei manchen Versuchen

können dir Gewichte auf

die Füße fallen und dich

verletzen. Ein Karton mit

zerknülltem Papier fängt

das Gewicht auf und sorgt

dafür, dass deine Füße nicht am

falschen Platz sind.

Elektrischer Strom

Wenn du mit Strom arbeitest,

schalte ihn immer aus oder

ziehe den Stecker aus der

Steckdose, bevor du eine

Schaltung veränderst. Bitte

deinen Lehrer, die Schaltung

zu überprüfen, bevor du sie

anschaltest.

Bunsenbrenner

Wenn du einen Bunsenbrenner

benutzt, räume die Umgebung frei.

Binde offenes Haar und lockere

Kleidung zurück, damit sie nicht in

die Nähe der Flamme kommen. Lass

heiße Geräte abkühlen, bevor du sie

berührst oder benutze hitzebestän-

dige Handschuhe.

Wasser erhitzen

Vermeide beim Was-

sererhitzen Spritzer

auf der Haut. Wenn

du dich verbrannt

hast, halte die Haut-

stelle so schnell wie

möglich unter kaltes

fließendes Wasser.

Ausrutschen und

verschütten

Wenn du Wasser auf

dem Boden verschüt-

test, wisch es sofort

auf, damit niemand

darauf ausrutscht.

Gefahrstoffe

Einige wissenschaftliche Versuche

erfordern radioaktive Stoffe oder

gefährliche Chemikalien. Aus-

schließlich speziell dafür ausge-

bildete Personen mit geeigneter

Schutzkleidung sollten diese Substanzen handhaben.

Versuche mit gefährlichen Substanzen sollten nicht zu

Hause durchgeführt werden.

Vorsicht vor der Sonne

Bei Versuchen mit Licht

sieh niemals direkt in die

Sonne – dadurch könnten

deine Augen dauerhaft

geschädigt werden. Die

Gefahr ist bei Benutzung

von Ferngläsern oder einem

Fernrohr sogar noch größer.

18 Wissenschaftlich arbeiten

Versuchsplanung

Damit ein wissenschaftliches Experiment unter kontrol-

lierten Bedingungen abläuft, darf immer nur eine Mess-

größe verändert werden, damit man ihren Einfluss auf

eine andere Größe feststellen kann. Die Größe, die man

gezielt verändert, nennt man unabhängige Variable. Die

beeinflusste Größe ist die abhängige Variable und das,

was konstant gehalten wird, sind Kontrollvariablen.

Wärmedämmung untersuchen

Bei der wissenschaftlichen Methode überprüft man eine

Hypothese (Idee) durch ein Experiment. Luft ist z. B. ein

schlechter Wärmeleiter, woraus man die Hypothese bilden

könnte, dass Stoffe, die viel Luft enthalten, gute Dämmstoffe

sind. Zur Überprüfung der Hypothese könnte man einen Ver-

such wie den hier abgebildeten durchführen. Drei Becherglä-

ser mit heißem Wasser werden mit verschieden Materialien

gedämmt und während des Abkühlens wird die Wassertem-

peratur in regelmäßigen Abständen gemessen.

Die abhängige Variable ist die Wasser-

temperatur. Aus den Temperaturmessun-

gen kann man erkennen, ob eine Art der

Wärmedämmung besser als die anderen

Auf einen Blick

✓ Ein kontrollierter Versuch muss sorg-

fältig geplant werden.

✓ Die bei einem Versuch veränderlichen

Größen nennt man Variablen.

✓ Die unabhängige Variable ist die

Größe, die verändert wird.

✓ Die abhängige Variable ist die Größe,

die gemessen wird.

✓ Kontrollvariablen sind Größen, die für

einen kontrollierten Versuch konstant

gehalten werden.

Kontrollversuche

Das nicht isolierte Becherglas ist ein Kontroll-

versuch. Man kann dadurch die Temperatur-

änderung mit und ohne Wärmedämmung

vergleichen. Alle Unterschiede müssen auf

die unabhängige Variable zurückgehen, und

nicht auf Kontrollvariablen wie die Wasser-

menge oder die Becherglassorte.

ist. Wissenschaftler sammeln Daten durch

Messung der abhängigen Variable.

Thermometer

Die unabhängige

Zu den Kontrollvariablen

zählen die Wassermenge,

die Anfangstemperatur

und der Aufstellort. Sie

müssen für alle Becherglä-

ser gleich sein, um kontrol-

lierte Versuchsbedingun-

gen zu gewährleisten.

Variable ist die Art der

Wärmedämmung, die

man verändert, um

einen Effekt zu sehen.

Jedes Becherglas

mit heißem Wasser

hat eine andere Art

der Wärmedämmung

(oder auch keine).

Luftpolsterfolie

Fleece

Keine Dämmung

Wissenschaftlich arbeiten 19

Der Planungsprozess

Versuche sollten vor der Durchführung

immer sorgfältig geplant werden. Das

Wichtigste bei der Planung ist die Aus-

wahl der unabhängigen und der abhän-

gigen Variable. Wichtig ist außerdem zu

überlegen, welche Hilfsmittel benötigt

werden und wie eine sichere Durchfüh-

rung gewährleistet werden kann.

