Unterrichtsmaterial: Filme Physik

Ein Gegenstand mit einer hohen Dichte wird bei verhältnismäßig kleiner Masse als schwer empfunden. Hat man drei Würfel, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen und dasselbe Gewicht haben, so sind sie von unterschiedlicher Größe. Das Verhältnis von Masse zu Volumen eines Gegenstands dient als Ableitung für die Definition der Dichte. Es wird gezeigt, wie sich die Dichte von Körpern auswirkt, wenn man sie verschiedenen Elementen aussetzt. Hat ein Körper etwa eine geringere Dichte als ein vergleichbares Volumen an Wasser, so schwimmt er an der Oberfläche. Bläst man einen Luftballon auf, fällt er zu Boden. Seine Dichte ist die Dichte der Luft zuzüglich der des Ballons, daher ist er insg...hier weiterlesen

Produktion: 2014

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Schon viele große Fortbewegungsmittel wie Loks, Kräne und Straßenbahnen, aber auch kleine Geräte wie DVD-Player oder Spielzeug werden mit Elektromotoren angetrieben. Sie gelten auch als Zukunft im Individualverkehr, also bei Autos und Rädern. Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Der Film erklärt die Funktionsweise und gibt zu bedenken, dass die mobile Stromversorgung noch ein Problem ist. Im Elektromotor muss dafür gesorgt werden, dass der sogenannte Anker, eine Spule, durch die Gleichstrom fließt, in einem Magnetfeld rotiert. Wie dies mittels eines Kommutators möglich ist, wird Schritt für Schritt gez...hier weiterlesen

Produktion: 2014

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Die Kraft ist eine vektorielle Größe, wenn sie eine Kraft mit einer Richtung ist. Kräfte haben je nach Angriffspunkt unterschiedliche Wirkungen. Wenn gleich mehrere Kräfte auf nur einen Angriffpunkt wirken, spielen die Richtungen eine Rolle: Wirken zwei Kräfte in dieselbe Richtung, addieren sie sich. Bei einer gegenläufigen Wirkung subtrahieren sie sich. Kräfte gleicher Größe heben sich auf. Es wird erklärt, wie mit dem Parallelogramm der Kräfte die Resultierende aus zwei Einzelkomponenten errechnet wird. Es wird eine Resultierende berechnet und eine eventuelle weitere Kraft hinzugefügt, wenn mehrere Kräfte zusammenkommen. So erhält man die Gesamtresultierende. Aus einer Resultierenden, e...hier weiterlesen

Produktion: 2013

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Eine Spule mit einem Kern, der aus ferromagnetischem Stahl besteht, ist ein Elektromagnet. Der Kern wird Eisenkern genannt, auch wenn er nicht aus Eisen ist. Wenn Strom an den Elektromagneten angelegt wird, erzeugt er ein Magnetfeld. Es gibt viele verschiedene Bereiche, in denen Elektromagneten eingesetzt werden, etwa die Magnetresonanztherapie, Teilchenbeschleuniger oder auch Schrottplätze. Man kann Starkstromkreise mit einem Relais steuern, wenn man einen Elektromagneten hat, dessen Stromzufuhr unterbrochen werden kann. Ein Anker aus Metall, der mit dem Starkstromkreis verbunden ist, wird direkt neben dem Elektromagneten angebracht. Fließt Strom, wird der Anker durch das entstehende Mag...hier weiterlesen

Produktion: 2013

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Das Hebelgesetz stammt von Archimedes. Ist an beiden Armen eines Hebels das Produkt aus Kraft mal Kraftarm gleich, herrscht ein Gleichgewicht, solange die Kräfte im rechten Winkel wirken. Multipliziert man die Länge des Kraftarms mit der auf ihn einwirkenden Kraft, ergibt sich daraus das Drehmoment, dessen internationale Einheit Newtonmeter sind. Bei einem ausgeglichenen rechts- und linksdrehenden Drehmoment befindet sich ein frei beweglich aufgehängter Körper im Gleichgewicht. Mit nur einem Zehntel der Kraft kann ein Körper bewegt werden, wenn der Hebel daran zehn Mal so lang ist wie der Körper selbst. Bei Schiffsrudern und auch bei Fahrrädern werden diese Gesetze praktisch angewendet: H...hier weiterlesen

