Physik verstehen
Von Licht und Magneten bis Newton und Radioaktivität — 24 Module mit Klassenstufen-Auswahl, Bildern, Quiz und Versuchen für zu Hause.
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Der Einstieg: Licht, Schatten, Magnete, Stromkreis, Wärme und Schall — nah am Lehrplan der Orientierungsstufe.
🔭 Was Physik macht
Beobachten, messen, erklären
Physik ist eine Art zu fragen
Physik ist kein Sammelsurium von Formeln, sondern eine Methode. Sie fragt bei allem, was passiert: Was genau geschieht hier? Lässt sich das messen? Und gilt die Erklärung auch beim nächsten Mal?
Ein Beispiel: Ein Apfel fällt zu Boden. Die alltägliche Erklärung lautet „weil er schwer ist“. Die physikalische Frage lautet: Wie schnell fällt er? Fällt eine Feder anders? Und wenn ja — liegt das am Gewicht oder an der Luft?
Genau diese Nachfragerei hat herausgefunden, dass im Vakuum eine Feder genauso schnell fällt wie ein Hammer. Das haben Astronauten auf dem Mond tatsächlich ausprobiert, weil dort keine Luft bremst. Die Alltagserklärung war falsch, und man merkt es nur, wenn man genau hinschaut.
Deshalb sind die drei Schritte der Physik immer dieselben: beobachten (was passiert), messen (wie viel genau), erklären (welche Regel steckt dahinter). Der dritte Schritt ist nur so gut wie die ersten beiden.
Tipp: Physik beginnt nicht mit einer Formel, sondern mit einer guten Frage.
Modelle sind Werkzeuge, keine Wahrheit
In der Physik arbeitet man mit Modellen: vereinfachten Bildern der Wirklichkeit. Ein Modell lässt bewusst Dinge weg, damit man rechnen kann. Das ist keine Schummelei, sondern der Trick, mit dem Physik überhaupt funktioniert.
Wenn du berechnest, wie lange ein Ball zum Boden braucht, lässt du die Luft weg. Für einen Stein stimmt das Ergebnis gut, für ein Blatt Papier überhaupt nicht. Das Modell hat also einen Gültigkeitsbereich — und den zu kennen ist wichtiger, als die Formel auswendig zu können.
Deshalb gibt es in der Physik oft mehrere Modelle für dasselbe. Licht kann man als Strahl beschreiben (gut für Spiegel und Linsen) oder als Welle (gut für Farben und Regenbögen). Keines ist „richtiger“ — man nimmt das, mit dem die Frage sich beantworten lässt.
Wenn dir also im Unterricht auffällt, dass zwei Erklärungen sich zu widersprechen scheinen, ist das oft kein Fehler: Es sind zwei Modelle mit verschiedenen Zuständigkeiten.
Tipp: Frag bei jedem Modell: Was lässt es weg — und ist das hier erlaubt?
Warum Physik im Alltag hilft
Wer versteht, warum ein Fahrradreifen mit weniger Luft schwerer rollt, muss sich das nicht merken — er kann es herleiten. Genau das ist der Unterschied zwischen Auswendiglernen und Verstehen, und er entscheidet in Klassenarbeiten über die Aufgaben, die man vorher nicht geübt hat.
Physik erklärt außerdem Dinge, bei denen man sonst hereinfällt. Warum ein Mikrowellengerät nur Wasser erwärmt und der Teller trotzdem heiß wird. Warum ein Stromkabel bei zu dünnem Querschnitt warm wird. Warum ein Sturz aus zwei Metern Höhe zwanzigmal gefährlicher ist als aus einem halben.
Und sie schützt vor Unsinn. Wer weiß, was Energie ist, erkennt sofort, dass ein Gerät, das „mehr Energie erzeugt als es verbraucht“, nicht funktionieren kann — egal wie überzeugend die Werbung klingt.
In diesem Kurs geht es deshalb nicht nur um Prüfungsstoff, sondern immer auch darum, wo dir die Sache im echten Leben begegnet.
Tipp: Wer versteht, muss weniger auswendig lernen — und besteht die Aufgaben, die man nicht geübt hat.
📏 Messen
Länge, Zeit, Masse — und wie genau
Einheiten sind Vereinbarungen
Eine Messung ohne Einheit ist wertlos. „Der Tisch ist 120“ sagt nichts — Zentimeter, Zoll oder Streichhölzer? Deshalb hat man sich weltweit auf Grundeinheiten geeinigt: Meter für die Länge, Sekunde für die Zeit, Kilogramm für die Masse.
Alles andere baut darauf auf. Ein Kubikmeter ist ein Würfel mit einem Meter Kantenlänge. Eine Geschwindigkeit ist Meter pro Sekunde. Wer die Grundeinheiten kennt, kann sich den Rest herleiten, statt ihn zu lernen.
Die Vorsätze sind dabei die halbe Miete: Kilo ist das Tausendfache, Zenti ein Hundertstel, Milli ein Tausendstel. 1 km = 1.000 m, 1 cm = 0,01 m, 1 mm = 0,001 m. Dieselben Vorsätze gelten überall — auch bei Watt, Gramm oder Litern.
In Klassenarbeiten geht der häufigste Punktverlust nicht auf falsches Rechnen zurück, sondern auf vergessene oder falsch umgerechnete Einheiten. Wer am Ende jeder Aufgabe die Einheit prüft, holt sich diese Punkte zurück.
Tipp: Kilo = mal 1000, Zenti = geteilt durch 100, Milli = geteilt durch 1000. Immer, überall.
Jede Messung hat eine Unsicherheit
Es gibt keine perfekte Messung. Ein Lineal hat Millimeterstriche, also kannst du auf etwa einen halben Millimeter genau ablesen. Eine Stoppuhr, die du von Hand drückst, ist auf etwa zwei Zehntelsekunden genau — weil deine Reaktionszeit dazukommt.
Deshalb schreibt man Ergebnisse nicht genauer auf, als man gemessen hat. Wenn du mit einem Lineal 12,4 cm misst, ist „12,4173 cm“ falsch, auch wenn der Taschenrechner das anzeigt. Die Extraziffern täuschen eine Genauigkeit vor, die es nicht gibt.
Mehrfach messen hilft: Drei Messungen, den Mittelwert nehmen. Weichen die Werte stark voneinander ab, war entweder das Messen ungenau oder es hat sich etwas verändert — beides ist eine wichtige Information.
Und unterscheide zwei Fehlerarten: zufällige Fehler streuen mal nach oben, mal nach unten (die gleicht der Mittelwert aus) und systematische Fehler gehen immer in dieselbe Richtung — etwa ein Lineal, das erst bei 0,5 cm anfängt. Die gleicht kein Mittelwert aus, die muss man finden.
Tipp: Nie genauer aufschreiben, als du gemessen hast. Der Taschenrechner weiß nicht, wie gut dein Lineal ist.
Größenordnungen abschätzen
Eine der nützlichsten Fähigkeiten überhaupt: grob abschätzen, ob ein Ergebnis überhaupt sein kann. Ein Mensch ist etwa 1,7 m groß, ein Auto 4 m lang, ein Schulweg vielleicht 2 km. Wer solche Anker im Kopf hat, merkt sofort, wenn eine Rechnung um den Faktor 1000 danebenliegt.
Das rettet in Klassenarbeiten regelmäßig Punkte. Wenn bei „Wie schnell fährt das Fahrrad?“ 5.000 km/h herauskommt, muss ein Rechenfehler drin sein — schneller als ein Flugzeug fährt niemand mit dem Rad. Diese Kontrolle dauert fünf Sekunden.
Ein paar Anker, die sich zu merken lohnen: Ein Schritt ist etwa 70 cm. Eine Flasche Wasser wiegt 1 kg. Ein Stockwerk ist etwa 3 m hoch. Ein Herzschlag dauert ungefähr eine Sekunde. Schall ist etwa 340 m/s schnell, Licht rund 300.000 km/s.