6. Überlege und notiere dir

die nötigen Sicherheits-

vorkehrungen. Bei

dieser Untersuchung

muss man vorsichtig

mit dem heißen

wischen, damit niemand

ausrutscht.

Wasser umgehen

und verschüttetes

Wasser direkt auf-

5. Plane die einzel-

nen Versuchsschritte

ganz genau. Wie oft

wird die Temperatur

gemessen? Wie lange

werden die Bechergläser

stehen gelassen? Welche Wasser-

menge wird verwendet und was ist

die Anfangstemperatur?

3. Überlege, welche

Variablen du konstant

halten musst, damit der

Versuch kontrolliert

ist. Das sind die

Kontrollvariablen. Die

Wassermenge in allen

Bechergläsern und

die Anfangstemperatur

müssen z. B. immer gleich

sein. Wenn du verschiedene

Dämmstoffe vergleichst, sollten

alle die gleiche Dicke haben.

4. Stelle eine Liste mit allen

benötigten Hilfsmitteln auf, ein-

schließlich der Messinstrumente.

1. Entscheide zuerst, welche Variable du

gezielt ändern willst. Das ist die unabhängige

Variable. Im Wärmedämmungsversuch ist

dies die Art des Dämmstoffs.

2. Wähle die Variable aus,

die du messen willst, um

einen Effekt zu sehen.

In unserem Versuch

ist die Wassertempe-

ratur die abhängige

Variable.

Daten sammeln

Bei allen Versuchen werden Daten gesammelt,

anhand derer man entscheidet, ob eine Hypothese

bestätigt wird oder nicht. Wichtig ist die genaue

Planung, wie und wann man Daten sammelt. Bei

diesem Experiment kann man durch die regel-

mäßige Temperaturmessung die Ergebnisse gut

in einer Messkurve darstellen. Das Diagramm hilft

sowohl dabei, mögliche Messfehler zu entdecken,

als auch eine Schlussfolgerung zu ziehen.

Luftpolsterfolie

Fleece

Keine Dämmung

Möglicher

Ablesefehler

Zeit

Temperatur

20 Wissenschaftlich arbeiten

Messungen

Bei den meisten Versuchen werden

physikalische Größen gemessen, z. B.

Temperatur, Volumen, Masse oder Zeit.

Um genaue Messwerte zur erhalten, sind

Messinstrumente nötig, die zur Größen-

ordnung der gemessenen Werte passen.

Länge und Weg

Verwende ein Maßband für größere

Längen, z. B. um die Gehgeschwin-

digkeit über 10 m zu bestimmen.

Verwende ein Lineal, um die Länge

kleiner Objekte zu bestimmen.

Volumen

Verwende Becherglä-

ser oder große Mess-

zylinder, um große

Flüssigkeitsvolumen

abzumessen.

Verwende einen

kleinen Mess-

zylinder für kleine

Flüssigkeitsmengen.

Dieser Federkraftmesser hat

eine steife Feder und ist für

Kräfte bis zu 50 N geeignet,

ist aber bei sehr kleinen

Kräften ungenau.

Dieser Federkraftmesser

hat eine dehnbarere

Feder und misst deshalb

kleinere Kräfte genauer.

Auf einen Blick

✓ Bei den meisten Versuchen werden physikalische

Größen gemessen, z. B. Temperatur, Volumen,

Masse oder Zeit.

✓ Messinstrumente, mit denen man große Werte

messen kann, sind meist bei kleinen Werten

ungenau.

Kraft

Bei einer zu großen Kraft

wird er beschädigt.

Zeit

Benutze eine Stoppuhr zum Messen von

Zeitspannen, die größer als 10 s sind.

Verwende einen elektro-

nischen Zeitmesser wie

diese Lichtschranke, um

sehr kleine Zeitintervalle

zu messen.

Elektronische Instrumente

Mit einem Digitalmultimeter

misst man Spannung, Strom-

stärke und Widerstand.

Obwohl elektronische Instrumente häufig genauer als Hand-

instrumente sind, sind sie nicht immer besser. Sie sind teurer

und werden leichter beschädigt, sodass sie nur in Versuchen

verwendet werden sollten, bei denen eine höhere Genauigkeit

erforderlich ist.

Die Messleitungen werden

mit Schaltungen verbunden.

Wissenschaftlich arbeiten 21

Signifikante Stellen

Die signifikanten Stellen einer Zahl sind die aussage-

kräftigen Ziffern. Genauere Messgeräte liefern Messwerte

mit mehr signifikanten Stellen. Beim Datensammeln oder

bei Berechnungen müssen wir Zahlen oft auf nur wenige

signifikante Stellen auf- oder abrunden.

Daten erfassen

Die Anzahl der signifikanten Stellen ist abhängig vom verwen-

deten Messinstrument. Ein Lineal mit Zentimeterskala liefert

weniger signifikante Stellen als eines mit Millimeterskala.

Digitale Messgeräte liefern oft mehr signifikante Stellen als

herkömmliche (Das bedeutet aber nicht notwendigerweise,

dass sie genauer sind.).

Auf einen Blick

✓ Genauere Messgeräte liefern Mess-

werte mit mehr signifikanten Stellen.

