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Über die Farben der Sonne und des Himmels: Rayleigh- und Miestreuung in Demonstrationsexperimenten
(2002)
In der Natur kommen Wassertropfen in verschiedenen Größen vor. Kleine Tröpfchen von etwa 10 μm sind üblich in Nebel und Wolken, während Regentropfen bis zu 5 mm Durchmesser erreichen können. Größere Tropfen können oszillieren, während kleinere im Allgemeinen kugelförmig sind. Offensichtlich können Wassertropfen nicht beliebig groß werden. Welche Faktoren beschränken die mögliche Größe?
Manch einer kennt die Show-Darbietungen, bei denen ein Sportler mit bloßen Händen oder Füßen Mauersteine oder Holzplatten zertrümmert. Schon lange sind die physikalischen Hintergründe der Bruchmechanik und Dynamik bekannt, die diese scheinbar unmöglichen Kunststücke erlauben. Dennoch steht das Verständnis der physikalischen Bewegungsgesetze häufig im Gegensatz zu unserer Alltagserwartung.
Die moderne optische Spektroskopie kann geringste Substanzmengen nachweisen. Für schnelle Routinemessungen reichen konventionelle Zweistrahl-Spektralphotometer. Eine wesentlich höhere Nachweisempfindlichkeit im ppm- oder sogar ppb-Bereich ermöglichen das Atomabsorptions-Spektrometer (AAS) und das Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer (FTIR). Ein AAS atomisiert die Probe vollständig und weist dann einzelne Elemente nach. Deshalb ist es zum Beispiel für die Schwermetall-Analyse geeignet. Bei der Analyse von Molekülen dominieren heute FTIR-Geräte. Ihr Herzstück ist meist ein Michelson-Interferometer. Zusammen mit schnellen Fourier-Algorithmen erlaubt es, sehr schnell breite Spektren aufzunehmen. Stationäre und mobile FTIR-Geräte können vielfältig eingesetzt werden.
Width of cluster plasmon resonances: Bulk dielectric functions and chemical interface damping
(1993)
The damping of collective electron resonances in clusters which develop into plasmon polaritons at larger sizes is investigated for free, supported, and embedded neutral metal clusters. Embedding of free 2 nm Ag clusters of 2-nm diameter into a SiO2 matrix leads to an increase of the width of the resonances by more than a factor of 3. The optical spectra are compared with the Mie theory using size-effect-modified dielectric functions of the solid state. The results corroborate the assumption that the widths of the resonances strongly depend on chemical interface effects. The results are briefly discussed with regard to limited-mean-free-path and quantum-size-effect theories and a recent approach by Persson. It is demonstrated that the widths of the spectra of supported and embedded clusters have to be interpreted with care since true intrinsic size effects of the clusters appear to be less effective than previously believed and can be obscured by the chemical interface damping.
© 1993 The American Physical Society
Wenn Licht die Biege macht
(2020)
Wenn es knallt und kracht
(2014)
An die Knallgasprobe erinnert sich wohl noch jeder aus dem Chemieunterricht. Die Zeitskala, auf der Wasserstoff und Sauerstoff reagieren hängt davon ab, ob die beiden Reaktionsgase zu Beginn getrennt oder gemischt vorliegen. Dies zeigt sich deutlich in Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen von Experimenten, bei denen Luftballons entweder mit reinem Wasserstoff oder aber mit Knallgas gefüllt werden.
Wahlverhalten von Schülern der Sekundarstufe II im Fach Physik seit 1990 im bundesweiten Vergleich
(2000)
Von Bällen und Schlägern
(2011)
Bälle sind eines der beliebtesten Spielzeuge von Kindern und Erwachsenen. Aus physikalischer Sicht haben alle Ballspiele eines gemeinsam: mehr oder minder stark deformierbare Bälle kollidieren mit Oberflächen. Die Physik vollständig elastischer Kollisionen beinhaltet zwar nur recht elementare Physik. In der Praxis sind Kollisionen jedoch praktisch nie hundertprozentig elastisch, und außerdem laufen die Prozesse so schnell ab, dass Details nur mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen sichtbar werden.
Visible and invisible mirages: comparing inferior mirages in the visible and thermal infrared
(2015)
Abstract
Visible (VIS)-light and thermal infrared (IR) inferior mirages in the 8–14 μm waveband have been observed simultaneously for the takeoff and landing of various airplanes at distances of several kilometers. Similarities as well as differences between the VIS and IR mirages are discussed.