Abschätzen ist übrigens keine Schummelei, sondern eine eigene Disziplin. Fachleute rechnen so, bevor sie genau rechnen — weil man sonst gar nicht merkt, ob das genaue Ergebnis Unsinn ist.
Tipp: Vor dem Rechnen kurz schätzen. Wer die Größenordnung kennt, erkennt Rechenfehler sofort.
🔦 Licht und Schatten
Warum Licht geradeaus läuft
Lichtquellen und beleuchtete Körper
Man muss zwei Dinge unterscheiden: Körper, die selbst leuchten, und Körper, die nur zurückwerfen. Die Sonne, eine Lampe und ein Feuer sind Lichtquellen. Der Mond, ein Buch und dein Gesicht sind beleuchtete Körper — sie leuchten nicht, sie werfen Licht zurück.
Das klingt selbstverständlich und wird trotzdem oft verwechselt. Der Mond „scheint“ nicht, er spiegelt Sonnenlicht. Deshalb hat er Phasen: Wir sehen jeweils nur den Teil, der gerade von der Sonne angestrahlt wird und uns zugewandt ist.
Sehen funktioniert nur, wenn Licht von einem Gegenstand in dein Auge gelangt. In einem völlig dunklen Raum siehst du nichts — nicht weil deine Augen zu schwach wären, sondern weil kein Licht ankommt. Auch Katzen sehen im absolut dunklen Raum nichts; sie brauchen nur sehr wenig Licht.
Merke: Man sieht keine Gegenstände, man sieht Licht, das von ihnen kommt.
Tipp: Der Mond leuchtet nicht — er wirft Sonnenlicht zurück. Deshalb hat er Phasen.
Licht läuft geradeaus
In einem gleichmäßigen Stoff — Luft, Wasser, Glas — breitet sich Licht geradlinig aus. Das siehst du an Sonnenstrahlen, die durch Wolkenlücken fallen, oder an einem Laserpointer im Nebel.
Aus dieser einen Tatsache folgt der ganze Schatten. Ein Gegenstand hält das Licht auf, und dahinter bleibt ein Bereich dunkel, in den kein Strahl mehr gelangt. Weil Licht nicht um Ecken läuft, hat der Schatten die Form des Gegenstands.
Bei einer sehr kleinen Lichtquelle entsteht ein scharfer Schatten, der Kernschatten. Bei einer großen Lichtquelle — etwa einer langen Deckenlampe — gibt es außerdem einen Bereich, den nur ein Teil der Lampe erreicht: der Halbschatten mit weichem Rand.
Genau das erklärt Sonnenfinsternisse: Der Mond schiebt sich vor die Sonne und wirft seinen Schatten auf die Erde. Wer im Kernschatten steht, sieht die Sonne ganz verdeckt; wer im Halbschatten steht, nur teilweise.
Tipp: Kleine Lichtquelle heißt scharfer Schatten, große Lichtquelle heißt weicher Rand.
Schatten in der Praxis
Die Größe des Schattens hängt von den Abständen ab. Je näher der Gegenstand an der Lichtquelle ist, desto größer wird sein Schatten. Halte die Hand dicht an eine Taschenlampe, und der Schatten füllt die halbe Wand.
Das kannst du zum Messen benutzen — genau das haben schon die alten Griechen gemacht. Wenn du die Höhe eines Baumes wissen willst, stellst du einen Stock daneben. Der Stock ist 1 m hoch und wirft 2 m Schatten, der Baum wirft 16 m Schatten — dann ist er 8 m hoch.
Auch die Uhrzeit lässt sich am Schatten ablesen: Eine Sonnenuhr nutzt aus, dass die Sonne im Lauf des Tages ihre Richtung ändert und der Schatten dadurch wandert.
Und im Alltag: Wer bei Dunkelheit auf der Straße unterwegs ist, sollte daran denken, dass er in seinem eigenen Schatten schlecht sichtbar ist, wenn eine Lichtquelle hinter ihm steht. Helle Kleidung und Reflektoren wirken genau deshalb.
Tipp: Baumhöhe messen: Stock daneben stellen und die Schattenlängen ins Verhältnis setzen.
🪞 Spiegel
Reflexion und wo das Bild steckt
Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel
Trifft Licht auf einen Spiegel, wird es zurückgeworfen — und zwar nach einer sehr einfachen Regel: Der Einfallswinkel ist gleich dem Ausfallswinkel. Gemessen werden beide zum Lot, also zur gedachten Senkrechten auf der Spiegelfläche.
Das ist die gesamte Physik des ebenen Spiegels. Wer diese eine Regel beherrscht, kann jeden Strahlengang konstruieren — beim Rückspiegel im Auto, beim Periskop, beim Billardtisch (dort gilt für die Bande dasselbe Prinzip).
Deshalb siehst du im Rückspiegel den Fahrer hinter dir genau dann, wenn er dich auch sieht. Der Weg des Lichts ist umkehrbar: Ein Strahl, der von A nach B läuft, könnte genauso von B nach A laufen.
Wichtig für Zeichnungen: Das Lot steht senkrecht auf dem Spiegel, nicht senkrecht im Raum. Bei einem schräg hängenden Spiegel kippt es mit.
Tipp: Winkel immer zum Lot messen, nicht zur Spiegelfläche. Das ist der häufigste Zeichenfehler.
Warum das Bild hinter dem Spiegel liegt
Wenn du in den Spiegel schaust, scheint dein Bild hinter der Glasfläche zu stehen — genauso weit dahinter, wie du davor stehst. Dort ist aber nichts. Man nennt das ein virtuelles Bild: Dein Gehirn verlängert die ankommenden Strahlen geradlinig nach hinten, weil es Licht immer als geradeaus kommend deutet.
Daraus folgt eine überraschende Konsequenz, die man leicht selbst prüfen kann: Um dich in voller Größe zu sehen, brauchst du nur einen Spiegel von halber Körpergröße. Und dieser Wert ändert sich nicht, wenn du näher herangehst oder weiter weg.
Ebenfalls oft falsch verstanden: Ein Spiegel vertauscht nicht links und rechts. Er vertauscht vorne und hinten. Dass es sich wie links-rechts anfühlt, liegt daran, dass wir uns im Bild gedanklich umdrehen — und dabei die Achse selbst vertauschen.
Bei Schrift wird das deutlich: Im Spiegel steht Schrift nicht „seitenverkehrt, weil Spiegel das machen“, sondern weil du das Blatt umdrehen musst, um es dem Spiegel zu zeigen.
Tipp: Ein Spiegel von halber Körpergröße reicht immer — egal wie weit du weg stehst.
Glatt und rau
Warum spiegelt eine Wasseroberfläche, eine Wand aber nicht? Beide werfen Licht zurück. Der Unterschied liegt in der Oberfläche: Bei einer glatten Fläche werden alle Strahlen in dieselbe Richtung zurückgeworfen — das ergibt ein Bild. Bei einer rauen Fläche zeigt jeder winzige Bereich in eine andere Richtung, und das Licht wird in alle Richtungen gestreut.
Genau deshalb kannst du eine Wand aus jeder Position sehen, einen Spiegel aber nur aus bestimmten Winkeln. Streuung ist also nichts Schlechtes — ohne sie wäre die Welt schwer zu sehen.
Das erklärt auch nasse Straßen bei Nacht: Wasser füllt die rauen Vertiefungen und macht die Fläche glatt. Dadurch wird das Scheinwerferlicht nicht mehr gestreut, sondern gerichtet zurückgeworfen — die Fahrbahnmarkierungen verschwinden, und entgegenkommende Lichter blenden stärker.
Und ein Alltagstest: Papier wirkt matt, weil es rau ist. Glanzpapier ist glatt — halte es flach vor eine Lampe und du siehst tatsächlich ein verschwommenes Spiegelbild.
Tipp: Glatt heißt Bild, rau heißt Streuung. Nasse Straßen sind gefährlich, weil sie glatt werden — optisch wie mechanisch.
🧲 Magnete
Pole, Felder und der Kompass
Zwei Pole, immer beide
Jeder Magnet hat zwei Pole: einen Nordpol und einen Südpol. Gleiche Pole stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an. Das ist die Grundregel, aus der alles Weitere folgt.
