Astronomie: Willkommen im Fachportal

Im vorigen Abschnitt wird das Potenzial der Dotierung erwähnt, das ein Maßschneidern von Halbleitermaterialien für bestimmte Zwecke ermöglicht. Hier erfolgt nun exemplarisch an einem ersten Beispiel die Betrachtung der Vorgänge in solchen Bauteilen. Die einfache Hintereinander-Anbringung von zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten führt zur Diode. Das Verhalten im spannungslosen Fall als auch beim Anlegen von Gleichspannungen unterschiedlicher Polung wird untersucht und führt zum einen zur Einführung der Kennlinie als Möglichkeit der Charakterisierung der technischen Daten eines Halbleiterbauteils und zum anderen zum Verständnis der Einsatzmöglichkeit als Gleichrichter. An diese Sequenz lässt sich gut eine praktische Unterrichtseinheit mit Schülerversuchen anschließen, in denen Dioden in Schaltungen verwendet werden. Dazu können auch gleich LEDs verwendet werden. Diese werden im Film zusammen mit Fotodioden und Solarzellen als besondere Ausformungen der Dioden vorgestellt.

Es gibt viele Maschinen, die einfach, leicht und dennoch robust gebaut sein müssen. Viertaktmotoren sind für sie zu groß und zu schwer. Aber es gibt eine kleine und dennoch leistungsstarke Alternative: den Zweitaktmotor. Es kommt bei ihm insbesondere auf eine kleine kompakte Bauweise an. Um den Leistungsverlust, der mit der kleineren Bauweise einhergeht, zu kompensieren, wird versucht, die Leistung zu steigern, indem man jeweils zwei Takte zu einem Takt zusammenfasst. Damit wird einerseits das Zweitaktprinzip auf das Viertaktprinzip zurückgeführt. Andererseits wird der Nachteil der Viertaktmotoren angesprochen, dass nur bei jedem zweiten Hub Arbeit verrichtet wird.

Schwere Maschinen, die schwere Arbeit verrichten, brauchen einen leistungsstärkeren Motor als den Ottomotor. Hierfür erfand Rudolf Diesel den nach ihm benannten Dieselmotor. Mit ihm wird die erste Weiterentwicklung erklärt, die versucht, Ottos Innovation durch eine noch stärkere Kompression weiter zu verbessern. Beim Dieselmotor werden Lkws und Schiffe als typische Einsatzorte genannt. Dennoch gibt es auch Autos mit Diesel- als auch mit Ottomotoren.

Die Missionen zum Mars lassen das Bild von unserem Nachbarplaneten immer deutlicher werden. Sie enthüllen Details über seine Oberfläche, sein Magnetfeld und seine Atmosphäre. Außerdem zeigen sie, dass es Eis auf dem Mars gibt - Kohlenstoffdioxideis, aber auch Wassereis. Auf dem Mars gibt es außerdem die größte bekannte Erhebung - den Vulkankrater Olympus Mons - und den größten bekannten Canyon im Sonnensystem.

Der Aufbau und die Funktionsweise dieses Heizungstyps wird anhand einer Animation erklärt.

Der norwegische Polarlichtpionier Kristian Birkeland erforschte im neunzehnten Jahrhundert in Observatorien in den Bergen über dem Altafjord Polarlichter. Eines seiner Instrumente war ein Magnetometer, mit dem er winzigste Änderungen des Erdmagnetfeldes messen konnte. So erkannte er, dass Polarlichter immer mit magnetischen Stürmen einher gehen. Birkeland stellte die spektakuläre Theorie auf, dass die Magnetstürme von einem Strom elektrisch geladener Teilchen stammen, die von der Sonne kommen und auf das Magnetfeld der Erde einprasseln.

In diesem Video werden Symmetrien von stehenden Wellen in der Kaffeetasse diskutiert. Mit einer einfachen Kaffeetasse lassen sich interessante Varianten zu Chladnischen Klangfiguren erzeugen. Schlägt man mit einem Löffel die Tasse an unterschiedlichen Stellen an, erzeugt dies höhere oder tiefere Töne. Entscheidend hierfür ist der Winkel zwischen der Position des Henkels und dem Anschlagsort des Löffels. Im Bild stehender Wellen kann das Phänomen verdeutlicht werden. Am Tassenrand bildet sich eine stehende Welle, im einfachsten Fall entsprechen vier Schwingungsbäuche beziehungsweise zwei Wellenlängen dem Tassenrand. Wenn ein Schwingungsbauch am Henkel entsteht, schwingt mehr Masse, daher wird die Frequenz kleiner und der Klang wird tiefer. Bildet sich am Henkel ein Schwingungsknoten, schwingt weniger Masse, daher wird die Frequenz größer und der Klang wird höher. Anhand geeigneter Visualisierung stehender Wellen wird diese Theorie im Video bewiesen. Das hier vorgestellte Video ist Teil des Projektes "U2: Quantenspiegelungen" vom Institut für Didaktik der Physik der Universität Münster. Mathematisch fundierte Visualisierungen eröffnen Schritt für Schritt einen Zugang zu moderner Atomphysik – vom Wasserstoffatom bis zum Periodensystem der Elemente.