© 2014 Optical Society of America
Es werden eine Reihe einfacher Freihandexperimente zum Thema Unterdruck vorgestellt. Viele der Beispiele sind vom grundlegenden Aufbau her bekannt, gestatten jedoch neue Varianten, Erweiterungen bzw. die Korrektur von Fehlvorstellungen. Neben der Druckmessung in Einmachgläsern und der Funktionsweise von Ausgussreinigern und Saughaken werden Druck- sowie Tragfähigkeitsmessungen an Staubsaugern diskutiert. Des weiteren wird untersucht, welche Saughöhe per Strohhalm realisiert werden kann. Es wird eine physikalisch einleuchtende, aber dennoch verblüffende Erweiterung des Versuchs mit dem umgedrehten Wasserglas präsentiert.
Und sie dreht sich doch …
(2018)
Und es werde Feuer
(2017)
Und es werde Feuer
(2017)
Twice in a blue moon
(2009)
Tropfen auf dem kalten Wein
(2012)
Viele kennen die leidvolle Erfahrung: Beim Frühstückstisch gießt man einen Schuss Milch in den Kaffee, und prompt spritzt eine kleine Fontäne aus der Tasse, und ein Tropfen landet – hier gilt Murphys Gesetz fast immer – auf dem frisch angezogenen Hemd oder mit etwas Glück nur auf der Tischdecke. Man kann dieses Phänomen unter kontrollierten Bedingungen mit Hochgeschwindigkeits-Kameras analysieren und interessante Physik hinter den Spritzern aufspüren.
Thermography of Microsystems
(2004)
Abstract
A very old and well-known magical trick is the so-called tablecloth pull. A table is covered with a tablecloth, on top of which are certain objects. The task is to remove the tablecloth while the objects—which must not be touched—stay on top of the table. This article describes the physics behind the experiment, and presents examples recorded with high-speed cameras.
The surface to volume ratio in thermal physics: from cheese cube physics to animal metabolism
(2008)
The physics behind the sometimes strange effects and 'unnatural' appearance of near-infrared (NIR) photographs is discussed in terms of reflection, absorption and transmission of NIR radiation with the respective objects. Besides discussing how NIR cameras work, several visible and NIR photograph pairs are presented, which include vegetation, natural water, clouds, the sky, and humans. In addition, some physics-oriented experimental NIR images are presented which clearly demonstrate some of the basic physics behind some of these awesome sights.
abstract
A large part of photonics research and development, as well as commercial applications such as optical data transmission or infrared thermal imaging, occurs in the infrared spectral range between 0.8 μm and 15 μm. However, relatively little material is so far available for experimentally teaching the physics and optics of this spectral range. We report a respective new approach in the near infrared (NIR) range between 0.8 μm and 1.7 μm that allows visualization of a number of fascinating physics phenomena. First, we use the near-infrared sensitivity of silicon-based detectors in rather inexpensive video cameras and digital single-lens reflex cameras by removing the infrared-blocking filter and replacing it with a visible-radiation blocking filter. Second, we utilize modern NIR cameras based on InGaAs detectors. With both camera types we illustrate and explain a number of physics concepts that are especially suitable for curricula in optics and photonics. Examples include the strangely bright appearance of vegetation, contrast enhancement between clouds and sky, the initially surprising differences of optical material properties between the VIS and NIR range, the possibilities of visualizing buried hidden structures and texts, and recent medical applications to locate blood vessels below the skin. © (2015) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only.
Freezing of lakes is described using a simplified one-dimensional model, which gives ice thickness, ice growth rates, and ice surface temperature as a function of time. Model data for a specific lake with known meteorological conditions are compared to estimated ice thickness using a simple optical method. Finally, more advanced potential students projects are briefly discussed and results of a numerical solution are compared to the simplified model.
Strahlungsgesetz und Augenempfindlichkeit: Bemerkungen zu einer klassischen Fehlinterpretation
(2001)
Abstract
Stehaufkreisel sind faszinierende physikalische Spielzeuge, die scheinbar die Schwerkraft auszutricksen vermögen: Nach anfänglicher Rotation drehen sie sich so um, dass sie schließlich auf der früheren Spitze rotieren. Hochgeschwindigkeits-Videos ermöglichen es, die komplizierten mathematischen Lösungen ihrer Bewegung experimentell zu überprüfen.
