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Physik

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Wärmebildkamera








 Zum Abschied noch zwei der ersten Wärmebildaufnahmen aus 2018

Gut zu sehen ist die Zunnahme der Temperatur und damit der inneren Energie beim Bremsen eines Fahrrads.

Im Gegensatz zu sichtbaren Licht ist der Luftballon für Wärmestrahlung durchlässig.
 




 Energieerhaltung bei der in elastischen Landung einer Kugel

Das zentrale Thema des Physikunterrichts in der 8. Jahrgangsstufe ist die Energieerhaltung. Energie kann zwar in eine andere Energieform umgewandelt werden, sie geht jedoch nie verloren.

Leider steht dieser Aussage die tägliche Erfahrung entgegen. Fällt z.B. eine Kugel zu Boden und bleibt dort liegen, so scheint die Höhenenergie, die die Kugel vor dem Fall hatte, verschwunden zu sein.

Tatsächlich ist aus dieser jedoch innere Energie geworden, d.h. die Temperatur der Stoßpartner hat zu genommen. Mit der Wärmebildkamera kann man diese Temperaturerhöhung gut sehen. Die Abbildung zeigt z.B. ein Holzbrettchen auf das eine 5 kg schwere Stahlkugel aus ca. 1 m Höhe gefallen ist. Gut zu sehen ist die Erwärmung der Aufprallstellen.
 







 Wir hinterlassen mehr Spuren als wir denken.

Mit einer Wärmebildkamera kann man gut sehen, welcher Stuhl kürlich benutzt wurde bzw. welchen Weg ein barfüsiger Läufer zurückgelegt hat.
 




 Stromverbrauch von 10.000 Hauhalten eingespart.

Wenn man den Eisenkern eines Transformators genauer betrachtet, so fällt auf, dass dieser nicht aus einem Stück besteht, sondern aus kleinen Metallblättern zusammengesetzt ist, die durch Lackschichten voneinander isoliert sind. Der Grund ist, die Unterbindung von Wirbelströmen, die sonst zur Erwärmung und entsprechenden Energieverlusten führen.
Das Wärmebild der Experimentiertrafos zeigt klar den Unterschied zwischen einem massiven (vorne) und einem geblätterten Kern (hinten).
Was im Unterricht eine nette Beobachtung ist, hat in der Praxis enorme Auswirkungen. So ist es eine ausgefeilte Kunst, einen Transformatorkern so zu bauen, dass der Wirkungsgrad des Transformators möglichst hoch wird. Die Erfolge sind beeindruckend. Mit Hilfe von Laserschliff und anderen ausgefeilten Methoden werden Wirkungsgrade bis zu 99,75% erreicht. Warum dies so wichtig ist verdeutlicht eine kleine Überlegung: Große Transformatoren z.B. bei einem Kernkraftwerk haben eine Leistung von 1100 MW. Eine Erhöhung des Wirkungsgrads um 0,5% entspricht somit einer Einsparung des Stromverbrauchs von ca. 10.000 Vierpersonenhaushalten.
 







 Rettunsdecke - Gehört die goldene oder die silberne Seite nach außen?

Handelsübliche Rettungsdecken haben eine goldene und eine silberne Seite. Beim Experimentieren mit der Wärmebildkamera kam von einem Schulsanitäter die Anregung, das Reflexionsvermögen für Wärmestrahlung der beiden Seiten zu untersuchen.
Dazu legten wir 2 Folien nebeneinander links mit der silbernen rechts mit der goldenen Seite nach oben. Auf die beiden Folien stellten wir ein Becherglas mit heißem Wasser, sodass die von dem Glas ausgehende Wärmestrahlung von den beiden Folien reflektiert wurde.
Die Unterschiede sind durchaus beachtlich (deutlich stärkere Reflexion bei der goldenen Folie im Wärmebild), doch leider nicht theoriekonform, da eigentlich zu erwarten wäre, dass die silberne Folie besser reflektiert.
Ein schönes Beispiel dafür, dass Experimente nicht nur Fragen beantworten sondern auch neue Fragen stellen, die dann zum Stachel für weitere Forschungen werden.