✓ Runde Lösungen beim Multiplizieren

oder Dividieren auf genau so viele sig-

nifikante Stellen wie der ungenaueste

Ausgangswert.

✓ Runde Lösungen beim Addieren

oder Subtrahieren auf genau so viele

Dezimalstellen wie der ungenaueste

Ausgangswert.

Taschenrechner

(1 signifikante Stelle)

Der Taschenrechner zeigt oft mehr signi-

fikante Stellen an, als sinnvoll ist. Beim

Berechnen des Widerstands einer Glühbirne

benutzt du die nachfolgende Formel. Die

Anzeigen des Voltmeters und des Ampere-

meters haben je drei signifikante Stellen.

8,12 V

1,04 A

Die Taschenrechnerantwort ist 7,8076923.

Die Antwort so aufzuschreiben, hieße, dass

du den Widerstand auf 8 signifikante Stellen

genau kennst. Doch da die Instrumente nur

auf 3 signifikante Stellen genau waren, sollte

deine Antwort auch nur so viele haben:

(2 signifikante Stellen)

Runde die Lösung beim Multiplizieren oder

Dividieren auf genau so viele signifikante

Stellen wie der ungenaueste Ausgangswert.

Runde die Lösung

beim Addieren oder

Subtrahieren auf genau

so viele Dezimalstellen

wie der ungenaueste

Ausgangswert.

7.8076923

22

Wissenschaftlich arbeiten

Daten darstellen

Unter Daten versteht man die Informationen, die man bei Versuchen

erhält. Sie bestehen oft aus Zahlen, wie z. B. Messwerten. Um sie besser

zu verstehen und Muster zu erkennen, ist es hilfreich, sie in Tabellen

oder Diagrammen darzustellen. Welcher Diagrammtyp am sinnvollsten

ist, hängt von der Art der Daten ab.

Tabellen

Tabellen sind nützlich zur Struktu-

rierung von Daten und für einfache

Berechnungen, z. B. des Mittelwerts.

In dieser Tabelle sind die Ergebnisse

eines Versuchs aufgeführt, bei dem

der Einfluss zusätzlicher Masse auf

einem Wagen auf die Beschleuni-

gung untersucht wurde.

Unabhängige

Variable

Zum Wagen

zugefügte

Masse (kg)

0,5

1,0

1,5

„Ausreißer“ kann man gut aus Tabellen ablesen. Sie verhalten sich ganz

anders als die anderen Messwerte und könnten Messfehler sein. Dieser

Wert wurde bei der Berechnung des Mittelwerts außer Acht gelassen.

Kreisdiagramme

Man verwendet Kreisdiagramme,

um prozentuale Anteile oder

Bruchteile darzustellen. In

diesem Kreisdiagramm sind

Schätzwerte für verschiedene

Hintergrundstrahlungsquellen

angegeben, denen die Menschen

weltweit ausgesetzt sind.

Säulendiagramme

Die Verwendung von Säulen-

diagrammen ist dann sinnvoll,

wenn die unabhängige Variable

aus diskreten (einzelnen) Kate-

gorien besteht. Dieses Säulen-

diagramm zeigt beispielsweise,

wie viel Energie Personen aus

verschiedenen Altersgruppen

täglich benötigen. Ein Säulen-

diagramm sollte auch dann

verwendet werden, wenn die

unabhängige Variable diskrete

Werte annimmt, wie z. B. die

Anzahl von Menschen oder

Objekten (immer ganzzahlig).

Nahrung, Getränke

und Wasser 9 %

Kosmische

Strahlung 13 %

Radon 42 %

Erdboden und

Gebäude 16 %

Medizinische Behand-

lungen 19,5 %

Weitere künstliche

Quellen, einschließlich

Atomwaffentests und

Kernkraftwerke 0,5 %

Abhängige Variable

Beschleunigung (m/s2

1. Fahrt

9,9

6,8

5,2

2. Fahrt

10,2

8,8

4,8

3. Fahrt

10,1

6,6

5,1

)

Mittelwert

10,1

6,7

5,0

Beschrifte

die Achse

und gib die

Einheit an.

Die abhängige Variable wird üblicher-

weise auf der y-Achse dargestellt.

12 000

8000

4000

Die unabhängige

0

Variable wird meist auf

der x-Achse dargestellt.

Alter 5

Alter 11

Alter 18

Altersklasse

Erwach-

sener

Mittlere benötigte

Energie (kJ)

Wissenschaftlich arbeiten

Stetige und diskrete Variablen

Diskrete Variablen können nur bestimmte Werte anneh-

men. So kann die Passagierzahl eines Flugzeugs nur

eine ganze Zahl sein und die Wärmedämmung um ein

Behältnis mit heißem Wasser kann nur aus bestimm-

ten Materialien bestehen. Dagegen kann eine stetige

Variable beliebige Werte annehmen und ist vielleicht

keine ganze Zahl. Länge und Gewicht sind beispiels-

weise stetige Variablen.

