Fachbereich Technik
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Gespiegelt in besondern Düften …: Oasen, Seeungeheuer und weitere Spielereien der Fata Morgana
(1998)
„Wer die Natur liebt, der braucht das Beobachten ihrer Erscheinungen wie die Luft zum Atmen.” — So formulierte Marcel Minnaert das Bedürfnis der Naturbeobachtung im Vorwort seines berühmten Buchs „Licht und Farbe in der Natur” [1]. Bekannte Beispiele für Naturerscheinungen in der Atmosphäre sind Luftspiegelungen, Regenbögen und Halos. Diese optischen Phänomene bieten nicht nur faszinierende Anblicke, sondern beinhalten auch genügend Aspekte für eine interessante Physik (z. B. [2]). — Der vorliegende Artikel geht von grundlegenden physikalischen Betrachtungen aus und zeigt, daß sich alle Phänomene atmosphärischer Optik übersichtlich klassifizieren lassen. Luftspiegelungen werden exemplarisch im Detail behandelt. Viele nützliche Informationen findet man in Standardwerken [1, 3–5]; den aktuellen Stand der Forschung in Konferenzberichten, z. B. [6].
Old and new laboratory experiments on atmospheric optics with a focus on mirages, rainbows, and halos are presented. Some qualitative demonstrations serve primarily didactical purposes, e.g., by proving the existence of curved light rays in media with a gradient of the index of refraction, by directly visualizing the minimum-deviation curve for rainbow paths in water droplets, or by helping to elucidate the ray classes in hexagons that contribute to a specific halo. In addition, quantitative experiments allow a direct comparison of angular positions and intensities with analytical computations or Monte Carlo simulations of light scattering from small water droplets or ice hexagons. In particular, the latter can help us to understand complex halo phenomena.
© 1998 Optical Society of America
Porträts von Naturwissenschaftlern und sachliche Darstellungen aus der Physik finden sich in zahlreichen Bereichen des täglichen Lebens, insbesondere auch auf vielen Banknoten. Die Auswahl -- vorgegeben durch die politisch inspirierte Motivwahl der Notenbanken -- stellt eine interessante Reise durch die Wissenschaftsgeschichte dar.
Wahlverhalten von Schülern der Sekundarstufe II im Fach Physik seit 1990 im bundesweiten Vergleich
(2000)
Max Planck legte 1900 mit dem nach ihm benannten Strahlungsgesetz das quantitative Fundament zu so genannten Wärmebildsystemen. 100 Jahre später gibt es — mit bedingt durch Fortschritte in der Halbleitertechnologie und Mikrosystemtechnik — Infrarotkameras, mit denen sowohl die von Planck untersuchten Strahlungsgesetze zur Hohlraumstrahlung als auch allgemein wissenschaftliche und technische Anwendungen der Temperaturstrahlung von Körpern untersucht werden können. Darüber hinaus bieten sich solche Systeme auch für didaktische Zwecke an, da physikalische Gesetzmäßigkeiten mit Energieaustauschprozesssen aus sehr vielen Gebieten der Physik durch eine etwas andere, physikalische Sehweise visualisiert und damit für Lehrzwecke eingesetzt werden können.
Das ist ein seltsam wunderbares Zeichen! Ein Streifzug durch die Kulturgeschichte des Regenbogens
(2000)
Experimentelle Validierung einer optimalen Anfahrstrategie für hochrein trennende Bodenkolonnen
(2000)
Coole Experimente
(2001)
Experimente mit flüssigem Stickstoff kommen in der Lehre - vor allem an Hochschulen - bislang zu kurz. Dabei gibt es schöne Versuche aus nahezu allen Bereichen der Physik, die in Lehrveranstaltungen relativ einfach vorgeführt werden können. Wir stellen hier einige Experimente vor, die eindrucksvoll demonstrieren,wie sich physikalische Eigenschaften bei tiefen Temperaturen ändern.
Strahlungsgesetz und Augenempfindlichkeit: Bemerkungen zu einer klassischen Fehlinterpretation
(2001)
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.
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.
Über die Farben der Sonne und des Himmels: Rayleigh- und Miestreuung in Demonstrationsexperimenten
(2002)
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.
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.
Some laboratory demonstrations on atmospheric optics are presented. The focus is on dispersion effects in mirages, lateral mirages, and inferior mirages produced with small hot plates. We also show a demonstration of the upper-tangent-arc halo, produced with a hexagonal prism, rotating about two axes.
© 2003 Optical Society of America
Haushaltsmikrowellen bieten ein interessantes Feld für einfache, teilweise spektakuläre Vorführexperimente. Mit Thermofaxpapier und Infrarotkamera lassen sich zum Beispiel die Modenverteilungen des Zentimeterwellenfeldes im Garraum sichtbar machen. Eine Reihe von Versuchen kann die Absorption durch Metalle zeigen, besonders interessant sind dabei dünne Drähte und Drahtspitzen: Lampenbirnen glühen und Wunderkerzen zünden von selbst. Mikrowellen können auch Entladungslampen starten, Wasser im Eisblock erhitzen und Eier explodieren lassen.