Springende Hüpfgummis
(2015)
Solar load and reflection effects and respective time constants in outdoor building inspections
(2009)
So weit das Auge trägt
(2023)
Sichtweiten in der Atmosphäre reichen von wenigen Metern im Nebel bis zu einigen hundert Kilometern bei extrem guten Fernsichtbedingungen. Die zugrundeliegende Physik geht vom Wahrnehmungskontrast aus. Dieser ändert sich mit der Entfernung entlang der Sichtlinie zwischen Objekt und Auge aufgrund von Lichtstreuung und Absorption an den Bestandteilen der Atmosphäre. Dazu kommt bei der Fernsicht die Refraktion, die es erlaubt, auch über den durch die Kugelform der Erde geometrisch bedingten Horizont hinaus zu sehen.
Irradiance during total lunar eclipses is simulated using a pinhole model. The Moon is illuminated by direct sunlight that is refracted into the Earth’s shadow as it passes through the atmosphere at the terminator but is depleted by scattering by molecules, extinction by aerosol particles, absorption by ozone, and obstruction by clouds and elevated land. On a spherical, sea-level Earth, and a cloudless, molecular atmosphere with no ozone, the eclipsed Moon appears red and calculated irradiance at the center of the umbra is reduced by a factor of about 2400 from direct moonlight. Selective absorption mainly of light around 600 nm by stratospheric ozone turns the periphery of the umbra pale blue. Typical distributions of aerosol particles, ozone, mountains, and clouds around the terminator reduce irradiance by an additional factor of the order of 100.
© 2008 Optical Society of America
Irradiance and color during the total lunar eclipses of 2007 and 2008 are simulated using a ray tracing model that includes refraction, scattering by molecules, and observed or climatological distributions of aerosols, ozone, clouds, and topography around the terminator. Central portions of the umbra appear deep red for almost all eclipses due to preferential removal of short wavelengths in the spectrum of sunlight by scattering in the lower troposphere. The fringe of the umbra appears turquoise or blue due to selective removal of wavelengths around 600 nm by the Chappuis absorption bands of ozone in the stratosphere. Asymmetric distributions of clouds and aerosols, particularly for the 2008 eclipse, produce minimum calculated irradiance up to 17 arc min from the umbra center, while high ozone content over the arctic makes the northern edge of the umbra deepest blue.
© 2008 Optical Society of America
Wohl jeder, der schon einmal mit Physik zu tun hatte, kennt die meist grünlichen Leuchtspuren von Oszillographen. Sie ermöglichen es, zeitabhängige Signale zu visualisieren und quantitativ auszumessen, insbesondere auch dann, wenn die Phänomene sehr schnell ablaufen. Die Reaktionsdynamik der leuchtenden Phosphore auf den Bildschirmen wird mit Hochgeschwindigkeits-Videos deutlich sichtbar.
Lässt man einen Körper fallen, so beschleunigt dieser auf Meereshöhe in unseren Breiten bekanntermaßen mit etwa 9,8 m/s2. Ist es dennoch möglich, dass unter diesen Bedingungen ein Körper schneller fallen kann? Was auf den ersten Blick paradox erscheint, ist durchaus möglich, wie sich mit Hochgeschwindigkeitsvideos eindrucksvoll belegen lässt.
Rotwein zu Wasser
(2015)
Abstract
Die Sensoren von Digitalkameras sind fähig, Licht im Nahinfraroten (NIR) bis hin zu Wellenlängen von 1100 nm aufzunehmen. Infrarotfilter blockieren diesen für den Menschen nicht sichtbaren Spektralbereich, um irritierende Falschfarbeneffekte in den Aufnahmen zu verhindern. Diese Filter sind aber entfernbar, und derart umgerüstete Kameras erschließen eine verblüffende Welt. Beim Übergang zum NIR ändern sich die optischen Eigenschaften vieler Objekte. In Landschaftsaufnahmen werden Blätter zu den hellsten Objekten. Rotwein, Cola oder Kaffee werden scheinbar zu Wasser. Man kann zudem unter die Oberfläche von Farben, Stoffen, Lacken und sogar der Haut schauen.