23

Diskrete Variable

Stetige Variable

Liniendiagramme

Liniendiagramme werden ver-

wendet, wenn auf beiden Ach-

sen sich stetig verändernde

Zahlenwerte anstatt diskrete

(getrennte) Kategorien aufge-

tragen sind. Liniendiagramme

sind besonders häufig, wenn

eine Variable die Zeit ist. Diese

Kurve stellt die Temperaturän-

derung von Eis bei Erwärmung

dar.

−6

−4

−2

0

2

4

6

8

Verbinde die Punkte

mit geraden Linien.

4

8

12

16

Zeit (min)

20

24

Die Zeit wird üblicher-

weise auf der x-Achse

aufgetragen.

28

Streudiagramme

Zur Untersuchung der Bezie-

hung zwischen zwei Variablen

benutzt man Streudiagramme.

Dieses Diagramm zeigt, wie

sich die Stromstärke durch

einen Widerstand bzw. durch

eine Glühbirne in Abhängigkeit

von der angelegten Spannung

ändert. Wenn sich beim Ein-

zeichnen der Datenpunkte ein

deutliches Muster ergibt, wie

beispielsweise eine Gerade,

sagt man, dass die Variablen

korreliert sind. In diesem Fall

zeichnet man eine Ausgleichs-

gerade oder Ausgleichskurve

durch die Punkte.

4

6

2

−10

−8

−6

−4

−2

−2

Zeichne eine Aus-

gleichsgerade durch

so viele Punkte oder in

ihre Nähe wie möglich.

−4

−6

2

4

6

8

Spannung (V)

Widerstand

Glühbirne

10

Temperatur (0

C)

Stromstärke (A)

24 Wissenschaftlich arbeiten

Datenmuster

Bei einigen Versuchen möchte man herausfinden,

ob es eine Beziehung zwischen zwei Variablen gibt.

Anders ausgedrückt: Wie beeinflusst die Verände-

rung der einen Variable die andere?

Korrelation

Zwei Variablen nennt man korreliert, wenn sie miteinander ver-

knüpft zu sein scheinen. Korrelationen kann man gut mit Streu-

diagrammen erkennen. Eine Korrelation zwischen zwei Variablen

bedeutet nicht, dass eine die Ursache für die andere ist. Eisver-

käufe und Badeunfälle sind z. B. positiv korreliert, doch der Grund

dafür ist, dass sowohl Eis als auch Baden bei heißem Wetter

beliebt sind, und nicht, dass Eisessen Badeunfälle verursacht.

Auf einen Blick

✓ Eine Korrelation liegt vor, wenn sich

bei Änderung einer Variablen die

andere ebenfalls ändert.

✓ Eine Korrelation beweist nicht, dass

eine Änderung die andere verursacht.

✓ Eine Beziehung zweier Variablen ist

linear, wenn die Punkte in einem Dia-

gramm eine Gerade ergeben.

✓ Eine proportionale Beziehung ergibt

eine Gerade durch den Ursprung.

Keine Korrelation

Die Datenpunkte sind zufällig

verteilt und ergeben kein

Muster. Es existiert keine Korre-

lation zwischen den Variablen.

Schwache Korrelation

Diese Punkte könnten um eine

Diagonale angeordnet sein. Die

große Streuung bedeutet aber,

dass sie nur schwach korreliert

sind.

Stark positive Korrelation

Die Punkte bilden eine Diago-

nale, aus der deutlich wird, dass

sich bei Vergrößerung der einen

Variable die andere ebenfalls

vergrößert.

Lineare und proportionale Beziehungen

Abhängig von ihrer Form können Kurven, bei denen eine Korrela-

tion erkennbar ist, weitere Beziehungen offenbaren.

Stark negative

Korrelation

Die durch die Punkte gebildete

Gerade zeigt, dass bei Vergröße-

rung der einen Variable die andere

kleiner wird.

1

y

x

Linear

Eine Korrelation, bei der die

Punkte auf einer Geraden lie-

gen, bezeichnet man als linear.

Proportional

Liegen die Punkte auf einer Gera-

den durch den Ursprung (x und y

beide Null), bezeichnet man dies

als proportionale Beziehung, d. h.

dass sich bei Verdopplung einer

Variablen die andere ebenfalls

verdoppelt.

Umgekehrt proportional

Bei einer umgekehrt propor-

tionalen Beziehung wird eine

Variable halbiert, wenn man die

andere verdoppelt. Dies ergibt

eine gekrümmte Kurve.

Überprüfung

Zur Überprüfung, ob eine

Beziehung umgekehrt

proportional ist, trägt man die

eine Variable über dem Kehr-

wert (1 durch den Wert) der

anderen auf. Es sollte sich eine

Ursprungsgerade ergeben.

Wissenschaftlich arbeiten 25

Schlussfolgerungen

In der Schlussfolgerung zu einem Versuch

beschreibt man, was man herausgefunden

hat, wie man die Ergebnisse interpretiert

und ob der Versuchsausgang mit der

Vorhersage übereinstimmt.

Ein Versuch zur Elektrizität

Drei Schüler führen einen Versuch zur Über-

prüfung der Vorhersage durch, dass der Strom

durch eine Glühbirne proportional zur anliegen-

den Spannung ist. Mit einem Amperemeter zur

Stromstärkemessung und einem Voltmeter zur

Spannungsmessung an der Glühbirne erhielten

sie die im Diagramm dargestellten Ergebnisse.

