Der Wärme auf der Spur - Lehrer

So arbeiten Sie mit diesem E-Book

In diesem E-Book finden Sie Texte und Aufgaben mit anschließenden weißen Kästchen für Antworten, Bilder und Videos der Schüler. Natürlich können Sie auch die Lehrerversion verwenden und beispielsweise nur Teile der Antworten löschen, um mehr Unterstützung zu geben und eine genauere Anleitung durch das Tool zu erhalten.

4. Physik für deine Augen: sehen, strahlen und fließen

Es ist nicht nur interessant, ob bei einer Reaktion Energie abgegeben oder aufgenommen wird, sondern auch, wie Dinge effektiv isoliert werden und wie Wärme abgeleitet wird. Ein wichtiges Thema ist die Wärmeleitfähigkeit von Stoffen. Wenn Sie in einem Reagenzglas etwas erhitzen, können Sie das Reagenzglas bequem für längere Zeit in der Hand halten - denn Glas ist ein schlechter Wärmeleiter. Im Gegensatz dazu leitet Metall Wärme sehr gut: Sie werden schnell spüren, wie Ihre Finger heißer werden, wenn Sie Ihren Tee mit einem Metalllöffel rühren.&nbsp; Das folgende Experiment soll veranschaulichen, wie Wärme durch verschiedene Metalle "wandert":&nbsp; Experiment Material: Styrodur-Struktur mit Proben von Ag, Pb, Cu, Zn und Fe Vorbereitung: Kochen Sie etwas Wasser und gießen Sie es in eine Thermoskanne. Die Wärmebildkamera wird aufgebaut und der Versuchsaufbau fokussiert. Vorgehensweise: Starten Sie eine Videoaufnahme und gießen Sie heißes Wasser aus der Thermoskanne in die Box (ca. 3 mm Abstand zum Rand). Legen Sie den Deckel mit den darin steckenden Metallblechen darauf und stellen Sie sicher, dass die Vorderseite von der Styrodur-Struktur abgedeckt ist und die Metallbleche gleich tief in das Wasser tauchen.

• 6.11 Protokollieren Sie Ihre Beobachtungen mit einer Wärmebildkamera.&nbsp; • 6.12 Versuchen Sie anhand von Literaturwerten, die Proben mit dem entsprechenden Element abzugleichen.&nbsp;

Element Ag Pb Cu Fe Zn

Wärmeleitfähigkeit [W/(m•K)] 429 35 380 80 110

Experiment (Durchführung in einer Dunkelkammer) Material: Blackbox, § Becher (1000ml), 1 Spatel, Kaliumhexacyanoferrat, Wasser Vorbereitungen: Setzen Sie folgende Lösungen an: 50 mL Lösung A (0,1g Luminol, 16ml 10%ige NaOH-Lösung in 1L H2O) in ein Becherglas geben. 50 mL Lösung B (4g K3[Fe(CN)6], 8ml 30% H2O2 Lösung in 1L H2O) in ein zweites Becherglas geben. Füge eine Spatelspitze mit Kaliumhexacyanoferrat in ein drittes Becherglas ein. Bereiten Sie die Wärmebildkamera vor. Vergewissern Sie sich, dass das dritte Becherglas im Fokus ist.&nbsp; Durchführung: Im Dunkeln die Lösungen A und B gleichzeitig in das dritte Becherglas geben. • 5.7 Führen Sie das Experiment durch und zeichnen Sie es mit einer normalen Kamera und der Wärmebildkamera auf. Verwenden Sie dazu den Dualmodus in 'Seek Thermal'.&nbsp; • 5.8 Die folgende vereinfachte Reaktionsgleichung zeigt den chemischen Prozess, der zur Emission von Licht führt: Luminol wird durch Wasserstoffperoxid oxidiert. Es bilden sich Dianionen im angeregten Zustand. Erregte Zustände sind mit einem Sternchen (*) gekennzeichnet. Moleküle im angeregten Zustand emittieren Licht, wenn sie in ihren Grundzustand zurückkehren. Verwenden Sie die folgenden Worte, um den Prozess in der Luminolreaktion zu beschreiben:&nbsp;

• 5.9 In der Luminolreaktion sehen Sie die Emission von "kaltem Licht". Erklären Sie diesen Begriff mit Ihren Beobachtungen, mit Ihren eigenen Sinnen und mit der Wärmebildkamera. Beziehen Sie Ihre Antwort auch auf LEDs und Glühbirnen und Glühwürmchen.&nbsp;

Chemische Reaktion, Oxidation, Lichtemission, Luminol, katalysiert durch Kaliumhexacyanoferrat, Grundzustand, angeregter Zustand