Ein Magnet lässt sich nicht in einen Nord- und einen Südteil zersägen. Zerbrichst du einen Stabmagneten in der Mitte, hast du zwei vollständige Magnete mit je zwei Polen. Auch die kleinsten Stücke behalten beide Pole — anders als bei elektrischer Ladung, wo Plus und Minus getrennt vorkommen.
Magnetisch anziehen lassen sich nur wenige Stoffe, vor allem Eisen, Nickel und Kobalt. Aluminium, Kupfer, Gold und Plastik nicht. Deshalb funktioniert der Magnet an einer Konservendose (Eisenblech), aber nicht an einer Getränkedose aus Aluminium — ein guter Test beim Mülltrennen.
Ein Stück Eisen wird in der Nähe eines Magneten selbst vorübergehend magnetisch. Deshalb kann eine Kette aus Büroklammern am Magneten hängen, obwohl nur die oberste ihn berührt.
Tipp: Zersägte Magnete haben wieder zwei Pole. Einen einzelnen Nordpol gibt es nicht.
Das Magnetfeld
Ein Magnet wirkt, ohne etwas zu berühren. Den Raum, in dem er wirkt, nennt man Magnetfeld. Sichtbar machen kann man es mit Eisenspänen auf einem Blatt Papier: Sie ordnen sich entlang der Feldlinien an, die vom Nordpol zum Südpol verlaufen.
Feldlinien sind ein Modell, keine echten Fäden. Sie zeigen zwei Dinge: die Richtung der Kraft und — über ihren Abstand — die Stärke. Wo sie dicht beieinanderliegen, ist das Feld stark; das ist an den Polen der Fall.
Das Feld durchdringt viele Stoffe. Ein Magnet wirkt durch Papier, Holz und Glas hindurch — deshalb hält ein Kühlschrankmagnet auch einen Zettel fest. Abschirmen lässt sich das Feld am besten mit Eisen, das die Feldlinien in sich hineinzieht.
Und die Stärke nimmt mit dem Abstand sehr schnell ab. Doppelter Abstand bedeutet nicht halbe Kraft, sondern deutlich weniger. Deshalb muss ein Magnet fast anliegen, um kräftig zu halten.
Tipp: Feldlinien sind ein Bild, kein Ding. Dicht heißt stark, und an den Polen ist es am dichtesten.
Die Erde als Magnet
Die Erde selbst wirkt wie ein riesiger Magnet. Deshalb richtet sich eine frei drehbare Magnetnadel immer in dieselbe Richtung aus — das ist der Kompass, seit rund tausend Jahren das wichtigste Navigationswerkzeug der Seefahrt.
Hier steckt eine Verwirrung, die man einmal verstanden haben sollte: Die Nadelspitze, die nach Norden zeigt, ist der Nordpol der Nadel. Ungleiche Pole ziehen sich an — also muss am geografischen Nordpol der Erde magnetisch ein Südpol liegen. Die Bezeichnungen sind historisch gewachsen, nicht falsch gedacht.
Der magnetische Pol liegt außerdem nicht genau am geografischen. Die Abweichung heißt Missweisung und ändert sich langsam, weil das Erdmagnetfeld nicht stillsteht — Landkarten für die Navigation geben sie deshalb an.
Das Erdmagnetfeld hat noch eine zweite, wichtigere Aufgabe: Es lenkt einen Großteil der geladenen Teilchen ab, die von der Sonne kommen. In Polnähe treffen einige davon auf die Lufthülle — das sieht man als Polarlicht.
Tipp: Am geografischen Nordpol liegt magnetisch ein Südpol — sonst würde die Kompassnadel nicht dorthin zeigen.
🔌 Der Stromkreis
Wann Strom überhaupt fließt
Der Kreis muss geschlossen sein
Strom fließt nur, wenn es einen geschlossenen Kreis gibt: von der Quelle durch das Gerät und wieder zurück zur Quelle. Fehlt irgendwo ein Stück — ein offener Schalter, ein gerissener Draht —, fließt nirgendwo Strom, auch nicht in den übrigen Teilen.
Das ist der häufigste Denkfehler beim Thema Strom: Viele stellen sich vor, Strom werde von der Batterie „ausgesendet“ und im Gerät verbraucht. Tatsächlich fließt in beiden Leitungen gleich viel; es wird keine Ladung verbraucht, sondern Energie umgewandelt.
Ein Bild, das gut trägt: eine Fahrradkette. Wenn du am Pedal drehst, bewegt sich die ganze Kette gleichzeitig. Es geht vorne nicht mehr Kette hinein, als hinten herauskommt — aber am Hinterrad wird Arbeit verrichtet.
Deshalb braucht jedes Gerät zwei Anschlüsse. Eine Lampe mit nur einem Draht leuchtet nicht, egal wie stark die Batterie ist.
Tipp: Strom wird nicht verbraucht, Energie wird umgewandelt. In beiden Leitungen fließt gleich viel.
Leiter und Nichtleiter
Stoffe, durch die Strom gut fließt, heißen Leiter: alle Metalle, besonders Kupfer und Silber, außerdem Salzwasser und der menschliche Körper. Stoffe, die den Strom aufhalten, heißen Nichtleiter oder Isolatoren: Kunststoff, Glas, trockenes Holz, Gummi, Luft.
Deshalb sind Kabel innen aus Kupfer und außen aus Kunststoff. Das eine leitet den Strom dorthin, wo er hin soll, das andere hält ihn davon ab, woanders hinzugehen — zum Beispiel in deine Hand.
Sicherheitsrelevant ist, dass Wasser mit gelösten Stoffen leitet. Reines destilliertes Wasser leitet kaum, aber Leitungswasser, Schweiß und Badewasser leiten gut. Genau deshalb sind Steckdosen im Bad besonders geschützt und gehören Föhn und Badewanne niemals zusammen.
Ein Sonderfall ist Luft: normalerweise ein guter Isolator, aber bei sehr hoher Spannung schlägt der Strom trotzdem durch. Das ist ein Blitz — und der Grund, warum man Hochspannungsanlagen auch ohne Berührung nicht nahekommen darf.
Tipp: Leitungswasser leitet, destilliertes kaum. Im Bad zählt immer die erste Variante.
Schaltzeichen lesen
Damit alle dasselbe verstehen, zeichnet man Stromkreise nicht als Bild, sondern mit genormten Schaltzeichen. Die Quelle ist ein langer und ein kurzer Strich, die Lampe ein Kreis mit Kreuz, der Schalter eine Linie, die abhebt, der Widerstand ein Rechteck.
Die Verbindungen zeichnet man als gerade Linien mit rechten Winkeln — nicht, weil Strom nur rechtwinklig fließt, sondern weil der Plan dadurch lesbar bleibt. Die tatsächliche Form der Kabel spielt keine Rolle.
Wichtig ist nur, was womit verbunden ist. Ein Schaltplan ist kein Bauplan: Zwei Zeichnungen, die völlig verschieden aussehen, können denselben Stromkreis darstellen.
Für Klassenarbeiten lohnt es sich, die sechs bis acht wichtigsten Zeichen sicher zu können. Wer den Plan lesen kann, versteht die Aufgabe — wer raten muss, verliert Zeit an der falschen Stelle.
Tipp: Ein Schaltplan zeigt Verbindungen, nicht Formen. Zwei ganz verschieden aussehende Pläne können dasselbe bedeuten.
🌡️ Temperatur und Wärme
Zwei Dinge, die oft verwechselt werden
Temperatur ist nicht Wärme
Ein Funke aus dem Lagerfeuer hat über 800 °C, tut auf der Haut aber kaum weh. Eine Tasse Tee hat 80 °C und verbrüht dich. Wie passt das zusammen? Weil Temperatur und Wärme zwei verschiedene Dinge sind.
Die Temperatur sagt, wie heftig sich die Teilchen bewegen. Die Wärme sagt, wie viel Energie insgesamt drinsteckt — und die hängt zusätzlich davon ab, wie viele Teilchen da sind. Der Funke hat sehr schnelle Teilchen, aber fast keine; der Tee hat langsamere Teilchen, davon aber Milliarden mal mehr.