Ihre Schlussfolgerungen sind unten aufgeführt.

Schlussfolgerung 1

„Der Strom steigt tatsächlich

mit steigender Spannung

an. Also war die Vorhersage

richtig.“

0,2

0,3

0,4

0,5

0,1

0

0

1

2

3

Spannung (V)

4

Schlussfolgerung 2

„Der Strom steigt mit stei-

gender Spannung an, aber die

Kurve ist gekrümmt. Eine pro-

portionale Beziehung müsste

eine Gerade ergeben, daher ist

die Vorhersage falsch.“

Eine falsche Schlussfolgerung

Die Beschreibung ist nicht sehr

ausführlich und das Diagramm

zeigt keine proportionale Bezie-

hung, bei der sich eine Gerade

ergeben würde.

Eine bessere Schlussfolgerung

Die Beschreibung ist ausführ-

licher und die abschließende

Folgerung ist korrekt.

Schlussfolgerung 3

„Das Diagramm zeigt, dass

der Strom mit der Spannung

ansteigt. Bei niedrigeren

Spannungen könnte die

Beziehung proportional sein,

da die ersten Messpunkte auf

einer Geraden liegen. Jedoch

wird bei höheren Spannun-

gen der Stromzuwachs bei

jeder Spannungssteigerung

kleiner. Daraus ergibt sich,

dass der Widerstand ansteigt.

Die Vorhersage war teilweise

richtig, da der Strom mit stei-

gender Spannung ansteigt,

doch die Beziehung ist nicht

proportional.“

Eine hervorragende

Schlussfolgerung

Diese Beschreibung ist

sehr viel ausführlicher. Die

Schülerin hat ihr Wissen

über den Zusammen-

hang zwischen Strom-

stärke, Widerstand und

Spannung benutzt, um eine

mögliche Ursache für die

Formänderung der Kurve

vorzuschlagen.

Stromstärke (A)

26 Wissenschaftlich arbeiten

Genauigkeit und

Auf einen Blick

Präzision

Bei der Planung und Auswertung eines Versuches muss

man sich Gedanken über Genauigkeit und Präzision der

Messungen machen. Die Begriffe „genau“ und „präzise“

haben in der Naturwissenschaft spezielle Bedeutungen.

Genau oder präzise?

Eine Messung wird als genauer angesehen, wenn sie näher am

tatsächlichen Messwert liegt als andere Messungen. Sie ist

präzise, wenn mehrmaliges Wiederholen der Messung exakt

gleiche oder sehr nahe beieinander liegende Messwerte liefert.

Zum Verständnis des Unterschieds ist es hilfreich, wenn man

sich die Messungen als Würfe auf eine Dartscheibe vorstellt.

✓ Genaue Messungen liegen nahe beim

tatsächlichen Messwert.

✓ Präzise Messungen ergeben densel-

ben (oder einen sehr ähnlichen) Wert

bei Wiederholung der Messung.

✓ Messfehler können zufällig oder

systematisch sein.

Der Mittelpunkt der Dart-

scheibe repräsentiert den

tatsächlichen Messwert.

Ungenau und unpräzise

Die Messungen sind ungenau,

weil sie nicht in der Nähe

des Mittelpunkts liegen, und

unpräzise, weil sie nicht nahe

nebeneinander liegen.

Präzise, aber ungenau

Diese Messungen sind präzise,

da sie alle in der Nähe eines

Werts liegen, doch ungenau,

da sie nicht in der Nähe der

Mitte liegen.

Genau, aber unpräzise

Diese Werte liegen um den

Mittelpunkt herum, aber nicht

nahe beieinander. Daher sind

sie genau, aber unpräzise.

Genau und präzise

Diese Messungen sind sowohl

genau als auch präzise.

Messfehler

0,5

Systematische Fehler

Die Genauigkeit einiger Messinstru-

mente hängt von der Benutzung ab. Bei

Waagen sollte der Nullpunkt immer mit

einem Gefäß eingestellt werden, damit

man nur die Masse des Inhalts bestimmt.

Wenn eine Waage nicht richtig austariert

ist, weichen alle Messungen um den-

selben Betrag ab. Dies nennt man einen

systematischen Fehler, der die Genauig-

keit der Messungen verringert.

Dies sollte Null anzeigen,

wenn das Becherglas leer ist.

Zufällige Fehler

Zufällige Fehler sind bei jeder

Messung unterschiedlich groß.

Wenn man z. B. die Wasser-

temperatur in einem Becherglas

misst, könnte das Thermometer

bei jedem Eintauchen in einen

anderen Wasserbereich einen

etwas anderen Wert anzeigen.

Dies verringert die Präzision der

Messung.

Wissenschaftlich arbeiten 27

Evaluation

Experimente werden häufig bewertet, um zu entscheiden, ob und wie vertrauenswür-

dig die Ergebnisse sind. Ein Versuch muss gültig und kontrolliert sein und die Schluss-

folgerungen müssen auf qualitativ hochwertigen Daten beruhen. Eine Evaluation

könnte auch Vorschläge für eine Verbesserung der Untersuchungsmethode ergeben.

Ist das Experiment gültig?

