Physik
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Fata Morgana im Wasserbecken
(2020)
Gefrierende Gewässer
(2021)
Wenn Licht die Biege macht
(2020)
Asymmetrische Polarlichter
(2009)
Infrared Thermal Imaging
(2017)
Direct speed of sound measurement within the atmosphere during a national holiday in New Zealand
(2018)
Manche mögen‘s kochend heiß
(2019)
Und sie dreht sich doch …
(2018)
Infrared Yellowstone
(2017)
Und es werde Feuer
(2017)
Und es werde Feuer
(2017)
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.
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.
Die Gurke leuchtet komplex
(2015)
Abstract
Das Experiment, bei dem eine Essiggurke elektrisch stimuliert leuchtet, gehört zum Standardrepertoire vieler Schulen und Hochschulen. Meist wird es zur Elektrizitätslehre oder zur Atomphysik vorgeführt, inklusive vordergründig einleuchtender Erklärung. Eine genauere Untersuchung zeigt jedoch, dass der Mechanismus komplexer als gedacht ist. Die Lichtemission entsteht in einem Zusammenspiel von Elektrolyse und hohen Elektrodentemperaturen. Dabei regen wahrscheinlich vor allem exotherme Wasserstoff- oder Knallgasreaktionen das Natriumlicht an.
Springende Hüpfgummis
(2015)
Der Trick mit der Tischdecke
(2015)
Abstract
Eine Tischdecke unter einem Service feinsten Porzellans wegzuziehen ohne dass etwas vom Tisch fällt und zerbricht ist sicher eine Herausforderung. Aber viele Vorführungen, auch in Experimentalphysik-Vorlesungen beweisen: es funktioniert. Hochgeschwindigkeits-Videos können diesen heiklen Experimenten physikalische Details entlocken.
Abstract
Das Flimmern der Sterne, von manchen als romantisch empfunden, ist für Astronomen ein Ärgernis. Selbst bei klarer Luft scheinen die Sterne herumzuhüpfen und in ständiger Bewegung zu sein. Das Maß des Seeings, wie die Wissenschaftler sagen, beschränkt das räumliche Auflösungsvermögen von Teleskopen. Mit einer einfachen Versuchsanordnung und einer Hochgeschwindigkeits-Kamera lässt sich dieses Phänomen im Labor nachstellen und analysieren.
Light-emitting pickles
(2015)
Abstract
We present experiments giving new insights into the classical light-emitting pickle experiment. In particular, measurements of the spectra and temperatures, as well as high-speed recordings, reveal that light emission is connected to the polarity of the electrodes and the presence of hydrogen.
Flickering lamps
(2015)
Abstract
Many processes in electromagnetism vary with time. Some of them are well known, in particular those related to line frequencies of 50 Hz or 60 Hz such as fluctuating light output of discharge and incandescent lamps. The flickers of discharge and incandescent lamps have quite different physical principles involved, which are investigated experimentally using high-speed cameras and theoretically using simplified models. The topic is related to other phenomena such as the transient behaviour of phosphor layers covering the screen of oscilloscopes and the time-varying Lorentz force acting on the filament of light bulbs. All studies are well suited for teaching selected aspects of electromagnetism and light at undergraduate level at university.
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.
Bouncing Poppers
(2015)
Abstract
Toys are known to attract interest in physics and they are therefore often used in physics teaching of various topics. The present paper deals with a simple toy, the so-called “hopper popper,” which, similar to superballs, can be used when teaching mechanics. We suggest some experiments and describe the basic physics of this toy, also providing background information for teachers.
abstract
Nature provides many beautiful optical phenomena that can be used to teach optical principles. Here we describe an interdisciplinary education project based on a simple computer model of the colors observed in the famous thermal pools of Yellowstone National Park in the northwestern United States. The primary wavelength-dependent parameters that determine the widely varying pool colors are the reflectance of the rocks or the microbial mats growing on the rocks beneath the water (the microbial mat color depends on water temperature) and optical absorption and scattering in the water. This paper introduces a teaching module based on a one-dimensional computer model that starts with measured reflectance spectra of the microbial mats and modifies the spectra with depth-dependent absorption and scattering in the water. This module is designed to be incorporated into a graduate course on remote sensing systems, in a section covering the propagation of light through air and water, although it could be adapted to a general university optics course. The module presents the basic 1-D radiative transfer equation relevant to this problem, and allows them to build their own simple model. Students can then simulate the colors that would be observed for different variations of the microbial mat reflectance spectrum, skylight spectrum, and water depth. © (2015) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only.