 




 LED - Energiesparen durch Technik

Das Wärmebild dieser Woche (augenommen von 2 Schülern der 9en) zeigt eine LED-Lampe (links) neben einer herkömmlichen Glühbirne (rechts) mit vergleichbarer Leistung.
Deutlich zu erkennen ist, wieviel weniger thermische Energie die LED-Lampe abgibt. Entsprechend fällt deren Stromverbrauch um ca. 90% geringer aus, als der einer herkömmlichen Glühbirne.
Erfreulich auch, dass die LED im Gegensatz zu Energiesparlampen ohne Quecksilber ausgkommt. In der Summe ein beeintruckender Beleg für den technologischen Fortschritt.
 







 Energieabgabe des Schulhauses - sichtbar dank Förderverein

Energieeinsparung ist ein großes Thema. Einen wichtigen Beitrag leistet dabei die Wärmedämmung von Gebäuden.
Mit der Wärmebildkamera können wir uns konkret ein Bild von der Dämmung unserer Schulgebäude machen. Erfreulicherweise ist beim Neubau insbesondere im Bereich der Fenster eine klare Verbesserung erkennbar.
Für den Physikunterricht bieten die Bilder natürlich Anlass die Ursachen genauer zu erforschen, z.B. die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium (Material der Fensterrahmen des Altbaus).
 




 Fehlvorstellungen anschaulich entgegentreten - Dank an Förderverein

In NuT (7. Klasse) wird gerade der Widerstand behandelt. Dabei hält sich z.T. hartnäckig die Fehlvorstellung, dass eine Glühbirne umso heller brennt, je dünner der Glühdraht ist (Vorstellung: dünnerer Draht --> höhere Elektronenreibung).

Mit der neuen Wärmebildkamera kann nun anschaulich gezeigt werden, dass aufgrund der größeren Stromstärke tatsächlich der dickere Draht heißer wird.

Wärmebild: die Wendel aus einem dickeren Draht (rechts) erreicht eine höhere Temperatur
 







 Wasserschaden in N112 im Wärmebild

Nachdem im Sommer aufwändig das Mensadach erneuert werden musste, schwächelte im Advent das benachbarte Dach über den Klassenzimmern. Aktuell ist daher das Klassenzimmer N112 wegen Trocknungsarbeiten nicht benutzbar.
So ärgerlich die Dachprobleme sind, für Physiker bieten Sie Gelegenheit zu sehen, wie Wasserschäden im Wärmebild sichtbar werden.

Das obere Bild zeigt, den Wasserschaden über dem Fenster. Im 2. Bild kann man gut sehen, wie das Wasser eine Deckenleiste entlanggelaufen ist.
 




 Chemische Reaktionen bei 9V-Batterie sichtbar gemacht - Dank an Förderverein

In den 7. Klassen behandeln wir gerade Batterien. Deshalb zeigt das heutige Wärmebild eine 9V-Blockbatterie, deren Pole kurzgeschlossen sind.
Gut zu erkennen ist, dass die Batterie aus 6 Zellen aufgebaut ist (6 * 1,5V = 9 V).
Zu beachten ist, dass die kurzgeschlossene Batterie sehr heiß wird, wenn der Versuch nicht rechtzeitig abgebrochen wird, wie wir es hier bei einer Temperatur von ca. 51 °C getan haben.
 




 Temperaturverteilung bei einem Heizkörper - Dank an Förderverein

Im letzten Schuljahr konnte mit Hilfe des Fördervereins eine Wärmebildkamera beschafft werden. Diese ist nun ein halbes Jahr im Einsatz und wir entdecken quasi täglich neue spannende Phänomene, die damit beobachtet werden können. Eine kleine Auswahl davon würden wir gerne hier weitergeben.

Über die nächsten Monate wird daher in dieser Rubrik jede Woche ein anderes Wärmebild veröffentlicht.

Den Anfang macht passend zur Jahreszeit ein Bild des Heizkörpers im Kopierraum. Gut zu sehen ist, wie die Temperatur des Wassers, das oben beim Ventil einströmt, nach unten hin abnimmt. Die Temperaturspanne reicht dabei von ca. 50°C bis 25°C.

Berühre doch einmal mit der Hand einen Heizkörper oben und unten und spüre den Temperaturunterschied.
 



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