Die Physik der Haushaltsmikrowelle ist erstaunlich reichhaltig: Sie umfasst die Erzeugung von Mikrowellen in Magnetrons, Wellenleiter und Resonatoren für elektromagnetische Felder, die dielektrische Relaxation bei der Orientierungspolarisation von Wasser, und die Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen in Materie. Eine Abschätzung der Bedingungen für Multiphotonenionisation und Dissoziation zeigt, dass Haushaltsmikrowellen Speisen chemisch nicht verändern können.
Don't put metal objects in the microwave' is common safety advice. But why? Here we describe demonstration experiments involving placing household metallic objects in a microwave oven. These allow a better understanding of the interaction of microwaves with materials. Light bulbs and discharge lamps can also be used in instructive demonstrations.
Microwave ovens can be used to perform exciting demonstrations that illustrate a variety of physics topics. Experiments discussed here show superheating, visualize the inhomogeneous heating that takes place in a microwave and also show how to use a mobile phone to detect radiation leaking from the oven. Finally eggs can give some spectacular (though messy) explosions. In all cases please note the safety advice given.
This article forms the second of two papers on the subject of microwave cookers. In the first paper Michael Vollmer describes the physics behind the production of microwaves in the magnetron of the oven, the waveguide and the interaction between the microwaves and the food. This article looks at the physics of cooking, and how the appliance and the food industries have developed products which are now part of many of our students' lifestyles. We include many interesting demonstrations that illustrate this history and which could be used to teach many principles of physics.
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.
Thermography of Microsystems
(2004)
Im Bereich des Querschnittsübergangs der Federstelle bilden sich unter ungünstigen Umständen im Fuß von Zungenschienen Ermüdungsrisse, die letztlich den Bruch der Schiene verursachen können. Zur Qualifizierung der Bewertungskriterien, d.h. des Prüfzyklusses der zerstörungsfreien Prüfung der Zungenschienen, wird die bruchmechanische Analyse als Monte-Carlo-Simulation gestaltet. Aus dem ungünstigsten Risswachstumsverhalten wird für die zerstörungsfrei ermittelte Rissgröße der erforderliche Prüfzyklus in Abhängigkeit von der Betriebsbelastung abgeleitet.
Koronen sind farbige Ringsysteme um Sonne oder Mond. Sie entstehen in der Atmosphäre durch Beugung des Lichts an Wassertropfen in Wolken oder anderen kleinen Teilchen. Wichtig ist dabei, dass die Wolken optisch dünn sind. Dann streut das Licht auf seinem Weg von der Lichtquelle ins Auge des Beobachters nur an einem einzigen Tropfen. Außerdem sollten die streuenden Teilchen eine möglichst enge Größenverteilung haben. Erst dann wird die Korona in voller Ausprägung mit zentraler Aureole und mehreren farbigen Ringen sichtbar. Ihre grundlegenden physikalischen Eigenschaften lassen sich durch Beugung an einer einfachen Kreisblende verstehen. Genaue Resultate liefert die Mie-Theorie. Koronen können mit Computersimulationen und einfachen Experimenten gut im Unterricht behandelt werden. Aus den Abmessungen einer Korona lässt sich die Tröpfchengröße ermitteln.
In den letzten Jahren gab es einen wahren Boom von Neugründungen so genannter Science Center. Sie sollen die Naturwissenschaften insbesondere die Physik für einen breiten Personenkreis erfahr- und lernbar machen. In loser Folge werden wir einige dieser Center im deutschsprachigen Raum vorstellen. Der vorliegende einführende Beitrag gibt eine kurze Übersicht über Konzepte, Anliegen und Trends dieser Einrichtungen.
Diffraction revisited : position of diffraction spots upon rotation of a transmission grating
(2005)
The question of how the line spectrum of atoms is transformed into the continuous spectrum of thermal radiation of a gas by repeated absorption and emission of photons is addressed. We consider a simple model of a hydrogen-like gas in thermal equilibrium where only the Lyman-α transition is allowed and calculate the spectra for increasing thickness of the gas. The transition from line spectra for optically thin samples to the spectra of thermal radiation for optically thick samples is demonstrated. We estimate the emissivities for hot gases and study the line width of spectral lines due to self-absorption processes.
A procedure to experimentally simulate pollen coronas is discussed. Observed coronas are due to pine and birch pollen having different geometries. Using computer simulations, two-dimensional projections of a large number of pollenlike objects with adjustable shapes, with or without preferential orientation and statistical or regular spatial distribution, are generated. The photograph of the printout allows samples with typical sizes between 20 and 200 µm. Their diffraction patterns can closely resemble the ones observed in nature and predicted by theory.
© 2005 Optical Society of America
Light scattering from small particles changes if the particles are absorbing. Whereas the effect is small for coronas and Bishop's ring, glories show pronounced attenuation with increasing absorption. Results indicate suitable wavelength regions for studies of glory scattering from cloud tops. The behavior of core-shell particles could have applications for studying the atmosphere of Venus; in addition it provides more insight into the simple ray-path model of the glory.
© 2005 Optical Society of America