Produktion: 2013

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Es besteht ein Zusammenhang zwischen Magnetismus und Elektrizität. Fließt Strom durch einen Draht, erzeugt er ein Magnetfeld, in dem ein Wirbelfeld entsteht: Die Feldlinien bilden ohne Pole geschlossene Kreise. Bei einem gebogenen Draht ist das Magnetfeld stärker als bei einem geraden, und um ein Vielfaches stärker ist es bei einem zur Spule aufgedrehten Draht. Das Magnetfeld ist anders als beim Stabmagneten auch im Inneren der Spule vorhanden. Hier verschmelzen die einzelnen Magnetfelder miteinander und bilden Pole. Legt man einen Eisenkern in die Spule und schaltet den Strom ein, kann die magnetische Kraft der Spule um das Zehntausendfache verstärkt werden. Der Eisenkern kann trotz sein...hier weiterlesen

Produktion: 2012

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Mechanische Energie kann durch die elektromagnetische Induktion in elektrische Energie umgewandelt werden. Anhand des Beispiels einer im elektrischen Feld aufgehängten Leiterschleife demonstriert der Film diesen Vorgang. Das entstehende Elektronenungleichgewicht ruft eine elektrische Spannung hervor. Plus- und Minuspol wechseln, wie man an der Sinuskurve bei der Messung der Spannung erkennen kann. Ein Kommutator oder Polumwandler macht eine pulsierende Gleichspannung aus dieser Wechselspannung. Generatoren erzeugen Energie aus mechanischer Drehbewegung – so funktionieren Windräder. Ein Energiesatz lautet, dass Generatoren nur so viel elektrische Energie erzeugen können, wie sie mechanisch...hier weiterlesen

Produktion: 2013

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Die konvexe Wölbung eines Teelöffels verzerrt das Spiegelbild. Ist die Wölbung konkav, ist das Bild nicht nur verzerrt, sondern steht auch noch auf dem Kopf. Im Krümmungsmittelpunkt ist zwar auch bei Hohlspiegeln der Einfallswinkel der Strahlen auch gleich der Ausfallswinkel, gleichzeitig werden sie aber durch den Brennpunkt konzentriert und reflektiert. Die Strahlen laufen also parallel zur optischen Achse. Brennpunkt und Krümmungsmittelpunkt beim Wölbspiegel liegen hinter dem Spiegel. Der Brennpunkt scheint hier der Ausgangspunkt der achsenparallelen Strahlen. Der Film erläutert die Reflexionsgesetze und erklärt, wieso Verzerrungen auftreten. Der Brennpunkt wird definiert, die Berechnun...hier weiterlesen

Produktion: 2013

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Ein Hebel ist ein starrer Stab, der sich um einen festen Punkt drehen kann und als mechanischer Kraftwandler fungiert. Der Teil zwischen dem Drehpunkt und dem Krafteinwirkungspunkt heißt Kraftarm. Wirken auf beide Kraftarme dieselben Kräfte, ist der Hebel ausgeglichen. Greifen unterschiedliche Kräfte an, müssen die Kraftarme für einen Ausgleich verschieden lang sein.Der Film zeigt, wie Hebel als einfache Maschinen funktionieren. Er erklärt das Hebelgesetz und verdeutlicht, dass bei einem doppelt so langen Kraftarm nur die Hälfte der Energie gebraucht wird. Es werden Beispiele für Hebel im Alltag gegeben: Einarmige Hebel etwa sind Schubkarren, einar...hier weiterlesen

Produktion: 2013

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Wirkt eine Kraft auf einen Gegenstand, kann dieser dadurch bewegt, verformt oder zerstört werden. Die Kräfte werden unterschieden in die Berührung, die Erdanziehungskraft und die Gravitation. Die Stärke der Reaktion richtet sich nach der Stärke der einwirkenden Kraft. Der Film stellt die Spiralfeder mit Skala als einen in der Physik eingesetzten Kraftmesser vor und nennt die Maßeinheit, in der Kraft gemessen wird: Ein Newton ist die Kraft, die man braucht, um einen Gegenstand, der ein Kilogramm schwer ist, auf eine Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde zu beschleunigen. Diese Kraft hat eine Richtung und ist daher eine vektorielle Größe. Um d...hier weiterlesen