5.7) 5.8) Die meisten chemischen Reaktionen mit Chemilumineszenz erzeugen instabile Peroxide (Oxidation). Peroxide können sich aufgrund ihrer Elektronenkonfiguration im angeregten Zustand zu Produkten zersetzen. Wenn sich diese Produkte zersetzen, wird Licht abgegeben und die Moleküle kehren in ihren Grundzustand zurück. Bei der Arbeit mit Luminol wird die Reaktion durch Kaliumhexacyanoferrat katalysiert - die Reaktion ohne verliefe so langsam, dass Sie wahrscheinlich kein Licht sehen würden. 5.9) Die an der Chemilumineszenz beteiligten Prozesse setzen keine Wärme frei. Dies ist ein Gegensatz zu den meisten anderen lichtemittierenden Phänomenen in unserem Alltag, weshalb man von "kaltem Licht" spricht. Wolfram-Glühbirnen produzieren im Vergleich zu LEDs eine enorme Menge an Wärme, aber LEDs produzieren immer noch etwas Wärme. Glühwürmchen geben auch kaltes Licht und keine Hitze ab, so dass der Name irreführend sein könnte. In biologischen Systemen wird dies als Biolumineszenz bezeichnet.

Jetzt, da wir wissen, dass es Wärmestrahlung gibt, die in ähnlicher Weise mit der Materie interagiert, wollen wir diese weiter untersuchen.&nbsp; Warme Objekte können entweder ausschließlich Wärmestrahlung ausstrahlen oder sichtbares Licht und Wärmestrahlung emittieren, wie Sie es vielleicht vom Feuer her kennen. Im Folgenden interessiert der Zusammenhang beider Arten von Strahlung. Zu dessen Untersuchung benötigen Sie eine Strahlungsquelle, die sowohl Licht als auch Wärme emittieren kann, z.B. eine herkömmliche Glühlampe. Im nächsten Experiment wird eine "vereinfachte Glühbirne" verwendet.&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Experiment Material: Konstantan-Draht, Netzteil, 2 Kabel (0,5m), 2 Krokodilklemmen Vorbereitung: Schalten Sie zunächst die Stromversorgung aus und stellen Sie alle Regler auf 0! Ein kleines Stück Draht (~1cm) wird zwischen den Krokodilklemmen befestigt. Die Krokodilklemmen werden dann an die Stromversorgung angeschlossen. Durchführung: Schalten Sie die Stromversorgung ein und erhöhen Sie langsam Spannung und Strom. Beobachten Sie das Kabel mit einer normalen Kamera und der Wärmebildkamera, die auf IR-Bereich eingestellt ist. Stellen Sie sicher, dass sich die Kamera im Hi/Lo-Modus befindet, um die heißesten Bereiche anzuzeigen. • 4.3. Legen Sie eine Tabelle an und notieren Sie Ihre Beobachtungen bei den folgenden Temperaturen auf: 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C und &gt;300°C.

• 4.4. Benennen Sie das Phänomen, welches bei etwa 80°C beobachtet werden kann? • 4.5. Ermitteln Sie anhand Ihrer Tabelle den Zusammenhang zwischen Licht und Wärmestrahlung. Wie ändert sich das bei Temperaturen über 80°C? Ihre Betrachtungen sollten zur Erklärung von Farbe und Intensität dieses sichtbaren Phänomens&nbsp;beitragen.

4.4) Glühen 4.5) Je heißer das Objekt wird, desto intensiver glüht es. Die Farbe des Glühens wechselt von einem dunkel leuchtenden Rot zu einem leuchtenden Weiß.

Den Begriff "Wärmeenergie" begegnet Ihnen sowohl in der Wissenschaft als auch in Ihrem Alltag. In diesem Kapitel werden Sie sich näher mit Wärmeenergie befassen. Es gibt viele Prozesse, bei denen Wärmeenergie freigesetzt wird (exotherme Reaktionen). Ein Feuer brennt und gibt eine spürbare Menge an Wärme ab, ebenso wie die Reaktion der Kernfusion in der Sonne. Diese Reaktionen laufen selbstständig ab. Protein hingegen wird nicht von selbst denaturieren: Proteine hingegen denaturieren nicht von selbst: Um aus klarem flüssigem Eiweiß festes weißes Eiweiß zu erhalten, muss dem Ei bekanntermaßen Energie zugeführt werden. Dies kann zu dem Schluss führen, dass wärmeabgebende Prozesse spontan reagieren und andere nicht. Das nächste Experiment zeigt, dass es Reaktionen gibt, bei denen zwar Wärme zugeführt werden muss, die aber trotzdem selbsttätig ablaufen. Experiment Material: Uhrglas, Spatel, Citronensäure C₆H₈O₇, Natriumcarbonat-Pentahydrat&nbsp;Na₂CO₃ • 5H₂O Vorbereitung: Legen Sie kleine separate Häufchen (ein oder zwei Spatel) Citronensäure und Natriumcarbonat-Pentahydrat auf ein Uhrglas.&nbsp; Durchführung: Schalten Sie die Wärmebildkamera ein und fokussieren Sie sie auf das Uhrglas. Vermischen Sie beide Substanzen mit ein bis zwei Spatelstrichen grob. Beobachten Sie mit der Wärmebildkamera und parallel im Realbild. Nach einiger Zeit kann die gesamte Probe mit dem Spatel vermengt werden.