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.
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
Abstract
Simultaneous visible and long-wave infrared (IR) images of the Moon were used with a simple energy-balance model to study the spatial pattern of lunar surface temperatures. The thermal images were obtained with a radiometrically calibrated, compact, low-cost, commercial IR camera mounted on a small telescope. Differences between the predicted and measured maximum Moon temperatures were used to determine the infrared optical depth (OD), which represents the path-integrated extinction of an elevated layer of wildfire smoke in the atmosphere. The OD values retrieved from the IR Moon images were combined with simultaneous OD measurements from a ground-based, zenith-pointing lidar operating at a wavelength of 532 nm to determine an IR-to-visible OD ratio of 0.50±0.18 for moderately aged wildfire smoke aerosol.
© 2014 Optical Society of America
Abstract
So far experiments with artificial halos from single transparent crystals have suffered from the lack of apparatus that allows simultaneous rotation around two and three axes. A new setup is presented which overcomes these restrictions by combining electrical as well as pneumatic concepts. This enables reproducible experiments of the most common halos observed in nature and for the first time artificial ring halos from single hexagons rotating around three axes simultaneously. In addition, an old qualitative halo demonstration based on perceived colors of rotating colored areas whose contours represent scattering plots has been reinvestigated and the usually nonsaturated color of artificial parhelia was visualized using a crossed prism method. These new experiments are discussed in the context of all known artificial halo experiments.
© 2014 Optical Society of America
Abstract
The brilliant visible colors of various hot springs and pools in Yellowstone National Park are explained with a combination of scattering from the water and from microbial mats that coat the bottoms of these thermal features. A simple 1D radiative transfer model was used to simulate the colors recorded in visible photographs and the spectrum of light making up these colors. The model includes attenuation in water by absorption and molecular scattering as well as reflection characteristics of the microbial mats and surface reflection of the water. Pool geometries are simulated as simple rough cones scaled to have depths and widths that match published data. Thermal images are also used to record the spatial distribution of water skin temperature. The measurements and simulations confirm that colors observed from shallow-water features arise primarily from the spectral properties of the microbial mat, which is related to the water temperature, while colors observed from deeper water arise primarily from the wavelength-dependent absorption and scattering in the water.
High speed - slow motion II : more experiments using gases, fluids, heat and electromagnetism
(2010)
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.
Regenbögen, Halos, Koronen, Himmelsfarben – es gibt eine Vielzahl farbenprächtiger Phänomene in der Natur, verursacht durch Reflexion, Brechung oder allgemein gesprochen durch Streuung des Lichts an Wassertropfen, Eiskristallen oder Aerosolen. Das farbige Glitzern einer Schneeschicht scheint zunächst anderer Natur zu sein, lässt sich aber auf analoge Weise erklären.
Konkav gewölbte Glasfassaden von Großbauten können bei ungünstiger Orientierung zur Sonne zum Brennspiegel werden. Unfreiwillig berühmt gewordene Beispiele sind das Vdara-Hotel in Las Vegas und das “Walkie-Talkie”-Hochhaus in London. Dieser Effekt tritt auch nur an bestimmten Tagen bei passendem Sonnenstand auf. Da die Fassaden keine perfekten Parabolspiegel sind, produzieren sie keinen scharfen Brennpunkt, sondern aufgeweitete Brennflecke, sogenannte Kaustiken. Trotzdem können dort hohe Bestrahlungsstärken auftreten. Simulationen und Experimente mit Modellen bestätigen dies.
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.
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.
Double pane windows are common objects which can enrich physics teaching at undergraduate level at least in five different fields. First, having sealed inner spaces filled with gas, one can discuss gas law problems upon changes of pressure and/or temperature. Second, when discussing temperature differences between inside and outside, one needs to take into account the associated heat transfer mechanisms which define the pane temperatures, enclosing the gas. Third, using elastic properties of the glass, one may treat deformations of the window panes upon those changes or additional manually applied external pressure. Fourth, the reflective properties of glass combined with the pane deformations result in concave or convex mirrors, which when illuminated by the Sun, may lead to focal points on projection areas such as facing houses. Fifth, such areas receive an increased irradiance which leads to associated thermal effects. Starting from the most obvious daily life phenomenon, the fascinating caustics of reflected sunlight on streets or walls, all of these double pane window phenomena are investigated experimentally as well as theoretically.