Deshalb kühlt eine Tasse Tee langsamer aus als ein Teelöffel voll Tee, obwohl beide gleich heiß sind. Und deshalb heizt man ein Zimmer nicht mit einem sehr heißen kleinen Gegenstand, sondern mit einem großen mäßig warmen Heizkörper.
Gemessen wird die Temperatur in Grad Celsius: 0 °C ist der Gefrierpunkt von Wasser, 100 °C der Siedepunkt bei normalem Luftdruck. In der Physik nutzt man oft Kelvin; dort liegt der Nullpunkt bei −273,15 °C, dem tiefstmöglichen Wert überhaupt.
Tipp: Temperatur = wie schnell die Teilchen sind. Wärme = wie viel Energie insgesamt drinsteckt.
Wie Wärme wandert
Wärme fließt immer von warm nach kalt, nie umgekehrt. Dafür gibt es drei Wege. Wärmeleitung: Die Teilchen stoßen ihre Nachbarn an — so wird der Löffelstiel in der heißen Suppe warm. Metalle leiten gut, Holz und Luft schlecht.
Strömung: Warme Luft und warmes Wasser dehnen sich aus, werden dadurch leichter und steigen auf. Deshalb ist es unter der Zimmerdecke wärmer als am Boden, und deshalb sitzt der Heizkörper unter dem Fenster — die aufsteigende warme Luft hält die Kaltluft ab.
Strahlung: Wärme wandert auch ohne Stoff dazwischen, als unsichtbares Licht. So kommt die Energie der Sonne durch das leere Weltall zu uns, und so spürst du ein Lagerfeuer schon von weitem auf der Haut.
Eine Thermoskanne blockiert alle drei Wege gleichzeitig: doppelte Wand gegen Leitung, Vakuum dazwischen gegen Strömung, verspiegelte Flächen gegen Strahlung. Deshalb hält sie sowohl heiß als auch kalt — sie ist keine „Heizung“, sie ist eine Sperre.
Tipp: Eine Thermoskanne hält auch kalt. Sie heizt nicht, sie blockiert alle drei Wege des Wärmeflusses.
Ausdehnung durch Wärme
Fast alle Stoffe dehnen sich aus, wenn sie wärmer werden, und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Der Grund ist einfach: Die Teilchen bewegen sich heftiger und brauchen mehr Platz.
Deshalb haben Brücken und Schienen Dehnungsfugen. Ohne sie würde sich das Material im Sommer verbiegen. Und deshalb löst sich ein festsitzender Schraubdeckel, wenn man ihn kurz unter heißes Wasser hält — das Metall dehnt sich stärker aus als das Glas.
Ein Fieberthermometer nutzt genau diesen Effekt: Die Flüssigkeit im dünnen Röhrchen dehnt sich aus und steigt. Weil das Röhrchen so eng ist, wird aus einer winzigen Volumenänderung ein gut ablesbarer Höhenunterschied.
Wasser ist die berühmte Ausnahme: Zwischen 0 °C und 4 °C zieht es sich beim Erwärmen zusammen statt sich auszudehnen. Deshalb ist Eis leichter als Wasser und schwimmt — und deshalb frieren Seen von oben zu, sodass Fische darunter überleben.
Tipp: Klemmender Schraubdeckel? Kurz unter heißes Wasser — Metall dehnt sich stärker aus als Glas.
🔊 Schall
Wie Töne entstehen und ankommen
Schall braucht einen Stoff
Schall entsteht, wenn etwas schwingt: eine Gitarrensaite, ein Lautsprecher, deine Stimmbänder. Diese Schwingung schiebt die Luftteilchen an, die stoßen ihre Nachbarn an, und so läuft eine Welle aus Verdichtungen und Verdünnungen bis zu deinem Ohr.
Weil Schall Teilchen zum Weiterreichen braucht, kann er sich im Vakuum nicht ausbreiten. Im Weltall ist es völlig still — Explosionen in Filmen sind eine Erfindung des Kinos. Das ist einer der beliebtesten Physikfehler in der Unterhaltung.
Umgekehrt leitet Schall in dichteren Stoffen sogar besser als in Luft. In Wasser ist er rund viermal so schnell, in Stahl noch schneller. Wer das Ohr an eine Schiene legt, hört einen Zug lange bevor man ihn durch die Luft hört.
In Luft ist Schall etwa 340 m/s schnell — das ist zwar viel, aber Millionen Mal langsamer als Licht. Deshalb siehst du den Blitz sofort und hörst den Donner später: pro drei Sekunden Abstand etwa ein Kilometer Entfernung.
Tipp: Blitz sehen, Sekunden zählen, durch drei teilen — das ist die Entfernung in Kilometern.
Hoch und laut sind zwei Dinge
Zwei Eigenschaften eines Tons werden oft verwechselt. Die Tonhöhe hängt davon ab, wie oft etwas pro Sekunde schwingt — gemessen in Hertz. Viele Schwingungen bedeuten einen hohen Ton, wenige einen tiefen.
Die Lautstärke hängt dagegen davon ab, wie weit etwas ausschlägt. Eine Saite, die man kräftiger zupft, schwingt weiter aus und klingt lauter — die Tonhöhe bleibt dabei genau gleich.
Menschen hören ungefähr zwischen 20 und 20.000 Hertz. Der obere Bereich schrumpft mit dem Alter; viele Erwachsene hören oberhalb von 15.000 Hertz nichts mehr. Hunde und Fledermäuse hören deutlich höher als wir.
Bei Musikinstrumenten kannst du das direkt sehen: Kurze, dünne, straff gespannte Saiten schwingen schnell und klingen hoch. Lange, dicke, lockere Saiten schwingen langsam und klingen tief. Genau deshalb ist ein Kontrabass groß und eine Geige klein.
Tipp: Kräftiger zupfen macht lauter, nicht höher. Für die Tonhöhe zählen Länge, Dicke und Spannung.
Lärm und Gehörschutz
Lautstärke wird in Dezibel angegeben, und diese Skala ist tückisch: Sie zählt nicht gleichmäßig. Eine Erhöhung um 10 dB bedeutet die zehnfache Schallenergie. Von 80 auf 90 dB ist also ein viel größerer Sprung, als die Zahlen vermuten lassen.
Zur Einordnung: Ein Flüstern liegt bei etwa 30 dB, ein Gespräch bei 60, dichter Straßenverkehr bei 80, ein Konzert bei 110. Ab etwa 85 dB kann dauerhafte Belastung das Gehör schädigen.
Das Entscheidende: Hörschäden sind nicht heilbar. Die feinen Haarzellen im Innenohr wachsen nicht nach. Was einmal weg ist, bleibt weg — deshalb ist Gehörschutz bei Konzerten, beim Rasenmähen oder beim Bohren kein Zeichen von Übervorsicht.
Besonders unterschätzt werden Kopfhörer. Bei voller Lautstärke erreichen viele über 100 dB direkt am Trommelfell. Eine brauchbare Faustregel: Wenn eine Person neben dir hört, was aus deinen Kopfhörern kommt, ist es zu laut.
Tipp: Wenn dein Nachbar deine Kopfhörer hört, ist es zu laut. Hörschäden heilen nicht.
Klasse 7–8
Kräfte, Reibung, Hebel, Druck, Optik und Elektrizität — hier kommen die ersten Formeln dazu.
💪 Kräfte
Was sie bewirken und wie man sie zeichnet
Drei Wirkungen einer Kraft
Eine Kraft erkennt man nicht direkt — man erkennt, was sie bewirkt. Es gibt genau drei Möglichkeiten: Sie kann einen Körper verformen (ein Gummiband dehnen), sie kann ihn beschleunigen oder abbremsen (ein Ball wird angeschossen), oder sie kann seine Richtung ändern (ein Ball wird abgelenkt).
Gemessen wird Kraft in Newton (N). Ein Newton ist ungefähr die Kraft, mit der eine Tafel Schokolade auf deine Hand drückt. Ein Mensch mit 60 kg Masse wird von der Erde mit etwa 600 N angezogen.