Entsorgung: Mischen Sie die Reaktanden mit Wasser und gießen Sie die Lösung in den Abfluss. • 6.1 Notieren Sie ihre Beobachtungen. • 6.2 Citronensäure C₆H₈O₇ und Natriumcarbonat-Pentahydrat Na₂CO₃ • 5H₂O&nbsp;reagieren unter Bildung von Kohlendioxid CO₂, Wasser H₂O und Natriumcitrat C₆H₅O₇Na₃. Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung.

6.2) 2 C&#8326;H&#8328;O&#8327; (s) + 3 Na&#8322;CO&#8323; &#8226; 5H&#8322;O (s) &#8594; 3 CO&#8322; (g) + 18 H&#8322;O (l) + 2 C&#8326;H&#8325;O&#8327;Na&#8323; (aq)

In diesem Kapitel werden Wärmebildkameras und Nachtsichtkameras betrachtet und verglichen. • 3.1. Schalten Sie die Nachtsichtkamera ein und machen Sie sich mit ihrem Bild vertraut. Erkunden Sie die Darstellung der Umgebung auf dem Display der Kamera. • 3.2. Vergleichen Sie die Bilder einer Wärmebildkamera, einer Nachtsichtkamera und einer normalen Kamera. Überprüfen Sie zu diesem Zweck die beigelegte Taschenlampe. Arbeiten Sie wenn möglich in einem abgedunkelten Raum.&nbsp; In welchen Situationen sind Nachtsichtkameras sinnvoll (im Vergleich zu Wärmebildkameras)? Beziehen Sie sich auf Ihre Beobachtungen und den Zeitungsartikel.

3.1.) Die Nachtsichtkamera zeigt alle Farben in leicht abweichender Farbe und mit einem starken Rosafarbton an.

3.2) Betrachtet man das Licht einer mehrfarbigen Taschenlampe, so sieht man, dass die Nachtsichtkamera nicht richtig zwischen Rot und Grün unterscheiden kann.

Sie haben nun die Grundlage für das Verbot von herkömmlichen Glühbirnen untersucht. In manchen Fällen ist der Nachteil der Wärmeabstrahlung aber das tatsächlich gewünschte Ziel. So werden "Rotlichtlampen", auch Wärmelampen genannt,&nbsp;für medizinische Zwecke eingesetzt. • 5.5. Vergleichen Sie die Wärmelampe mit herkömmlichen Glühbirnen, mit denen Sie zuvor gearbeitet haben. Berücksichtigen Sie die Spezifikationen sowie Ihre eigenen Messungen (eigene Sinne, Wärmebildkamera und LightMeter). • 5.6. Listen Sie Einsatzmöglichkeiten von Wärmelampen auf. 1880 erfand Thomas Alva Edison die Glühbirne neu. Er verbesserte William Robert Gove's Design einer Platindraht-Glühbirne von 1840 erheblich. Edisons Glühbirne war innovativ und hat das Leben der europäischen Gesellschaft stark beeinflusst. Doch lange bevor Edison und Gove ihre Ideen verwirklichten, hatte die Natur bereits vielfältige Möglichkeiten, Licht zu erzeugen. Glühwürmchen sind nur eines von vielen Beispielen für dieses Phänomen. Betrachtet man diese Insekten, stellt sich die Frage, wie sie es schaffen, dieses beeindruckend helle Licht zu erzeugen, da es weder Strom noch irgendeine Art von Verbrennung zu geben scheint. Wir wollen untersuchen, warum Glühwürmchen leuchten, ohne dabei zu verbrennen.

5.6) - Wärme und Geborgenheit für Haustiere - Schmerzlinderung - Hautprobleme

2.5) Kleidung isoliert den Körper, so dass die Körperwärme nicht in die Umwelt gelangt, siehe Bilder unten:

Dieser schöne Sommertag neigt sich dem Ende zu und bei Sonnenuntergang fängt es an, merklich kühl zu werden, also ziehen Sie Ihren Pullover an. • 2.5. Untersuchen Sie mit der Wärmebildkamera die Auswirkungen von Kleidung. • 2.6. Stellen Sie eine Hypothese auf, warum Menschen in besonders heißen Klimazonen oft lange Kleidung tragen. Trotz Ihres Pullovers ist Ihnen immer noch kalt. In Ihrer Tasche finden Sie den Taschenwärmer, den Sie im letzten Winter als Werbeartikel bekommen haben. Mit diesem können Sie sich bestimmt etwas aufwärmen. Zum Glück ist es immer noch "aufgeladen" und Sie aktivieren es, durch Knicken des Metallplättchens. • 2.7 Beobachten Sie genau, was mit dem Taschenwärmer passiert, nachdem Sie ihn aktiviert haben. Verwenden Sie die Wärmebildkamera und die normale Kamera nebeneinander. Öffnen Sie dazu die 'Seek Thermal' App und schalten Sie den Dual-Recording-Modus ein.

2.6) Zur Isolierung gegen hohe Umgebungstemperaturen, die höher sind als die Körpertemperatur.