Produktion: 2013

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Die Wirkung von Magnetfeldern auf bewegliche Elektronen wird als die Lorentzkraft bezeichnet. Der Film erklärt sie anhand einer Leiterschaukel, die in einem Hufeisenmagnet aufgehängt ist. Legt man Strom an die Leiterschaukel an, versetzt er die Elektronen im Inneren in Bewegung. Ihr Magnetfeld ist kreisförmig. Die Leiterschaukel befindet sich aber im Magnetfeld des Hufeisenmagnets, und so verschmelzen die beiden Magnetfelder, wobei die Feldlinien gekrümmt und zusammengedrückt werden. Ihre Tendenz zur Begradigung wirkt sich als Kraft auf die Elektronen und den Leiter aus; sie ist die Lorentzkraft. Sie wirkt senkrecht auf die Bewegungsrichtung der Elektronen und die Feldlinien des Hufeisens...hier weiterlesen

Produktion: 2013

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Mikroskope, Brillen und Lupen sind optische Geräte. Sie nehmen Einfluss auf den Verlauf von Lichtstrahlen, die durch Linsen fallen. Unsere Augen haben Sammellinsen, bei denen die Brennweite, die Gegenstandsweite und die Bildweite in direktem Zusammenhang stehen. Die Größe des Auges ändert sich nicht, die Entfernung zum Gegenstand aber schon. Daher muss auch die Brennweite der Linse verändert werden, was durch Muskeln getan wird. Ein Verlust der Sehschärfe kann durch weitere Linsen wie Brillen oder Lupen ausgeglichen werden. Die Lupe, die eine Konvexlinse aufweist, kann ein Bild bis zu 15 Mal vergrößern. Gibt es wie im Mikroskop zwei Sammellinsen, ...hier weiterlesen

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Linsen bestehen aus Glas oder aus Kunststoff. Sie sind transparent und brechen das Licht. Mindestens eine ihrer Oberflächen ist gewölbt. Ist eine Linse in der Mitte dicker als am Rand, ist sie konvex, eine sogenannte Sammellinse. Ist sie am Rand dicker als in der Mitte, ist sie konkav, eine Zerstreuungslinse. Der Film erklärt die Strahlentypen der verschiedenen Linsen. Die Sammellinse, die auch Brennglas genannt wird, sammelt Wärme und Licht. Mit einem Modell aus Prismen wird der Brennpunkt erklärt. Die Entfernung zwischen der Linsenachse und dem Brennpunkt ist die Brennweite. Je kürzer sie ist, desto stärker ist die Brechkraft. Der Film erläutert, was achsenparallele Lichtstrahlen, Mitte...hier weiterlesen

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Trifft ein Lichtstrahl auf eine spiegelnde Oberfläche, wird er im selben Winkel davon reflektiert, zumindest, wenn die Oberfläche ganz glatt ist. Bei Glas und vielen Metallen ist eine regelmäßige Reflexion möglich. Auch glatte Kunststoffe werden neben diesen Materialien zur Spiegelproduktion verwendet. Die Begriffe Einfallslot, Einfallswinkel, Ausfallswinkel und Reflexionsebene werden erklärt. Der Film nennt das Reflexionsgesetz, nach dem der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel ist. Einfallslot, Einfallswinkel und reflektierender Strahl liegen bei der Reflexion am ebenen Spiegel in der Reflexionsebene. Unsere Wahrnehmung erzeugt das Spiegelbild, indem sie die Strahlen bis zu ihrem th...hier weiterlesen

Produktion: 2013

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Schwere Lasten können mithilfe von Rollen und Flaschenzügen viel einfacher gehoben werden. Der Film zeigt einen Brunnen: Wer hier einen Eimer heraufzieht, muss viel Kraft aufwenden. Befestigt man das Seil an einem drehbaren oder festen Stock, stört die Reibungsenergie. Diese fällt weg, wenn das Seil über eine Rolle geführt wird. Bei einer hängenden Einzelrolle wird die Kraft eines an einem Ende befestigten Gegenstands auf zwei Seile verteilt: Am anderen Ende muss man nur noch die halbe Kraft aufwenden, um einen Gegenstand zu heben, auch wenn das Ziehen länger dauert. Um mehr Kraft zu sparen, können weitere Rollen hinzugefügt werden, was aber auch umständlich sein kann. Der Flaschenzug hat...hier weiterlesen