Ein Experiment ist gültig, wenn man alle

diese Fragen mit Ja beantworten kann.

War es kontrolliert?

Wurden alle Variablen

außer der unabhängigen

Variablen und der abhängi-

gen, die gemessen wurde,

konstant gehalten?

Ist es reproduzierbar?

Wenn eine andere Person

das Experiment mit ande-

ren Hilfsmitteln durchführt,

erhält sie dieselben

Ergebnisse?

Ist es wiederholbar?

Wenn dieselbe Person das

Experiment mit denselben

Hilfsmitteln wiederholt,

erhält sie dieselben

Ergebnisse?

Wurde die Hypothese

überprüft?

Wurde eine Vorhersage aus

der Hypothese abgeleitet?

War das Experiment zur

Überprüfung der Hypo-

these gut geeignet?

Datenqualität

Gute Daten sind genau und präzise. Man kann die Datenqualität durch Wiederholung eines

Experiments beurteilen, doch manchmal reicht es, die Ergebnisse sorgfältig zu betrachten. Die

nachfolgenden Diagramme stammen von einem Versuch, bei dem die Verlängerung einer Feder

bei verschiedenen angehängten Gewichten gemessen wurde.

Gewicht

Gewicht

Die Datenpunkte streuen um die Aus-

gleichsgerade. Die Daten sind nicht präzise.

Da die Punkte näher an der Geraden liegen,

sind die Daten präzise. Jedoch sollte die

Verlängerung ohne Gewicht Null sein und

die Gerade durch den Ursprung verlaufen.

Ursache für die ungenauen Daten könnte

ein systematischer Fehler (s. S. 26) sein.

Gewicht

Diese Daten kommen der Ausgleichsge-

raden sehr nahe und die Gerade geht wie

erwartet durch den Ursprung. Diese Daten

sind sowohl genau als auch präzise.

Verlängerung

Verlängerung

Verlängerung

28 Wissenschaftlich arbeiten

Mathematische

Auf einen Blick

Modelle

Mathematische Modelle verwenden Gleichungen, um

Abläufe in der Wirklichkeit zu beschreiben. Manchmal

kann man mathematische Modelle aus einer Mess-

kurve ableiten. Oder man benutzt Gleichungen, um ein

Ergebnis vorherzusagen.

Lineare Gleichungen

Wenn sich aus einer Beziehung

zwischen zwei Variablen in einem

Diagramm eine Gerade ergibt,

nennt man die Beziehung linear.

Lineare Beziehungen können

durch Gleichungen wie diese

Dieses Diagramm zeigt beispiels-

weise die Längenänderung einer

Feder bei verschiedenen ange-

hängten Gewichten. Wenn man die

ursprüngliche Länge der Feder und

die Steigung der Geraden kennt,

kann man das Diagramm oder die

Gleichung benutzen, um die Feder-

länge für jedes beliebige Gewicht

zu berechnen.

Gleichungen umstellen

✓ Mathematische Modelle verwenden

Gleichungen, um Abläufe in der Wirk-

lichkeit zu beschreiben.

✓ Mithilfe mathematischer Modelle kön-

nen Messkurven beschrieben werden.

✓ Zur Bestimmung bestimmter Größen

können Gleichungen umgestellt

werden.

Die Gerade kann durch folgende Gleichung

(Federkonstante · Gewicht) + ursprüngliche Länge.

Ursprüngliche Länge der Feder

0

0

Gewicht (N)

Manchmal muss man eine Gleichung umstel-

len, bevor man eine Berechnung durchführt.

Kraft bei bekannter Masse und Beschleuni-

gung berechnet. Doch was, wenn man die

Kraft kennt und die Beschleunigung berech-

nen soll? Dann muss man die Formel nach a

auflösen. Dies erreicht man, indem man beide

Seiten durch m dividiert. Denk daran, dass

man denselben Rechenschritt immer auf bei-

den Seiten der Gleichung durchführen muss.

2.

F

m

3.

m

4. F

m

m

m · a

m

F

m

Dividiere beide

Seiten durch m.

Die beiden m

können gekürzt

werden.

Länge (m)

Wissenschaftlich arbeiten 29

Normdarstellung

Der Saturn ist ca. 1 400 000 000 000 Meter von der Sonne entfernt. Ein

Bakterium hat einen Durchmesser von ca. 0,000 001 Metern. Man macht bei

Zahlen mit so vielen Nullen leicht Rechenfehler, daher vereinfacht man sie zur

sogenannten Normdarstellung. Dabei wird eine lange Zahl als viel kürzere Zahl

(von 1 bis 9) mit einer Zehnerpotenz multipliziert. Um die Zehnerpotenz zu

bestimmen, zählt man, wie oft das Dezimalkomma verschoben werden muss.

So oft wird das Dezimalkomma

verschoben.

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Der zweite Teil ist

eine Zehnerpotenz.