Das führt zu einer wichtigen Unterscheidung: Masse ist die Menge Stoff und wird in Kilogramm gemessen — sie ist überall gleich. Gewichtskraft ist die Kraft, mit der ein Himmelskörper daran zieht, gemessen in Newton — sie hängt vom Ort ab.
Auf dem Mond hast du dieselbe Masse wie auf der Erde, aber nur etwa ein Sechstel der Gewichtskraft. Deshalb konnten Astronauten dort trotz schwerer Anzüge springen. Wer sagt „ich wiege 60 Kilo“, meint physikalisch die Masse.
Tipp: Masse in Kilogramm ist überall gleich. Gewichtskraft in Newton hängt davon ab, wo du bist.
Kräfte zeichnen: Pfeile
Eine Kraft hat nicht nur eine Größe, sondern auch eine Richtung. Deshalb zeichnet man sie als Pfeil: Die Länge zeigt, wie groß die Kraft ist, die Richtung zeigt, wohin sie wirkt, und der Angriffspunkt zeigt, wo sie ansetzt.
In einer Zeichnung braucht man dafür einen Maßstab, zum Beispiel 1 cm entspricht 10 N. Ohne Maßstab ist ein Kräftepfeil nur eine Skizze — und in Klassenarbeiten kostet ein fehlender Maßstab regelmäßig Punkte.
Wirken mehrere Kräfte in dieselbe Richtung, addiert man sie. Wirken sie gegeneinander, zieht man ab. Zwei Kinder ziehen mit 200 N und 150 N gegeneinander am Seil? Dann bleibt eine Restkraft von 50 N in Richtung des stärkeren Kindes.
Sind alle Kräfte zusammen null, spricht man vom Kräftegleichgewicht. Wichtig: Das heißt nicht Stillstand. Ein Fallschirmspringer im Gleichgewicht fällt weiter — nur eben gleich schnell, ohne schneller zu werden.
Tipp: Kräftegleichgewicht heißt nicht Stillstand, sondern nur: keine Änderung der Bewegung.
Die Federkraft messen
Eine Feder dehnt sich umso weiter, je stärker man zieht — und zwar gleichmäßig. Doppelte Kraft bedeutet doppelte Dehnung. Diesen Zusammenhang nennt man das Hookesche Gesetz, und darauf beruht jeder Federkraftmesser.
Die Formel dazu lautet F = D · s: Kraft gleich Federkonstante mal Dehnung. Die Federkonstante D sagt, wie steif eine Feder ist — eine harte Feder hat ein großes D und dehnt sich bei gleicher Kraft weniger.
Der Zusammenhang gilt aber nur bis zu einer Grenze. Überdehnst du die Feder, geht sie nicht mehr in die Ausgangsform zurück; dann ist das Gesetz nicht mehr anwendbar und die Feder ist kaputt. Jedes Messgerät hat deshalb einen angegebenen Messbereich.
Praktisch heißt das für Versuche: Erst schauen, wie viel Newton der Kraftmesser aushält, dann belasten. Ein überdehnter Federkraftmesser zeigt dauerhaft falsch — und man sieht es ihm nicht an.
Tipp: Doppelte Kraft, doppelte Dehnung — aber nur innerhalb des Messbereichs. Danach bleibt die Feder verbogen.
🛞 Reibung
Der Widerstand, den man braucht
Reibung ist nicht der Feind
Reibung wird oft als Störung dargestellt — als etwas, das bremst und Energie frisst. Das stimmt zur Hälfte. Ohne Reibung könntest du keinen Schritt gehen, kein Fahrrad lenken, kein Auto anhalten und keinen Nagel in der Wand halten.
Man unterscheidet drei Arten. Haftreibung wirkt, solange nichts rutscht — sie ist am größten. Gleitreibung wirkt, wenn etwas schon rutscht, und ist kleiner. Rollreibung wirkt bei Rädern und ist mit Abstand am kleinsten.
Genau deshalb ist ein Rad eine so große Erfindung: Es tauscht die große Gleitreibung gegen die kleine Rollreibung. Eine Kiste zu schieben ist mühsam, dieselbe Kiste auf einem Rollbrett zu bewegen fast mühelos.
Und weil die Haftreibung größer ist als die Gleitreibung, ist ein blockierendes Rad beim Bremsen schlechter als ein rollendes. Deshalb gibt es ABS: Es verhindert, dass die Räder blockieren, und hält damit die stärkere Haftreibung.
Tipp: Haftreibung ist größer als Gleitreibung. Deshalb bremst ein rollendes Rad besser als ein blockiertes.
Wovon Reibung abhängt
Die Reibungskraft hängt von zwei Dingen ab: von der Anpresskraft (wie fest die Flächen aufeinandergedrückt werden) und von der Materialpaarung (welche Stoffe sich berühren). Ausgedrückt wird das mit F = μ · F_N — Reibungszahl mal Normalkraft.
Überraschend für viele: Von der Größe der Berührfläche hängt sie kaum ab. Eine Kiste auf der breiten Seite rutscht ungefähr genauso schwer wie auf der schmalen. Der Grund: Bei kleinerer Fläche steigt der Druck an jeder Stelle entsprechend.
Breite Reifen bei Rennwagen widersprechen dem nur scheinbar — dort spielen Verformung, Wärme und Gummiverhalten mit hinein, und das einfache Modell reicht nicht mehr. Ein gutes Beispiel dafür, dass Modelle Gültigkeitsgrenzen haben.
Die Materialpaarung ist entscheidend: Gummi auf trockenem Asphalt hat eine hohe Reibungszahl, Gummi auf nassem Asphalt eine deutlich kleinere, Stahl auf Eis eine sehr kleine. Deshalb verlängert sich der Bremsweg bei Nässe erheblich.
Tipp: Die Berührfläche ist fast egal — Anpresskraft und Materialpaarung entscheiden.
Reibung im Straßenverkehr
Der Anhalteweg besteht aus zwei Teilen: dem Reaktionsweg (die Strecke, die du fährst, bevor du überhaupt bremst) und dem Bremsweg (die Strecke während des Bremsens). Nur der zweite hat mit Reibung zu tun.
Der Bremsweg wächst nicht proportional zur Geschwindigkeit, sondern quadratisch: Bei doppelter Geschwindigkeit ist er viermal so lang. Das ist der Grund, warum aus 50 statt 30 km/h in der Stadt ein so großer Unterschied wird.
Bei Nässe sinkt die Reibungszahl deutlich, bei Eis noch stärker — der Bremsweg kann sich verdoppeln bis verzehnfachen. Und abgefahrene Reifen können das Wasser nicht mehr wegdrücken; dann schwimmt der Reifen auf, und die Reibung geht gegen null.
Deshalb ist die Profiltiefe kein bürokratisches Detail: Sie entscheidet, ob bei Regen überhaupt noch Kontakt zur Fahrbahn besteht. Genau das kann man mit dem Wissen aus diesem Modul selbst begründen, statt es zu glauben.
Tipp: Doppelte Geschwindigkeit heißt vierfacher Bremsweg. Deshalb ist 30 statt 50 km/h so wirksam.
⚖️ Hebel und Flaschenzug
Kraft sparen, Weg bezahlen
Das Hebelgesetz
Ein Hebel ist eine der ältesten Erfindungen überhaupt, und sein Gesetz ist erstaunlich einfach: Kraft mal Kraftarm gleich Last mal Lastarm, kurz F₁ · l₁ = F₂ · l₂. Die Arme werden dabei immer vom Drehpunkt aus gemessen.
Daraus folgt: Je länger dein Hebelarm, desto weniger Kraft brauchst du. Mit einer 2 m langen Stange und einem Drehpunkt 20 cm vor der Last hast du einen zehnfachen Kraftvorteil — 100 N Einsatz heben 1000 N Last.
Das erklärt Werkzeuge von der Schere bis zur Zange: Lange Griffe, kurze Backen. Deshalb schneidet ein Bolzenschneider mit meterlangen Griffen Stahl, und deshalb ist ein Nussknacker weiter hinten wirksamer als vorn an der Spitze.