Produktion: 2013

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Man unterscheidet die Energie in drei Arten, und zwar die elektrische, die mechanische und die thermische. Die Bezeichnung 'Enregieverbrauch' ist irreführend, denn tatsächlich wird Energie nicht verbraucht, und erzeugt wird sie auch nicht. Mit dem Energieerhaltungssatz wird erklärt, dass man sie nur umwandeln kann und dass sie innerhalb eines geschlossenen Systems konstant bleibt. Sie ist also eine Erhaltungsgröße. Um eine Energie in eine andere umwandeln zu können, benötigt man Hilfsmittel. Um mechanische Energie in elektrische zu verwandeln, braucht man einen Generator. Für die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie ist ein Elektromotor nötig und für die Umwandlung von elekt...hier weiterlesen

Produktion: 2014

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Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik ist ein nützliches Hilfsmittel, allerdings fehlt hier den Teilchen die Masse. Der Film erklärt, dass masselose Teilchen sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegen würden. Sie wären zu schnell, um sich zu verbinden und Atomkerne zu bilden. Stimmte das Modell also, gäbe es keine Körper, weder lebendig noch unbelebt. Um dieses Problem zu lösen, stellte der Physiker Higgs die These auf, dass der Raum nicht leer sei: Ihn fülle eine Art zähes Feld aus, das auf die umherfliegenden Teilchen eine verschieden stark bremsende Wirkung ausübt. Die entstehende Trägheit entspricht der Masse der Teilchen. Durch diese Verlangsamung haben die Kräfte ...hier weiterlesen

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Licht durchquert Stoffe unterschiedlicher Dichte in verschiedenen Geschwindigkeiten. Wie es reflektiert oder gebrochen wird, hängt also davon ab. Im Vakuum des Alls und in der Luft der Erdatmosphäre ist das Licht sehr schnell. Trifft es auf Wasser, wird es deutlich verlangsamt. Der Film verdeutlicht die Auswirkungen dieses plötzlichen Abbremsens auf die Lichtreflexion im Wasser: Beim Übergang von der Luft ins Wasser liegt der Brechungsindex des Lichts bei 4:3. Die Stärke der Brechung hängt vom Winkel ab, in dem der Lichtstrahl auf das Wasser trifft. Es gibt mehrere optisch besonders dichte Medien. Wenn der Lichtstrahl hier in einem ganz bestimmten Winkel auftrifft, kann er das Medium nich...hier weiterlesen

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Dass wir fließenden Strom zur Verfügung haben, ist für uns eine Selbstverständlichkeit. Dabei müssen bestimmten Voraussetzungen gegeben sein, damit Strom fließt. Man braucht einen Leiter, etwa Kohle oder Metall, und nicht leitende Stoffe als Isolationsmaterialien. Damit der Stromfluss unterbrochen werden kann, muss man in elektrische Leitungen Schalter einbauen, die dies ermöglichen. Positive und negative Ladungen ziehen sich gegenseitig an, während gleichpolige Ladungen einander abstoßen. Der Film demonstriert diese Eigenschaften durch Versuche mit einem Elektroskop und mit Konduktorkugeln. Sind negative und positive Ladungen gleich gro&szl...hier weiterlesen

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Der Kondensator ist ein passives Bauelement, das Spannungen speichern kann. Man setzt ihn in vielen elektronischen Schaltungen ein. Der Aufbau eines Kondensators wird erklärt: Zwei Elektroden werden nahe nebeneinander angebracht und getrennt durch ein sogenanntes Dielektrikum. Angeschlossen an eine Gleichstromquelle lädt sich eine der Elektroden positiv und die andere negativ auf. Nach der Entfernung der Spannungsquelle bleiben die Ladungen erhalten. Je höher beim Aufladen die Ladung im Kondensator ist, desto schwächer fließt der Strom, weil der Widerstand wächst. Schließt man Wechselstrom an, entlädt sich der Kondensator und lädt sich neu mi...hier weiterlesen