Rohe Eier oder wassergefüllte Christbaumkugeln platzen beim Eindringen des Projektils einer Luftpistole. Dieser Vorgang lässt sich einfach durch die sehr geringe Kompressibilität des Wassers und eine damit verbundene starke Druckerhöhung erklären (Physik in unserer Zeit 2013, 44(5), 251). Eine genaue Analyse aller Vorgänge sollte aber auch Fragen beantworten wie: Spielen vorhandene Luftblasen in der Flüssigkeit eine Rolle? Wie lange dauert es bis zum Aufplatzen, und muss die wassergefüllte Kugel eigentlich fest verschlossen sein?
A cone of light appears in a tank of water when a laser pointer shines through the water onto a white piece of paper upon which the tank is sitting. We describe how students can understand the origins of this cone by constructing multiple explanations, then proposing and designing experiments to test their explanations. This process is the foundation of the Investigative Science Learning Environment (ISLE) framework, designed to engage students in the reasoning activities similar to those that physicists use to construct and apply new knowledge. We describe typical student ideas and provide a list of equipment and suggestions for facilitating student exploration relating to optics. We also explain the formal physics behind the phenomena that are involved in the experiment. Finally, we suggest how the ISLE framework can be used to help instructors find problems and experiments that engage students in devising and testing multiple explanations.
Infrared
(2013)
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
Model simulations of laboratory-generated and natural crepuscular rays are presented. Rays are created in the laboratory with parallel light beams that pass through artificial fogs and milk–water solutions. Light scattered by 90° in a dilute mixture of whole milk first increases in intensity with distance from the source to a maximum as a result of multiple scattering by mainly small angles before decreasing exponentially due to extinction as distance continues to increase. Crepuscular rays are simulated for three cloud configurations. In case 1, the Sun at the zenith is blocked by a cloud with an overhanging anvil. The rays appear white against blue sky and are brightest when atmospheric turbidity, β≈11 . Shading by the anvil separates maximum brightness from apparent cloud edge. In case 2, a ray passes through a rectangular gap in a cloud layer. The ray is faint blue in a molecular atmosphere but turns pale yellow as β and solar zenith angle, ϕsun , increase. At ϕsun=60° it appears most striking when the cloud is optically thick, β≈5 , and the beam width Δx≈1000 m . In these cases, increasing aerosol radius, raer , to about 1000 nm brightens, narrows, and shortens rays. In case 3, the twilight Sun is shaded by a towering cloud or mountain. The shaded rays are deeper blue than the sunlit sky because the light originates higher in the atmosphere, where short waves have suffered less depletion from scattering. The long optical path taken by sunlight at twilight makes color and lighting contrasts of the rays greatest when the air is quite clean, i.e., for β−1≪1 . In all cases, the brightest rays occur when sunlight passes through an optical thickness of atmosphere, τ≈O(1) .
© 2011 Optical Society of America
Wahlverhalten von Schülern der Sekundarstufe II im Fach Physik seit 1990 im bundesweiten Vergleich
(2000)
Die Lorentz-Kraft auf bewegte Ladungen im Magnetfeld lässt sich auf unterschiedliche Weise demonstrieren. Ein beeindruckendes Beispiel ist die wechselstromdurchflossene Wendel einer Glühlampe, die in einem zeitlich konstanten Magnetfeld schwingt. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera kann man diese schnelle Bewegung zeitaufgelöst darstellen.
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.
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.
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.
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.
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?
Hinter manchem vermeintlichen Zaubertrick versteckt sich einfache Physik. Das entzieht den Tricks aber nicht ihre Faszination. Im Gegenteil. Ein gutes Beispiel ist das folgende Rätsel, das sowohl auf Kindergeburtstagen als auch auf Partys mit Erwachsenen erfolgreich eingesetzt werden kann. Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen ermöglichen die physikalische Analyse.
Rohe Eier sind, zwischen Daumen und Zeigefinger gehalten, sehr stabil. Das gilt auch für kugelförmige Christbaumkugeln. Mit solchen Feiertagsutensilien lassen sich interessante physikalische Experimente zur Inkompressibilität von Flüssigkeiten anstellen – und mit Hochgeschwindigkeitskameras studieren.