Auch dein Körper ist voller Hebel. Beim Bizeps setzt der Muskel sehr nahe am Ellbogengelenk an — der Kraftarm ist also kurz. Deshalb muss der Muskel ein Vielfaches der gehobenen Last aufbringen, gewinnt dafür aber Geschwindigkeit an der Hand.
Tipp: Hebelarme immer vom Drehpunkt aus messen — nicht vom Ende der Stange.
Die goldene Regel der Mechanik
Es gibt eine Regel, die für jede Maschine gilt: Was man an Kraft spart, muss man an Weg zulegen. Energie lässt sich nicht durch geschickte Anordnung vermehren.
Am Hebel siehst du das sofort: Wenn du mit halber Kraft hebst, musst du den doppelten Weg zurücklegen. Die Last steigt 10 cm, dein Hebelende senkt sich 20 cm. Das Produkt aus Kraft und Weg — die Arbeit — bleibt gleich.
Dasselbe gilt für die schiefe Ebene. Ein Fass eine Rampe hochzurollen braucht weniger Kraft als es senkrecht zu heben, dafür ist der Weg länger. Deshalb sind Bergstraßen in Serpentinen angelegt: geringere Steigung, längerer Weg, dieselbe Höhe.
Diese Regel ist auch ein Prüfstein: Wenn jemand eine Maschine verspricht, die Kraft spart, ohne dass der Weg länger wird, ist die Beschreibung falsch — dann fehlt eine Angabe oder es ist ein Betrug.
Tipp: Kraft sparen kostet immer Weg. Wer beides gleichzeitig verspricht, hat etwas übersehen.
Der Flaschenzug
Ein Flaschenzug verteilt eine Last auf mehrere tragende Seilstücke. Zählt man die Seile, die an der beweglichen Rolle ziehen, weiß man den Kraftvorteil: Bei zwei tragenden Seilen brauchst du die halbe Kraft, bei vier ein Viertel.
Und wieder gilt die goldene Regel: Bei vier tragenden Seilen musst du das Seil vier Meter weit ziehen, um die Last einen Meter zu heben. Kraft geteilt durch vier, Weg mal vier.
Feste Rollen allein sparen übrigens keine Kraft. Sie lenken die Richtung um — und das ist trotzdem nützlich, weil man sich beim Ziehen nach unten mit dem eigenen Körpergewicht helfen kann.
In der Praxis geht immer etwas durch Reibung in den Rollen verloren; der wirkliche Kraftvorteil liegt also etwas unter dem berechneten. Genau das ist der Unterschied zwischen Modell und Wirklichkeit aus Modul 1.
Tipp: Tragende Seile zählen: vier Seile heißt ein Viertel Kraft — und vierfacher Weg.
🛟 Dichte und Auftrieb
Warum Stahlschiffe schwimmen
Dichte: Masse pro Volumen
Die Frage „Was ist schwerer — ein Kilo Federn oder ein Kilo Blei?“ ist ein Scherz, aber sie zeigt das eigentliche Thema: Es geht nicht um die Masse allein, sondern um die Masse pro Volumen. Das nennt man Dichte, ρ = m / V.
Wasser hat eine Dichte von 1 g/cm³ — ein Liter wiegt ein Kilogramm. Das ist ein praktischer Merkwert, an dem man alles andere einordnen kann. Eisen liegt bei etwa 7,9 g/cm³, Aluminium bei 2,7, Holz je nach Art bei 0,4 bis 0,9, Luft bei rund 0,0013.
Die Dichte ist eine Stoffeigenschaft: Sie ändert sich nicht, wenn man mehr davon nimmt. Ein kleiner und ein großer Eisenklotz haben dieselbe Dichte — deshalb kann man damit Stoffe identifizieren.
Genau so hat Archimedes der Legende nach eine gefälschte Königskrone entlarvt: Gleiche Masse, aber ein anderes Volumen als reines Gold — also war etwas anderes beigemischt. Die Methode funktioniert bis heute.
Tipp: Ein Liter Wasser wiegt ein Kilo. Von diesem Anker aus lässt sich jede andere Dichte einordnen.
Auftrieb
Jeder Körper in einer Flüssigkeit erfährt eine Kraft nach oben — den Auftrieb. Er ist genau so groß wie die Gewichtskraft der Flüssigkeit, die der Körper verdrängt. Das ist das Prinzip von Archimedes.
Daraus folgt die Schwimmregel: Ist der Auftrieb größer als die Gewichtskraft, schwimmt der Körper. Ist er kleiner, sinkt er. Sind beide gleich, schwebt er. Entscheidend ist also der Vergleich der Dichten: Was dichter ist als Wasser, sinkt.
Damit klärt sich das Schiffsrätsel: Stahl hat eine viel höhere Dichte als Wasser, ein Schiff aber ist innen hohl. Die mittlere Dichte aus Stahl und Luft liegt unter der von Wasser — deshalb schwimmt es. Läuft es voll, steigt die mittlere Dichte, und es sinkt.
Ein U-Boot nutzt genau das gezielt: Es lässt Wasser in Tanks, um schwerer zu werden und zu sinken, und drückt es mit Druckluft wieder hinaus, um aufzusteigen. Es ändert nicht sein Volumen, sondern seine Masse.
Tipp: Nicht das Material entscheidet, sondern die mittlere Dichte. Deshalb schwimmt hohler Stahl.
Auftrieb im Alltag
Im Salzwasser schwimmt man leichter als im Süßwasser, weil gelöstes Salz die Dichte erhöht — mehr verdrängte Masse bedeutet mehr Auftrieb. Im Toten Meer mit seinem sehr hohen Salzgehalt kann man deshalb kaum untergehen.
Ein Heißluftballon nutzt dasselbe Prinzip in Luft: Erwärmte Luft dehnt sich aus, ihre Dichte sinkt, und der Ballon steigt. Sinkt die Temperatur, steigt die Dichte wieder und er sinkt — deshalb wird unterwegs immer wieder nachgeheizt.
Auch der eigene Körper schwimmt knapp: Die mittlere Dichte eines Menschen liegt sehr nahe an der von Wasser. Mit eingeatmeter Luft in der Lunge liegt sie knapp darunter, nach dem Ausatmen knapp darüber. Deshalb hilft ruhiges Atmen beim Über-Wasser-Bleiben.
Und eine Sicherheitsfolge: Eine Schwimmweste wirkt, weil sie viel Volumen bei sehr kleiner Masse hinzufügt. Sie macht dich nicht leichter — sie senkt deine mittlere Dichte.
Tipp: Eine Schwimmweste macht dich nicht leichter, sondern voluminöser. Das senkt die mittlere Dichte.
🎈 Druck
Kraft verteilt auf Fläche
Kraft pro Fläche
Druck ist keine eigene Kraft, sondern eine Kraft verteilt auf eine Fläche: p = F / A. Gemessen wird er in Pascal, wobei 1 Pa = 1 N/m² ist. Weil das eine sehr kleine Einheit ist, rechnet man im Alltag oft in Bar (1 bar = 100.000 Pa).
Aus der Formel folgt alles Wichtige: Dieselbe Kraft auf einer kleineren Fläche ergibt mehr Druck. Deshalb sticht eine Nadel durch Stoff, während dein Finger mit derselben Kraft nichts ausrichtet — die Spitze verteilt die Kraft auf eine winzige Fläche.
Umgekehrt kann man Druck senken, indem man die Fläche vergrößert. Skier, Snowboards und breite Reifen an Baumaschinen funktionieren genau so: Das Gewicht bleibt gleich, aber es verteilt sich, sodass man nicht einsinkt.
Ein Messerschärfen ist deshalb keine Kraftfrage: Eine scharfe Klinge hat eine schmalere Schneidfläche und erzeugt bei gleicher Kraft viel mehr Druck. Ein stumpfes Messer verlangt mehr Kraft und rutscht dadurch leichter ab.