Der erste Teil ist eine Zahl

mit nur einer Ziffer vor dem

Dezimalkomma.

m

1 2 3 4 5 6

Prozentangaben berechnen

Eine Prozentangabe ist die Darstellung einer Zahl als Bruchteil von

100. Um einen beliebigen Bruch in eine Prozentangabe umzurechnen,

berechnet man den Bruch mit einem Taschenrechner, multipliziert

das Ergebnis mit 100 und fügt ein Prozentzeichen hinzu. Beispiel: Eine

30-Watt-Lampe wandelt 18 Watt Leistung in Licht um und gibt die ande-

ren 12 Watt als Wärme ab. Wie groß ist der Wirkungsgrad in Prozent?

Wirkungs-

grad (%)

nutzbringende Leistung (W)

gesamte zugeführte Leistung (W)

18 W

30 W

· 100

0,6 · 100

60 %

· 100

Das Minuszeichen zeigt an,

dass das Dezimalkomma

nach rechts gewandert ist.

m

0,6

30 Wissenschaftlich arbeiten

SI-Einheiten

Wissenschaft ist international. Forscher

aus vielen Ländern arbeiten gemeinsam

an denselben Problemen. Daher ist es hilf-

reich, wenn alle dieselben Maßeinheiten

benutzen. Auf der ganzen Welt wird das

internationale Einheitensystem (SI, frz.

Système International) verwendet.

Basiseinheiten

Alle SI-Einheiten basieren auf wenigen Basis-

einheiten. Die fünf Basiseinheiten, die in

diesem Buch verwendet werden, sind in der

nachfolgenden Tabelle aufgeführt:

Größe

Zeit

Länge

Masse

Stromstärke

Temperatur

SI-Basiseinheit

Sekunde

Meter

Kilogramm

Ampere

Kelvin

Ein Temperaturunterschied von 1 K

ist genauso groß wie 1 °C, aber die

Kelvin- und die Celsiusskala begin-

nen bei verschiedenen Punkten.

Präfix

SI-Präfixe

Meter ist keine ver-

nünftige Einheit für den

Durchmesser eines

Atoms oder die Entfer-

nung zum Mars. Des-

halb stellt man Vorsätze

(Präfixe) vor die Basis-

einheiten, um größere

oder kleinere Einheiten

zu bilden.

Nano (n)

Mikro (μ)

Milli (m)

Zenti (c)

Kilo (k)

Mega (M)

Giga (G)

Tera (T)

Symbol

s

m

kg

A

K

Abgeleitete Einheiten

Die meisten SI-Einheiten sind aus den Basis-

einheiten abgeleitet. Beispielsweise basiert die

Einheit für die Fläche (m2

Größe

Fläche

Volumen

Geschwindigkeit

Beschleunigung

Frequenz

Kraft

Impuls

Druck

Energie

Leistung

Ladung

Potenzialdifferenz

(Spannung)

Widerstand

Multipliziert mit

10−9

10−6

10−3

10−2

103

106

109

1012

) auf dem Meter.

SI-Einheit

Quadratmeter (m2

Kubikmeter (m3

)

Meter pro Sekunde (m/s)

Meter pro Sekunde im

Quadrat (m/s2

)

Hertz (Hz)

Newton (N)

Kilogramm mal Meter pro

Sekunde (kg m/s)

Pascal (Pa)

Joule (J)

Watt (W)

Coulomb (C)

Volt (V)

Ohm (Ω)

Beispiel

1 Hz =1 pro

Sekunde

)

Energie

32

Energie

Energie

Energie ist die Fähigkeit, etwas gesche-

hen zu lassen. Sie bewegt unsere Arme

und Beine, lädt das Handy, versorgt den

Fernseher mit Strom und lässt die Sonne

scheinen. Energie liegt in verschiedenen

Formen vor und kann zwischen diesen

Energieformen umgewandelt werden. Sie

kann aber niemals vernichtet werden.

Auf einen Blick

✓ Energie kann in vielen verschiedenen Formen

vorhanden sein.

✓ Energie kann von einer Energieform in eine ande-

ren umgewandelt werden.

✓ Energie kann nicht vernichtet werden.

✓ Bewegungsenergie heißt auch kinetische Energie.

Licht überträgt Energie

von einer Glühbirne

auf die Umgebung.

Je schneller der

Roboter geht,

umso größer ist

seine kinetische

Energie.

Energieformen

Energie kann in verschiedenen Formen

vorhanden sein. Die Energie eines Körpers

in Bewegung nennt man kinetische Energie.

Je schneller sich ein Körper bewegt, umso

größer ist seine kinetische Energie.

Energieumwandlung

Energie kann von einer Energieform in eine

andere überführt werden. Wenn man eine

Lampe einschaltet, überträgt die Glühbirne

Energie in Form von Licht und Wärme an die

Umgebung.

Energie 33

Energie und Nahrung

Unsere Nahrung versorgt unseren Körper mit Energie. Die

Energiemenge in Nahrungsmitteln wird in der Einheit Kilojoule

gemessen.

Energie in verschiedenen Lebensmitteln

Verschiedene Lebensmittel speichern verschiedene Energiemen-

gen. Manchmal wird diese Energie in Kalorien angegeben, aber

die wissenschaftliche Einheit für Energie ist Joule. Da Lebens-

mittel Tausende Joule enthalten, verwenden wir als Einheit Kilo-

um die Energie in verschiedenen Lebensmitteln zu verbrauchen.

Auf einen Blick

✓ Die wissenschaftliche

Einheit für Energie ist

Joule (J).