Nachtsichtkameras können Ihnen helfen, noch weitere technische Geheimnisse aus Ihrem Alltag aufzudecken. In dem Zeitungsartikel wurde berichtet, dass das Museumstor mit einer gestohlenen Fernbedienung geöffnet wurde. Diese Fernbedienungen funktionieren genau wie jene, die Sie von Ihrem Fernseher kennen. Interessanterweise sieht man beim Drücken einer beliebigen Taste auf der Fernbedienung normalerweise nichts, oder? • 3.5. Untersuchen Sie dies, indem Sie die LED der Fernbedienung mit den Augen und mit der Nachtsichtkamera betrachten. Nehmen Sie Ihre Ergebnisse mit Bildern oder Videos auf und vergleichen Sie die Infrarotlampe mit der Fernbedienung.

Im letzten Abschnitt wurden die Vorgänge beim Lösen eines Feststoffs in Wasser thematisiert. Nun betrachten Sie eine andere Art der Reaktion und mischen zwei Flüssigkeiten: eine saure und eine alkalische Lösung. Beim Mischen findet eine Neutralisation statt. Experiment Material: Material: Petrischale, Pipette, Natronlauge NaOH(aq), c = 0,1 mol/L, Salzsäure HCl(aq), c = 0,1 mol/L Vorbereitung: Richten Sie die Wärmebildkamera auf die leere Petrischale. Füllen Sie diese anschließend ca. 3-5 mm hoch mit Natronlauge.&nbsp; Durchführung: Geben Sie vorsichtig ein paar Tropfen Salzsäurelösung in die Petrischale. Es wird im sichtbaren Bereich und mit der Wärmebildkamera beobachtet.&nbsp; Entsorgung: Neutralisieren Sie die Lösungen und gießen Sie alles in den Abfluss. • 6.8 Notieren Sie Ihre Beobachtungen.&nbsp; • 6.10 Nenne Sie das Phänomen, das Sie gerade im Experiment gesehen haben. Erklären Sie, woher die Wärmeenergie kommt.&nbsp;

6.9) NaOH (aq) + HCl (aq) → H₂O (l) + NaCl (aq) [exotherm]

• 6.9 Entwickeln Sie die zugehörige Reaktionsgleichung.&nbsp;

• 6.13 Stellen Sie eine Vermutung auf, wie die Wärme im Medium "geleitet" wird. Kennen Sie weitere Möglichkeiten, wie Wärme fließen kann? • 6.14 Wenn Sie im Winter bei Temperaturen weit unter 0°C ein Metallstück mit feuchten Händen berühren, frieren Sie daran fast sofort fest. Erklären Sie dieses Phänomen.

6.13) Es gibt drei Möglichkeiten, wie Wärme transportiert werden kann: Leitung, Konvektion und Strahlung. Leitung: Je wärmer die Materie wird, desto schneller bewegen sich ihre Teilchen. Wenn sich zwei Objekte mit unterschiedlicher Temperatur berühren, prallen die Teilchen in ihnen aufeinander und übertragen Energie (Wärme) zwischen den Objekten. Konvektion: Jede Materie wird von der Schwerkraft beeinflusst und heruntergezogen, jedoch können fließende Stoffe (Gase und Flüssigkeiten), wenn sie erwärmt werden, im erwärmten Bereich weniger dicht werden, wodurch diese "heißen" Gasanteile ansteigen. Strahlung: Wärme kann sich als Energiewellen (Infrarotstrahlung) bewegen. Ein gutes Beispiel ist unsere Sonne: Auch wenn die Sonne und die Erde weit voneinander entfernt sind, können die Hitze immer noch spüren. Die Infrarotstrahlung kann ohne Medium reisen und stimuliert eine schnellere Molekularbewegung. 6.14) Berührt man mit feuchten Händen ein sehr kaltes Stück Metall, leitet dieses die Wärme der Hand so schnell ab, dass die Hauttemperatur oberflächlich unter 0°C absinkt. Die Feuchtigkeit der Hand gefriert und man friert am Metall fest.&nbsp;

5.2) Siehe Bilder (links: Glühbirne, rechts: LED-Glühbirne).

• 5.2 Schalten Sie beide Lampen ein und vergleichen Sie sie. Verwenden Sie Ihre eigenen Sinne und ein Tablet mit der App'LightMeter'. • 5.3 Machen Sie ein Bild von beiden Lampen..... a) mit einer normalen Kamera. b) mit einer Wärmebildkamera. • 5.4.&nbsp;Betrachten Sie die Daten aus Ihren Ergebnissen von 5.2 und 5.3. Schätzen Sie, zu welchem Anteil eine Glühbirne im Vergleich zu LED-Glühbirnen in Wärme umwandelt.

5.4) Wolfram-Glühbirnen wandeln den größten Teil der elektrischen Energie in Wärmeenergie um (ca. 90-95%) und werden richtig heiß, während LED-Glühbirnen vergleichsweise effizienter sind und kaum warm werden.