Tipp: p = F / A. Kleine Fläche heißt großer Druck — das ist das Prinzip von Nadel, Messer und Reißzwecke.
Druck in Flüssigkeiten
In einer Flüssigkeit wirkt Druck nach allen Seiten gleich, nicht nur nach unten. Deshalb spritzt Wasser aus einem Loch in der Seite eines Eimers waagerecht heraus.
Der Druck steigt mit der Tiefe, weil das Wasser darüber auf das darunter drückt. Pro 10 m Wassertiefe kommt etwa 1 bar hinzu. In 10 m Tiefe herrscht also etwa doppelt so viel Druck wie an der Oberfläche — deshalb tut beim Tauchen schon in wenigen Metern das Ohr weh.
Der Druck hängt dabei nur von der Tiefe ab, nicht von der Form des Gefäßes. Ein dünnes Rohr und ein breiter Tank erzeugen bei gleicher Füllhöhe am Boden denselben Druck. Das nennt man das hydrostatische Paradoxon, und es ist der Grund, warum ein Wasserturm mit einem verhältnismäßig kleinen Behälter eine ganze Stadt versorgen kann.
In geschlossenen Anlagen überträgt sich Druck unvermindert — darauf beruht die Hydraulik. Ein kleiner Kolben mit wenig Kraft erzeugt an einem großen Kolben eine große Kraft. Und wieder gilt die goldene Regel: Der kleine Kolben muss dafür einen langen Weg zurücklegen.
Tipp: Nur die Tiefe zählt, nicht die Gefäßform. Deshalb reicht ein Wasserturm für eine ganze Stadt.
Luftdruck
Über uns steht eine viele Kilometer hohe Luftsäule, und die drückt: Auf Meereshöhe herrscht ein Luftdruck von etwa 1 bar, also 100.000 Pascal. Auf jeden Quadratmeter deines Körpers drücken damit rund 10 Tonnen — du merkst es nicht, weil der Druck von innen genauso groß ist.
Berühmt geworden ist das durch die Magdeburger Halbkugeln: Zwei zusammengesetzte Halbkugeln, aus denen die Luft herausgepumpt wurde, konnten selbst von mehreren Pferdegespannen nicht auseinandergezogen werden. Nichts hielt sie zusammen außer dem Luftdruck von außen.
Mit der Höhe nimmt der Luftdruck ab, weil weniger Luft darüber liegt. Deshalb knacken die Ohren beim Bergfahren oder im Flugzeug, deshalb kocht Wasser auf Bergen unter 100 °C, und deshalb sind Verpackungen im Gebirge aufgebläht.
Und der Strohhalm: Du saugst die Flüssigkeit nicht hoch — du senkst den Druck im Halm, und der äußere Luftdruck drückt die Flüssigkeit hinein. Ohne Luftdruck funktioniert kein Strohhalm.
Tipp: Ein Strohhalm zieht nicht — der Luftdruck von außen drückt. Ohne Atmosphäre funktioniert er nicht.
👁️ Linsen und das Auge
Wie Bilder entstehen
Brechung: Licht knickt ab
Geht Licht schräg von einem Stoff in einen anderen — von Luft in Wasser oder Glas —, ändert es seine Richtung. Das nennt man Brechung, und der Grund ist, dass Licht in dichteren Stoffen langsamer ist.
Deshalb sieht ein Strohhalm im Glas geknickt aus, und deshalb erscheint ein Schwimmbecken flacher, als es ist. Beides sind keine Sinnestäuschungen im engeren Sinne: Das Licht kommt tatsächlich aus einer anderen Richtung bei dir an, als du vermutest.
Für Angler und Taucher ist das praktisch relevant: Ein Fisch steht nicht dort, wo er zu sein scheint, sondern tiefer. Wer genau dorthin zielt, wo er ihn sieht, greift daneben.
Beim Übergang zum Lot hin oder vom Lot weg gilt eine feste Regel: Ins dichtere Medium wird zum Lot hin gebrochen, ins dünnere vom Lot weg. Läuft das Licht senkrecht auf die Grenzfläche, ändert es die Richtung überhaupt nicht.
Tipp: Der Fisch steht tiefer, als er aussieht. Licht aus dem Wasser wird beim Austritt vom Lot weg gebrochen.
Sammel- und Zerstreuungslinsen
Eine Sammellinse ist in der Mitte dicker als am Rand. Sie bündelt paralleles Licht in einem Punkt — dem Brennpunkt. Der Abstand vom Linsenmittelpunkt dorthin heißt Brennweite; je stärker gewölbt die Linse, desto kürzer die Brennweite.
Mit einer Sammellinse kannst du ein echtes Bild auf einen Schirm werfen. Das nennt man ein reelles Bild — im Gegensatz zum virtuellen Bild des Spiegels ist hier tatsächlich Licht am Ort des Bildes. Steht der Gegenstand weit weg, entsteht das Bild klein und auf dem Kopf.
Eine Zerstreuungslinse ist in der Mitte dünner. Sie lässt Licht auseinanderlaufen und erzeugt nur ein virtuelles, verkleinertes Bild. Auf einen Schirm bekommt man damit nichts.
Eine Warnung, die dazugehört: Eine Sammellinse bündelt auch Sonnenlicht — samt der Wärmestrahlung. Niemals mit einer Lupe in die Sonne schauen. Die gebündelte Energie zerstört die Netzhaut in Sekundenbruchteilen, und man spürt es nicht, weil die Netzhaut keine Schmerzrezeptoren hat.
Tipp: Nie mit einer Lupe in die Sonne schauen — die Netzhaut hat keine Schmerzrezeptoren und warnt nicht.
Das Auge und seine Fehler
Das Auge ist eine Sammellinse mit Schirm: Hornhaut und Linse werfen ein umgekehrtes, verkleinertes Bild auf die Netzhaut. Dass wir die Welt trotzdem richtig herum sehen, ist eine Leistung des Gehirns, nicht der Optik.
Anders als eine Kamera verschiebt das Auge nicht die Linse, sondern verformt sie. Der Ziliarmuskel macht sie für Nahes runder und für Fernes flacher. Diese Anpassung heißt Akkommodation — und weil sie Muskelarbeit ist, ermüdet sie beim langen Blick auf den Bildschirm.
Bei Kurzsichtigkeit ist der Augapfel zu lang: Das Bild entsteht vor der Netzhaut, Fernes wird unscharf. Eine Zerstreuungslinse korrigiert das. Bei Weitsichtigkeit ist es umgekehrt, und eine Sammellinse hilft. Die Alterssichtigkeit ab etwa 45 Jahren ist etwas anderes: Dort wird die Linse steifer und lässt sich schlechter verformen.
Ganz praktisch: Die 20-20-20-Regel entlastet die Augen beim Lernen am Bildschirm — alle 20 Minuten für 20 Sekunden etwas ansehen, das mindestens 20 Fuß (rund 6 m) entfernt ist. Der Ziliarmuskel entspannt sich dabei.
Tipp: 20-20-20: alle 20 Minuten 20 Sekunden in etwa 6 m Entfernung schauen. Das entspannt den Ziliarmuskel.
⚡ Energie
Formen, Umwandlung, Erhaltung
Energie wird nur umgewandelt
Der wichtigste Satz der ganzen Physik: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt werden. Das ist der Energieerhaltungssatz, und bisher hat ihn kein Experiment widerlegt.
Deshalb ist der alltägliche Ausdruck „Energie erzeugen“ streng genommen falsch. Ein Kraftwerk erzeugt keine Energie; es wandelt chemische Energie aus Kohle oder Bewegungsenergie aus Wind in elektrische Energie um. Auch „Energieverbrauch“ heißt eigentlich Umwandlung in eine Form, die wir nicht mehr nutzen können — meist Wärme.
Gemessen wird Energie in Joule (J). Beim Strom rechnet man in Kilowattstunden, in der Ernährung in Kilokalorien. Alles derselbe Begriff in anderen Einheiten: 1 kWh sind 3,6 Millionen Joule, 1 kcal etwa 4.184 Joule.