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Strom fließt in einem geschlossenen Schaltkreis. Man kann diesen Fluss mittels eines Schalters im Stromkreis unterbrechen. Die zahlreichen Formen dieser Schalter werden für verschiedene Aufgaben genutzt. Die wichtigsten Formen werden im Film vorgestellt. Anhand von Beispielen wird erklärt, wo sie überall im Alltagsleben angewendet werden. Bei einer Klingel etwa muss der Stromkreis nur kurz geschlossen werden, damit sie schellt. Lichtschalter hingegen haben mit 'ein' und 'aus' zwei stabile Zustände. Häufig handelt es sich um Kippschalter. Der Film erklärt Taster, Zeit- und Sensorschalter und gibt Beispiele dafür, wo man sie einsetzt. Die Und- und die Oder-Schaltung werden mit ihren Untersc...hier weiterlesen

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Schaltet man einen Kondensator zwischen ein Radio und einen externen Lautsprecher, nimmt er Einfluss auf die Frequenz der Musik. Wie dieser Einfluss aussieht, hängt von der Kapazität des Kondensators ab. Die Frequenz des Wechselstroms beeinflusst das Widerstandsverhalten des Kondensators. Es wird erläutert, wie es sich auf die Musik auswirkt, wenn der Kondensator in der Parallel- und der Reihenschaltung eingesetzt wird. Auch der Widerstand der Spule hängt von der Frequenz des Wechselstroms ab. Wegen dieser Eigenschaft können sowohl Kondensator als auch Spule in Lautsprecherboxen als Tiefpass- und Hochpassfilter verwendet werden. Der Film erklärt, wie die Bezeichnung der entsprechenden Sch...hier weiterlesen

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Um einen Leiter herum, durch den Strom fließt, entsteht ein Magnetfeld. Eine Spule ist ein parallel gewickelter Leiter. Führt man Gleichstrom durch eine Spule, entsteht ein starkes Magnetfeld. Im Film wird gezeigt, wie die Spannungsquelle entfernt und ein Magnet an der Spule entlang geführt wird. In der Leitung ist nun eine Spannung messbar. Hier spricht man von der elektromagnetischen Induktion: Die Lenzsche Regel besagt, dass der Induktionsstrom die Ursache seiner Entstehung zu hemmen versucht. Um dies praktisch zu erläutern, erklärt der Film zunächst den Begriff der Impedanz. Er zeigt außerdem, dass Spulen in vielen Bereichen Einsatz finden, etwa in...hier weiterlesen

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Ein Trafo, also ein Transformator, ist ein Umspanner. Er wird in der Elektrotechnik eingesetzt, wenn eine Spannung in eine andere umgewandelt werden muss. Um die Wirkungsweise eines Transformators zu erklären, muss zunächst der Begriff der elektromagnetischen Induktion erläutert werden. Sie ist das elektrische Feld, das entsteht, wenn man die magnetische Flussdichte ändert. Wie dies vonstattengeht, wird anhand mehrerer Aufnahmen verdeutlicht, die die elektrische Wirkung von Magnetfeldern und die Wirkung des elektrischen Stroms veranschaulichen. Im Film wird ein Versuch mit Wechselstrom und mit Gleichstrom gemacht und demonstriert, wie man eine schwache Primärspannung in eine starke Sekund...hier weiterlesen

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Ein idealer Leiter würde in einer elektrischen Leitung ohne Verluste den Strom leiten. Allerdings gibt es immer Verluste. Der Film zeigt, dass man sie berechnen kann, wenn man die Stärke des fließenden Stroms und die Spannung misst. Der Widerstand in der Schaltung ist der Quotient. Gleichzeitig bezeichnet der Begriff auch ein Bauteil, das einen Widerstand in elektrischen Schaltungen hervorrufen kann. Sind mehrere Widerstände vorhanden, addieren sie sich. Man kann die Spannung aufteilen, wenn man mehrere Widerstände in Serie schaltet. Schaltet man sie parallel, kann man damit die Stromstärke in bestimmten Bereichen der Schaltung begrenzen. Es ist auch möglich, beide Schaltungen zu kombinie...hier weiterlesen

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