In der Schule und in den letzten Kapiteln haben Sie sich mit dem Begriff "Energie" beschäftigt. In unserem Alltag begegnen wir verschiedenen Energieformen und in den letzten Jahren wurde die Diskussion über "Energiesparen" und "Energieverbrauch" immer wichtiger. Aufgrund des gestiegenen Bewusstseins hat die EU die Glühbirnen verboten und durch energieeffizientere Halogen- oder LED-Technologie ersetzt, was massive Energieeinsparungen erwarten lässt. Dieser Aspekt soll im Folgenden genauer betrachtet werden. Untersuchen Sie eine energiesparende LED-Glühbirne und eine veraltete Wolfram-Glühbirne mit Ihren eigenen Sinnen sowie mit der Wärmebildkamera und der App "Light Meter" auf dem Tablet. • 5.1 Geben Sie an, in welchen Parametern sich die beiden Lampen unterscheiden.

5.1.) Sie unterscheiden sich in Helligkeit und Stromverbrauch.

Anscheinend haben die Bewegungsmelder auf dem Museumsgelände keinen Alarm ausgelöst. Sie können herausfinden, wie ein Bewegungsmelder funktioniert, indem Sie ihn in völliger Dunkelheit (Blackbox oder vollständig abgedunkelter Raum) platzieren. Außerhalb der Blackbox löst der Bewegungsmelder aufgrund des Tageslichts nicht aus. • 3.6. Überprüfen Sie, wie Bewegungsmelder funktionieren. Platzieren Sie einen Bewegungsmelder in völliger Dunkelheit und testen Sie, ob er Bewegungen verschiedener Materialien (z.B. ein Stück Holz, Metall, Glas oder Karton) oder einer Menschenhand erkennen kann. Finden Sie einen Weg, die Erkennung zu umgehen?&nbsp; • 3.7. Diskutieren Sie mit Bezug auf Ihre experimentellen Ergebnisse den Begriff "Bewegungsmelder".

3.6) Der Bewegungsmelder kann in heller Umgebung nicht auslösen. Wenn der Sensor mit einem Stück Kunststoff, Glas oder Holz bedeckt ist, löst er auch nicht aus.&nbsp; 3.7) Der Bewegungsmelder erkennt tatsächlich Wärme eines (sich bewegenden) Körpers anstelle von Bewegung.&nbsp;

Autor, Videos und Bilder: Simon Kleefeldt bearbeitet von Alica Eiberger Layout: Max Schall

Kein Teil dieses E-Books darf ohne Genehmigung des Herausgebers in irgendeiner Form oder auf irgendeine Weise reproduziert oder übertragen werden.

Abbildung der Titelseite: Nico Meuter

Stellen Sie sich vor, Sie sind am Pool in der strahlenden Sonne. Es herrschen 30 Grad im Schatten und Ihnen läuft der Schweiß herunter. Interessanterweise schwitzt der Hund des Nachbarn nicht. • 2.1. Warum schwitzen Menschen? Entwicklen Sie eine Theorie und versuchen Sie dies mit einem geeigneten Experiment zu verifizieren. Nach einiger Zeit im Schwimmbecken stehen Sie noch eine Weile tropfnass am Beckenrand und genießen die Sonne. Plötzlich merken Sie, wie es Ihnen langsam kalt wird und Sie zu frieren beginnen. • 2.2. Warum fühlen Sie sich an einem solch sonnigen Tag dennoch so kalt? Erklären Sie dies mit Bezug auf ein Experiment. • 2.3. Was würde passieren, wenn Menschen Nagellackentferner (Aceton) schwitzen könnten? Testen Sie dies an einer kleinen Stelle in Ihrer Hand und notieren Sie Ihre wahrgenommenen Ergebnisse. • 2.4. Hunde hecheln statt zu schwitzen. Imitieren Sie das Hecheln eines Hundes und filmen Sie den Vorgang mit der Wärmebildkamera. Was beobachten Sie?

2.1) Menschen schwitzen, um ihre Körpertemperatur zu senken: Der Schweiß verdampft, ein Prozess, der Wärme benötigt. Als Beispiel können Sie versuchen, mit einem nassen Finger auf der Haut zu "malen" und den Prozess der Verdampfung (Video) zu beobachten.

2.2) Siehe 2.1. Dieser Vorgang wird durch konstanten Luftstrom beschleunigt.

2.3) Nagellackentferner (Aceton) hat einen niedrigeren Siedepunkt und einen höheren Dampfdruck. Die Kühlung wäre effektiver und der Mensch müsste weniger schwitzen.

2.4) Schnelles Hecheln simuliert die Wärmeregulierung von Hunden (runde Lippen, keine Zunge heraus strecken).

1.1) Wärmebildkameras geben Auskunft über die Oberflächentemperatur von Objekten und stellen diese mit verschiedenen Farbschattierungen dar.