Das Video zeigt eine überraschend einfache, geometrische Deutung des Spins in vier Dimensionen und eine doppeldeutige Interpretation in drei Dimensionen. Der Elektronzustand hat einen Orts- und einen Spinanteil. Beide Anteile lassen sich aus dem Spektrum der Gitarrensaite ableiten. In diesem Video werden zunächst die Grundschwingung und der erste Oberton betrachtet; alle höheren Moden lassen sich ganz analog herleiten. Das hier vorgestellte Video ist Teil des Projektes "U2: Quantenspiegelungen" vom Institut für Didaktik der Physik der Universität Münster. Mathematisch fundierte Visualisierungen eröffnen Schritt für Schritt einen Zugang zu moderner Atomphysik – vom Wasserstoffatom bis zum Periodensystem der Elemente.

In diesem Video wird das erste Experiment, mit dem die Quantennatur des Spins nachgewiesen wurde, diskutiert: das Stern-Gerlach Experiment. Es ergibt sich hierbei eine interessante Analogie zu polarisierten Photonen. Der erste experimentelle Nachweis des faszinierenden Freiheitsgrades des Elektron-Spins war das Stern-Gerlach-Experiment aus dem Jahr 1922. In einem Atomstrahlofen wurde ein Strahl von Silberatomen erzeugt, und in Richtung eines inhomogenen Magnetfelds geschickt. In ihrem historischen Experiment konnten Stern und Gerlach noch nicht einzelne Silberatome erzeugen und somit nicht den Zufall beim einzelnen Experiment nachweisen, aber sie haben als erste die Quantisierung oder Aufspaltung des Spins in "up" oder "down" nachgewiesen. Ein sensationelles Ergebnis für ihre Zeit. Das hier vorgestellte Video ist Teil des Projektes "U2: Quantenspiegelungen" vom Institut für Didaktik der Physik der Universität Münster. Mathematisch fundierte Visualisierungen eröffnen Schritt für Schritt einen Zugang zu moderner Atomphysik – vom Wasserstoffatom bis zum Periodensystem der Elemente.

In diesem Video wird das Frequenzgemisch untersucht, aus dem sich der Klang einer schwingenden Gitarrensaite zusammensetzt. Die Frage, ob das Spektrum ein eindeutiger Fingerabdruck des verwendeten Musikinstruments ist, lässt sich bereits an einem einfachen Beispiel klären: Einer einzelnen schwingenden Saite, dem sogenannten Monochord. Durch Anzupfen wird die Saite in Schwingung versetzt. Diese können wir aber nicht direkt hören. Nur wenn sich die schwingende Saite in Luft befindet, wird durch die Luftmoleküle die Schwingung als Druck- und Dichteschwankung mit Schallgeschwindigkeit bis zu unserem Ohr weitergetragen. Mit einem Computer können wir den zeitlichen Verlauf der Schallwelle aufnehmen. Aus welchem Gemisch von Frequenzen der Klang der Saite besteht, verrät uns die Fourier-Transformation. Es fällt auf, dass es eine niedrigste Frequenz f0 gibt, den sogenannten Grundton. Weiterhin ergibt sich ein äquidistantes Spektrum, das heißt alle weiteren Amplituden haben doppelte, dreifache, vierfache oder allgemein n-fache Frequenz des Grundtons. Alle diese Obertöne ergeben - zusammen mit dem Grundton - das Spektrum der schwingenden Saite. Das hier vorgestellte Video ist Teil des Projektes "U2: Quantenspiegelungen" vom Institut für Didaktik der Physik der Universität Münster. Mathematisch fundierte Visualisierungen eröffnen Schritt für Schritt einen Zugang zu moderner Atomphysik – vom Wasserstoffatom bis zum Periodensystem der Elemente.

In diesem Video werden die faszinierenden Chlandi'schen Klangfiguren auf runden Glasscheiben verschiedener Größe untersucht. Die schwingende Saite des Monochords ist ein Beispiel für eine stehende Welle in einer Dimension. Die möglichen Grundmoden auf der Saite lassen sich durch die Anzahl von Knotenpunkten klassifizieren. Bereits im 19. Jahrhundert hatte Chladni mögliche Schwingungsmoden in zwei Dimensionen untersucht. Aus Knotenpunkten werden in zwei Dimensionen Knotenlinien. Chladni hatte eine einfache und geniale Idee, diese sichtbar zu machen: Mit einem Geigenbogen lässt sich beispielsweise eine runde Glasscheibe in Schwingung versetzen. Verstreut man auf der Scheibe ein feines Pulver und hält man die Glasscheibe an passender Stelle fest, erhält man eine sogenannte Chladni'sche Klangfigur. Das hier vorgestellte Video ist Teil des Projektes "U2: Quantenspiegelungen" vom Institut für Didaktik der Physik der Universität Münster. Mathematisch fundierte Visualisierungen eröffnen Schritt für Schritt einen Zugang zu moderner Atomphysik – vom Wasserstoffatom bis zum Periodensystem der Elemente.