Fallende Tropfen oszillieren zwischen zigarren- und pfannkuchenähnlichen Formen. Das hat praktische Konsequenzen für moderne Methoden der Niederschlagsbestimmung, da Regenradargeräte als Eingangsparameter die statische Gleichgewichtsform der Tropfen zugrunde legen. Deshalb muss man auch deren dynamisches Verhalten kennen. Mit Hochgeschwindigkeitsvideos lässt sich dieses sehr gut beobachten.
Rainbows, water droplets, and seeing—slow motion analysis of experiments in atmospheric optics
(2011)
Many physics processes underlying phenomena in atmospheric optics happen on a rather short time scale such that neither the human eye nor video cameras are able to analyze the details. We report applications of high-speed imaging of laboratory experiments in atmospheric optics with subsequent slow motion analysis. The potential to study respective transient effects is investigated in general and for a few phenomena in detail, in particular for rainbow scattering due to single oscillating droplets during free fall, and for light propagation effects through atmospheric paths with turbulences, leading, e.g., to scintillation of stars or shimmering of mirage images.
© 2011 Optical Society of America
Sekt und Champagner gehören zur Silvesterfeier wie ein prächtiges Feuerwerk. Physiker verfallen hierbei leicht in Diskussionen über die Wurfparabeln der Sektkorken oder das akustische Phänomen des Knalls. Hochgeschwindigkeitskameras eröffnen zusätzlich die Möglichkeit, sehr schnell ablaufende Prozesse bei der Handhabung der edlen Tropfen sichtbar zu machen, zum Beispiel die adiabatische Expansion des Treibgases.
Die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Störung führt zu einer verzögerten Wirkung. Dieses Phänomen nennt man in der Physik Retardierung. Am häufigsten werden retardierte elektromagnetische Felder oder Potentiale in der Elektrodynamik behandelt. Auch in der Mechanik sind solche Verzögerungseffekte bei der Schallausbreitung in Luft oder Gasen ohne weiteres wahrnehmbar, beispielsweise beim Echo. Deutlich schwieriger beobachtbar sind sie in der Mechanik nichtgasförmiger Materialien. Hochgeschwindigkeitskameras zeigen dieses Phänomen auf beeindruckende Weise.
Physikdidaktik in Deutschland: Ergebnisse einer Umfrage der Europäischen Physikalischen Gesellschaft
(2003)
Aufgrund einer Initiative der Division of Education der europäischen physikalischen Gesellschaft (EPS) wurde eine europaweite Umfrage zur Physiklehrerausbildung und Forschung in Bereich Fachdidaktik der Physik durchgeführt. Insgesamt wurden Fachleute in 30 Ländern befragt. Da in der Bundesrepublik bezüglich der Lehrerausbildung mit den 16 verschiedenen Regularien der Bundesländer quasi ein kleines Europa existiert, wurde zusätzlich jeweils mindestens ein Fachdidaktiker in jedem Bundesland befragt, um für Deutschland eine detaillierte Analyse vornehmen zu können. Insgesamt ergab sich in Deutschland ein Rücklauf von 22 Fragebögen aus den 16 Bundesländern. Die wesentlichen Ergebnisse der deutschen Umfrage werden im Zusammenhang mit früheren Studien und Empfehlungen zur Fachdidaktik vorgestellt.
Ein einfacher physikalischer Zaubertrick besteht darin, eine Kette über den Handrücken zu legen und danach von unten einen Ring über die Kette zu schieben. Der Ring kann entweder von der zweiten Hand oder der die Kette haltenden Hand gehalten werden. Er wird sodann losgelassen und soll (mit einem Knoten) in der Kette hängen bleiben.
An inquiry among national experts on physics education research and teaching has been carried out using a questionnaire that deals with the organization of physics teacher training and the main tasks and research activities of professionals in physics education. The goal was to collect data on a European scale on physics teacher training at universities by professionals as well as on research activities by professionals in the field of physics education. Results are presented based on answers from 22 European countries.
This is the first of two articles about the physics of microwave ovens. This article deals with the generation of microwaves in the oven and includes the operation of the magnetrons, waveguides and standing waves in resonant cavities. It then considers the absorption of microwaves by foods, discussing the dielectric relaxation of water, penetration depths of electromagnetic waves in matter and, in considering the possible chemical changes during the microwave heating, multi-photon ionization or dissociation.