Forschung, Gebäudesanierung, Jagd, Militär und Feuerwehr sind nur einige der Bereiche, in denen Wärmebildkameras eingesetzt werden. Thermogramme (die von der Wärmebildkamera aufgenommenen Bilder) spielen eine wichtige Rolle in wissenschaftlichen Experimenten, da sie Einblicke in Prozesse geben, die mit dem menschlichen Auge nicht erfassbar sind. Probieren Sie es selbst aus! • 1.1 Welche physikalische Größe kann mit einer Wärmebildkamera abgebildet werden? Wie wird diese physikalische Größe visualisiert? • 1.2 Ermitteln Sie, welche Objekte die Wärmebildkamera registrieren kann, und erklären Sie, warum einige Dinge registriert werden können und andere nicht. Fügen Sie dazu Bilder von Objekten ein, die mit einer Wärmebildkamera und einer normalen Kamera aufgenommen wurden. • 1.3 Experimentieren Sie mit der Wärmebildkamera und untersuchen Sie die Farben in einem Thermogramm. Erklären Sie die Bedeutung der dargestellten Farben. Nach Ihren ersten Versuchen mit der Wärmebildkamera betrachten Sie die erstellten Thermogramme. Sie erarbeiten, was die Farbgebung der Objekte im Thermogramm beeinflusst.

1.2) Ein Thermogramm zeigt Objekte mit einer Oberflächentemperatur, die höher oder niedriger als die Umgebungstemperatur ist. Objekte, die der Umgebungstemperatur entsprechen, sind in Thermogrammen kaum sichtbar, wie in den beiden folgenden Bildern dargestellt (links: normales Bild; rechts: Thermogramm).

1.3) Ein einfaches Experiment, dass die verschiedenen Farben durch verschieden temperierte Proben dargestellt werden können. Füllen Sie in in drei identische (Plastik-)Becher Wasser mit jeweils unterschiedlicher Temperatur und betrachten Sie diese mit Ihrer Wärmebildkamera. Mit dem richtigen Messbereich sollte der mit kaltem Wasser gefüllte Becher blau und der heiße Becher rot angezeigt werden. Mit einem Thermometer kann man die Temperatur auch quantitativ messen und damit die Ergebnisse überprüfen.

Eine Woche nach dem Einbruch findet die Polizei einige verdächtige Gemälde. Auch wenn diese Gemälde vollkommen andere Motive zeigen, als die gestohlenen Bilder, liegt die Vermutung nahe, dass die Originalgemälde möglicherweise übermalt wurden. Die Bilder werden um diesem Verdacht nachzugehen zur weiteren Untersuchung mit Infrarotlicht ins Labor gebracht.

Experiment Material: Lichtquelle, Gemälde, Nachtsichtkamera, Stativmaterial Vorbereitungen: Das Bild wird mit Hilfe des Stativmaterial vor die Lichtquelle gestellt, so dass es von hinten beleuchtet wird.&nbsp; Durchführung: Untersuchen Sie die Vorderseite des Bildes mit der Nachtsichtkamera.

• 3.11. Was verbirgt sich unter deinem Gemälde? Führen Sie das Experiment durch und entscheiden Sie, ob das Bild übermalt wurde. Fügen Sie Bilder Ihrer Beobachtungen mit der Nachtsichtkamera ein.

3.11) Die Lichtquelle strahlt auf die Rückseite des Bildes. Die Farben absorbieren Wärme unterschiedlich. Die Farben des "originalen" Gemäldes absorbieren Wärme in höherem Maße als die des vorderen gefälschten Gemäldes. Die Bereiche, die auf das Original gemalt sind, erscheinen beim Betrachten mit einer Nachtsichtkamera dunkler, wenn die Motive beider Gemälde unterschiedlich sind.

3.3) Das sichtbare Licht ist nicht erkennbar, das infrarote Licht hingegen schon.

Nachdem Sie Ihre ersten Erfahrungen mit Nachtsichtkameras gemacht haben, möchten Sie den Vorgängen den im Artikel beschriebenen Vorgängen auf den Grund gehen. Nachtsichtkameras haben immer einen Restlichtverstärker, der die Empfindlichkeit der Kamera erhöht. In völliger Dunkelheit wird sogar der Verstärker nutzlos sein, da kein Licht zur Verstärkung vorhanden ist - deshalb verwendeten die Diebe hier Infrarotlicht. • 3.3. Testen Sie die Nachtsichtkamera bei völliger Dunkelheit (z.B. in einem schwarzen Karton). Kann sie noch Objekte erkennen? Verwenden Sie die Infrarotlampe und testen Sie die Nachtsichtkamera erneut. Nehmen Sie ein Vergleichsbild mit der Tablet-Kamera für den sichtbaren Bereich auf. • 3.4. Überprüfen Sie die Taschenlampen und die Infrarotlampe mit der Wärmebildkamera. Was sind Ihre Beobachtungen? Beschreiben Sie mit Bezug auf das abgebildete Spektrum, welche Wellenlängenbereiche normale Kameras, Nachtsichtkameras und Wärmebildkameras verwenden?

3.4) Normale Kameras können das sichtbare Licht erfassen, Nachtsichtkameras können das sichtbare Licht verstärken und Infrarotlicht erfassen, und Wärmebildkameras können ausschließlich Infrarotlicht erfassen.