✓ Die Energie in Lebensmit-

teln wird oft in Kilojoule

✓ Der tägliche Energiebedarf

einer Person hängt von

Alter, Größe und körper-

licher Aktivität ab.

Energie in 100 g für verschiedene Lebensmittel

Brokkoli

130 kJ (31 Kalorien)

Apfel

180 kJ (43 Kalorien)

Banane

400 kJ (96 Kalorien)

Brot

1040 kJ (249 Kalorien)

Pizza

1400 kJ (335 Kalorien)

Milchschokolade

2200 kJ (526 Kalorien)

0

10

Laufzeit in Minuten

30

20

Energie und Bewegung

Ein Erwachsener benötigt täglich im Durchschnitt

etwa 10 000 kJ, doch dieser Wert ist bei jedem und an jedem

Tag verschieden. Im Allgemeinen braucht jemand umso mehr

Energie, je mehr Masse er hat – deshalb brauchen Erwach-

sene mehr als Kinder. Wie viel Energie der Körper braucht,

hängt auch davon ab, wie viel man sich körperlich bewegt.

40

50

Spazieren gehen

800–1700 kJ

pro Stunde

Schwimmen

1200–3000 kJ

pro Stunde

1900–4000 kJ

pro Stunde

Joggen

34 Energie

Energieformen

Energie ist in verschiedenen Formen in unter-

schiedlichen Objekten gespeichert, z. B. als

kinetische Energie eines fahrenden Autos oder als

Lageenergie eines Turmspringers. Wenn sie die

Form ändert, nennt man das Energieumwandlung,

und wenn sie von einem Objekt auf ein anderes

übergeht, nennt man das Energieübertragung.

Thermische Energie

Wenn Energie in heißen Objekten gespei-

chert ist, wird dies als Wärmeenergie oder

thermische Energie bezeichnet. Erhitzt man

Wasser für Tee oder Kaffee, nimmt seine

thermische Energie zu.

Auf einen Blick

✓ Energie tritt in verschiedenen Formen auf,

darunter thermische Energie, chemische Energie,

Lageenergie, kinetische Energie, elastische

Energie und Kernenergie.

✓ Energie kann von einer Form in eine andere umge-

wandelt und von einem Objekt auf ein anderes

übertragen werden.

Kinetische Energie

Ein Körper, der sich bewegt, besitzt

kinetische Energie. Je schneller er sich

bewegt oder je größer seine Masse ist,

umso höher ist seine kinetische Energie.

Chemische Energie

Die Energie, die in chemischen Bindun-

gen gespeichert ist, heißt chemische

Energie, z. B. die in Batterien und

Lebensmitteln gespeicherte Energie.

Spreng- und Brennstoffe speichern

große Mengen an chemischer Energie,

die bei der Verbrennung zu thermischer

Energie wird.

Kernenergie

Die Energie, die im Inneren von Atomen

gespeichert ist, nennt man Kern- oder

Atomenergie. Kernreaktoren, Atom-

bomben und die Sonne werden durch

diese Form von gespeicherter Energie

angetrieben.

Elastische Energie (potenzielle Energie)

Wenn man ein Gummiband auseinander-

zieht oder eine Feder zusammendrückt,

speichern sie elastische Energie, bis man

sie wieder loslässt. Auch beim Quetschen

oder Verdrehen von Körpern wird in ihnen

elastische Energie gespeichert.

Lageenergie (potenzielle Energie)

Objekte oder Personen, die auf eine

erhöhte Position gebracht werden, spei-

chern Lageenergie. Wenn ein Turmsprin-

ger herunterspringt, wird seine Lageener-

gie in kinetische Energie umgewandelt.

Wasserkraft

Wasserkraftwerke nutzen Lageenergie zur Stromerzeu-

gung. Man baut einen Staudamm, der einen Fluss in

einem Tal staut. So entsteht ein tiefer künstlicher See.

Wasser aus dem See fließt durch Rohre im Damm ins

Tal und bringt dabei Turbinen genannte Maschinen

dazu, sich zu drehen und Stromgeneratoren anzutrei-

ben. In den Turbinen wird Lageenergie in kinetische

Energie und schließlich in elektrische Energie umge-

wandelt, die unsere Haushalte mit Strom versorgt.

Energie 35

Energieübertragung

Wenn man das Licht anschaltet, Fahrrad fährt, Essen

kocht oder überhaupt etwas tut, überträgt man Energie

von einen Körper zum anderen und wandelt dabei oft

ihre Form um. Alles, was geschieht, beruht auf Energie-

übertragungen und Energieumwandlungen.

Energieübertragung durch Erhitzen

Beim Erhitzen eines Körpers wird Energie in Form von Wärme auf

ihn übertragen. Dadurch wird er entweder wärmer oder ändert

seinen Aggregatzustand. Hier wird chemische Energie, die im

Brennstoff gespeichert ist, in Wärmeenergie umgewandelt und

an das Wasser im Kessel übertragen. Das heiße Wasser kühlt

schließlich ab, weil Energie entweicht, doch die Gesamtenergie-

menge von Brennstoff, Gaskocher, Kessel, Wasser und Umge-