Der Artikel erwähnt zusätzlich, dass die unbekannten Verdächtigen eine gezielte Sprengung verwendeten, um Zugang zum Museumsgelände zu erhalten. Der Begriff "gezielt" suggeriert sofort, dass Explosionen Reaktionen sind, die kontrolliert gestartet werden können. Experiment: Material: Wärmebildkamera, Tablet, Knallerbse, Hammer, feuerfeste Oberfläche Vorbereitungen: Nehmen Sie eine Knallerbse und legen Sie sie auf eine feuerfeste Oberfläche. Fokussieren Sie die Wärmebildkamera auf die Knallerbse und stellen Sie sie auf Thermogramm-Video-Aufnahme ein.&nbsp; Durchführung: Zünden Sie die Knallerbse mit einem leichten Schlag des Hammers.&nbsp; • 3.8. Führen Sie das Experiment mit der Knallerbse durch. Nehmen Sie Videos mit einer Wärmebildkamera und mit einer herkömmlichen Kamera auf. • 3.9. Erklären Sie die Wirkung des Hammerschlags und erläutern Sie, dass die Knallerbse nicht von selbst explodiert?&nbsp;

3.8) Vergleichen Sie die beiden eingebundenen Videos: 3.9) Der Schlag des Hammers liefert die erforderliche Aktivierungsenergie.&nbsp;Diese ist so hoch (vgl. Diagramm aus 3.10), dass die Explosion nicht bei Umgebungsbedingen von allein stattfindet. 3.10)

• 3.10. Erstellen Sie ein beschriftetes Energie-/Reaktionskoordinaten-Diagramm der Reaktion.

Experiment Material: Wärmebildkamera, Wasser (heiß, kalt und Raumtemperatur), Thermoskanne, drei verschiedenfarbige und drei farblose, transparente Plastikbecher. Vorbereitungen: Stellen Sie die Kamera auf und richten Sie die Becher aus. Durchführung: Entwickeln Sie Experimente, die Ihnen bei der Beantwortung der nachstehenden Fragen helfen.

Der einzige relevante Faktor ist die Oberflächentemperatur der betrachteten Proben.

Bilder von Tassen mit verschiedenen Farben, gefüllt mit Wasser der gleichen Temperatur, zeigen, dass die Farbe eines Objekts keinen Einfluss auf die Farbgebung im Thermogramm hat.

• 1.4 Gibt es Faktoren oder Eigenschaften der Objekte, die die Farbgebung im Thermogramm beeinflussen? Berücksichtigen Sie beispielsweise Faktoren wie die Oberflächentextur. • 1.5 Gibt es einen Zusammenhang zwischen der sichtbaren Farbe des Objekts und seiner Farbe im Thermogramm? Nehmen Sie Bilder mit einer normalen Kamera und einer Wärmebildkamera auf, um Ihre Antwort zu unterstützen. • 1.6 Öffnen Sie die App der Wärmebildkamera und suchen Sie nach anderen Farbbereichen in der unteren Menüleiste. Die Einstellungen beeinflussen die Farbgebung der Objekte, testen Sie diese.

Auch eine Beschichtung aus Gold- oder Silberfarbe hat einen gewissen Einfluss auf das Thermogramm, da die Beschichtungen isolierend wirken.

1.5) Die reale Farbe des Objekts hat keinen Einfluss auf die Farben des Thermogramms, genau wie Größe und Form. Bilder und Erklärungen finden Sie auf der nächsten Seite.

1.4) Größe und Form des Objekts haben keinen Einfluss auf die Farben im Thermogramms. Material und Oberflächentextur können die Ergebnisse verfälschen. Es kann ziemlich schwierig sein, die Oberflächentemperatur von Metallen und anderen Objekten mit reflektierender Oberfläche richtig zu messen.

1.6) Die Farbbereichseinstellungen in der App beeinflussen die Farbgebung der Objekte im Thermogramm:

• 6.3 Geben Sie anhand der Reaktionsgleichung an, warum diese Reaktion spontan stattfindet, obwohl sie endotherm ist. Verweisen Sie auf den Begriff "Entropie" in Ihrer Antwort.

6.3) Die Reaktion ist endotherm, aber der Grad der Unordung der Teilchen im System nimmt zu, was bedeutet, dass die Reaktion entropiegesteuert ist und spontan reagiert.

• 6.5 Formulieren Sie Vorschläge für praktische Anwendungen endothermer und exothermer Lösungsprozesse. • 6.6 Bestimmen Sie woher die Energie bei exothermen Lösungsprozessen stammt. • 6.7 Erklären Sie, warum sich KCl und NH₄NO₃ spontan im Wasser auflösen, obwohl es sich um einen endothermen Prozess handelt.

Es gibt noch weitere Beispiele für spontane endotherme Reaktionen: Während einige Salze sich auflösen, kühlen sie ihre Umgebung. Auf der anderen Seite gibt es Salze, die sich exotherm auflösen. Beide Anwendungen sind im Alltag zu finden.

Experiment Material: KCl, NaOH, NH₄NO₃, Tüpfelplatte, Wasser, 4 Pipetten Vorbereitung:Geben Sie je eine Spatelspitze Salz in eine Vertiefung der Tüpfelplatte. Verwenden Sie die Wärmebildkamera und fokussieren Sie auf die Tüpfelplatte. Durchführung: Pipettieren Sie etwas Wasser in eine leere Vertiefung der Tüpfelplatte (Referenz). Fügen Sie dann gleichzeitig ein jeweils ähnliches Volumen Wasser zu allen drei Salzen. Entsorgung: Verdünnen Sie die Lösungen und gießen Sie alles in den Abfluss.

6.5)&nbsp;Anwendungen für endo- und exotherme Löseprozesse: Einweg-Kühl-/Wärmepolster für Verletzungen im Sport.

6.6) Salze bestehen aus Ionen in einem regelmäßigen Gitter. Beim Auflösen von Salzen in Wasser muss die elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Ionen überwunden werden. Um die Ionen herum bildet sich eine Hydratationshülle. Die Gitterenergie ist kleiner als die Hydratationsenergie.

• 6.4 Notieren Sie sich die Beobachtungen, die Sie mit der Wärmebildkamera gemacht haben.

6.7) Im Ionenkristall hat jedes Ion eine fixierte Position, während die Ionen in der Lösung nahezu frei in ihrer Bewegung sind. Der Löseprozess wird durch Entropie angetrieben und die freie Enthalpie ΔG ist negativ, da die Entropie S die Enthalpie H kompensiert.

Vor ein paar Minuten ist ein Kind am Pool gestürzt und hat sich seinen Fuß ziemlich stark gezerrt. Während es auf den Krankenwagen wartet, wickelt es das Personal in eine Wärmedecke, um eine Unterkühlung zu vermeiden. Schauen Sie sich die Wärmedecke genauer an: Sie ist dünn, eine Seite ist silberfarben, die andere Seite ist goldfarben - vielleicht erinnern Sie sich an sie aus einem Erste-Hilfe-Kurs. In Anbetracht der Tatsache, dass Kleidung viel dicker ist, erscheint es Ihnen seltsam, dass eine dünne Folie wie diese ihn warm hält. Experiment Material: Wärmedecke, Wärmebildkamera, kleine Kerze Vorbereitungen: Richten Sie die Kamera ein und öffnen Sie die Wärmedecke.&nbsp; Durchführung: Nehmen Sie mit der Wärmebildkamera auf, wie die Wärmedecke funktioniert, wenn sie einer Wärmequelle (Ihrer Hand oder einer kleinen Kerze) ausgesetzt ist. Entwickeln Sie Experimente, die Ihnen helfen, die folgenden Fragen zu beantworten.&nbsp; - 2.8 Finden Sie heraus, ob und wie eine Wärmedecke dazu beiträgt, Ihren Körper warm zu halten.&nbsp; Gibt es einen Unterschied zwischen der silberfarbenen und der goldfarbenen Seite? Welche Seite sollte in dieser Situation auf den Patienten zeigen? In welchen Situationen sollte man die andere Seite benutzen?

2.8) Wärmedecken schützen vor Auskühlung. Sie können Körper warm halten, indem sie die von Ihrem Körper abgestrahlte Wärme zurück zum Körper reflektiert. Die silberne Seite reflektiert stärker als die goldene Seite. Deshalb wird der silberne für niedrige Umgebungstemperaturen und der goldene für hohe Umgebungstemperaturen verwendet.

Physik für die Augen: sehen, strahlen, fließen

Nachdem Sie mit der Wärmebildkamera gearbeitet haben, fragen Sie sich, wie diese Kameras tatsächlich funktionieren. Dafür untersuchen Sie die Wärmebildkamera gründlich.&nbsp; Auf der Vorderseite der Kamera befindet sich ein Objektiv, wie man es von einer normalen Kamera erwarten würde. Außerdem gibt es ein Fokus-Rad, dass Sie in den letzten Experimenten bereits zum Scharfstellen benutzt haben.&nbsp; Alle Informationen über das Objekt und seine Oberflächentemperatur gelangen durch das Objektiv - wiederum ähnlich wie bei einer normalen Kamera. Auch der Name "Wärmebild-KAMERA" impliziert, dass es zumindest dass es gewisse Parallelen zu Ihrer Alltagskamera gibt. Natürlich gibt es auch einige Unterschiede: Um diese zu verstehen, müssen Sie sich mit elektromagnetischer Strahlung oder "verschiedenen Arten von Licht" auseinandersetzen. • 4.1. Nennen Sie drei Phänomene, die auftreten können, wenn Licht mit Materie interagiert. • 4.2. Gibt es bei Betrachtung der folgenden Bilder ähnliche Prozesse, wenn man an Wärmestrahlung oder Wärme denkt?

4.1) Licht kann reflektiert, absorbiert und durch geeignete (transparente) Materialien geleitet werden.

4.2) Ja, die Beispiele zeigen die Reflexion der Wärmestrahlung an einer reflektierenden Oberfläche (Spiegel) und die Transmission verschiedener Materialien.&nbsp;

Name

Safari may block some audio or video from playing automatically and ‘read to me’ will skip these. You can configure this in Safari’s preferences.