Genau daraus folgt, warum ein Perpetuum mobile unmöglich ist — eine Maschine, die ohne Zufuhr ewig läuft oder gar Energie liefert. Wer so etwas anbietet, verspricht etwas, das dem am besten geprüften Naturgesetz widerspricht.
Tipp: Niemand erzeugt Energie. Kraftwerke wandeln um — und das gilt für jedes Gerät, das dir begegnet.
Die wichtigsten Energieformen
Bewegungsenergie (kinetisch) steckt in allem, was sich bewegt: E = ½ · m · v². Beachte das Quadrat — bei doppelter Geschwindigkeit ist die Energie viermal so groß. Genau deshalb ist Geschwindigkeit im Straßenverkehr so entscheidend.
Lageenergie (potenziell) steckt in der Höhe: E = m · g · h. Ein Stein oben auf dem Regal hat Energie, die beim Fallen frei wird. Pumpspeicherkraftwerke speichern Strom genau so — sie pumpen Wasser hoch und lassen es bei Bedarf wieder herunter.
Spannenergie steckt in verformten Federn und gespannten Bögen. Chemische Energie steckt in Nahrung, Benzin und Batterien. Wärmeenergie steckt in der Bewegung der Teilchen. Elektrische Energie ist die praktischste, weil sie sich gut transportieren und in fast alles umwandeln lässt.
Eine Kette zum Nachvollziehen: Sonne (Strahlung) → Pflanze (chemisch) → Nahrung → dein Muskel (Bewegung) → Fahrraddynamo (elektrisch) → Lampe (Licht und Wärme). An jedem Pfeil steht eine Umwandlung, und an jedem geht ein Teil als Wärme verloren.
Tipp: Bewegungsenergie steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Doppelt so schnell heißt vierfache Energie.
Wirkungsgrad
Bei jeder Umwandlung landet ein Teil der Energie in einer Form, die man nicht mehr brauchen kann — fast immer Wärme. Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil im gewünschten Ziel ankommt: η = Nutzen / Aufwand.
Ein paar Größenordnungen: Eine LED wandelt einen großen Teil der elektrischen Energie in Licht um, eine alte Glühlampe nur einen kleinen — der Rest wird Wärme, weshalb sie heiß wird. Ein Verbrennungsmotor liegt deutlich unter der Hälfte, ein Elektromotor deutlich darüber.
Der Wirkungsgrad ist immer kleiner als 100 %. Ein Gerät mit mehr als 100 % wäre ein Perpetuum mobile — der Wert allein reicht also, um eine Behauptung zu prüfen.
Ein Sonderfall zum Nachdenken: Ein elektrischer Heizlüfter hat fast 100 % Wirkungsgrad, weil Wärme genau das Ziel ist. Trotzdem ist er teuer im Betrieb — denn der Strom musste vorher im Kraftwerk selbst mit Verlusten erzeugt werden. Wirkungsgrad allein sagt noch nichts über Sinnhaftigkeit.
Tipp: Ein Wirkungsgrad über 100 % ist immer ein Rechen- oder Denkfehler — oder ein Betrugsversuch.
🔋 Strom, Spannung, Widerstand
Das Ohmsche Gesetz
Drei Größen und ein Bild
Spannung U (in Volt) ist der Antrieb — der Unterschied, der Ladung in Bewegung bringt. Stromstärke I (in Ampere) ist, wie viel Ladung pro Sekunde fließt. Widerstand R (in Ohm) ist, wie sehr sich ein Bauteil dem Fluss widersetzt.
Ein tragfähiges Bild ist der Wasserkreislauf: Die Spannung entspricht dem Höhenunterschied, die Stromstärke der Wassermenge pro Sekunde, der Widerstand der Enge des Rohres. Ein enges Rohr lässt bei gleichem Höhenunterschied weniger durch.
Das Ohmsche Gesetz verbindet die drei: U = R · I. Umgestellt: I = U / R und R = U / I. Mit dieser einen Formel lassen sich die meisten Schulaufgaben zur Elektrizität lösen.
Wichtig ist die Reihenfolge des Denkens: Die Spannung liegt an, der Widerstand ist eine Eigenschaft des Bauteils — und daraus ergibt sich der Strom. Man „schickt“ keinen Strom in ein Gerät; das Gerät nimmt sich bei gegebener Spannung so viel, wie sein Widerstand zulässt.
Tipp: U = R · I. Spannung liegt an, Widerstand ist eine Eigenschaft — der Strom ergibt sich daraus.
Reihe und Parallel
In einer Reihenschaltung liegen die Bauteile hintereinander in einem einzigen Weg. Der Strom ist überall gleich, die Spannungen teilen sich auf, und die Widerstände addieren sich. Fällt ein Bauteil aus, ist der Kreis unterbrochen — daher die alten Lichterketten, bei denen eine kaputte Lampe alle ausfallen ließ.
In einer Parallelschaltung hat jedes Bauteil seinen eigenen Weg. An allen liegt dieselbe Spannung, die Ströme addieren sich, und der Gesamtwiderstand ist kleiner als der kleinste Einzelwiderstand. Fällt eines aus, laufen die anderen weiter.
Deshalb ist das Stromnetz im Haus parallel geschaltet: Jedes Gerät bekommt volle 230 V, und wenn du eine Lampe ausschaltest, geht der Rest nicht aus. Der Preis dafür: Mehr eingeschaltete Geräte bedeuten mehr Gesamtstrom.
Genau davor schützt die Sicherung. Sie unterbricht den Kreis, wenn der Strom zu groß wird — nicht um die Geräte zu retten, sondern um zu verhindern, dass die Leitung in der Wand zu heiß wird und Feuer fängt.
Tipp: Zu Hause ist alles parallel: gleiche Spannung überall, aber jedes Gerät erhöht den Gesamtstrom.
Warum Strom gefährlich ist
Gefährlich ist nicht die Spannung an sich, sondern der Strom durch den Körper. Schon etwa 30 Milliampere über den Brustkorb können das Herz aus dem Takt bringen — das ist ein Bruchteil dessen, was eine normale Haushaltssicherung durchlässt.
Deshalb schützt die normale Sicherung dich nicht: Sie löst erst bei 10 oder 16 Ampere aus, also weit oberhalb der gefährlichen Grenze. Ihr Zweck ist der Leitungsschutz. Für den Personenschutz gibt es den Fehlerstromschutzschalter (FI/RCD), der schon bei einer kleinen Abweichung zwischen Hin- und Rückstrom abschaltet.
Wie viel Strom fließt, hängt vom Körperwiderstand ab — und der sinkt drastisch, wenn die Haut nass ist. Dieselbe Spannung, die trocken harmlos wäre, kann nass lebensgefährlich sein. Das ist der physikalische Kern aller Badezimmer-Warnungen.
Batterien mit wenigen Volt sind für den Körper ungefährlich, weil bei so kleiner Spannung durch den Körperwiderstand kaum Strom fließt. Kurzgeschlossen können sie trotzdem sehr heiß werden — die Gefahr ist dann Brand, nicht Stromschlag.
Tipp: Die Sicherung schützt die Leitung, nicht dich. Für Personenschutz sorgt der FI-Schalter.
Klasse 9–10
Bewegung, Newton, Arbeit und Leistung, Wärmelehre und Radioaktivität — Mittelstufe bis Abschluss.
🏃 Bewegung beschreiben
Weg, Zeit, Geschwindigkeit, Beschleunigung
Geschwindigkeit und Diagramme
Geschwindigkeit ist zurückgelegter Weg pro Zeit: v = s / t. Die Grundeinheit ist m/s, im Alltag rechnet man in km/h. Die Umrechnung geht mit dem Faktor 3,6: von m/s nach km/h multiplizieren, umgekehrt teilen. 10 m/s sind also 36 km/h.
Zwischen Durchschnitts- und Momentangeschwindigkeit muss man unterscheiden. Wer 120 km in 2 Stunden fährt, hatte im Schnitt 60 km/h — kann zwischendurch aber gestanden und 130 gefahren sein. Der Tacho zeigt die Momentangeschwindigkeit, ein Blitzer misst sie ebenfalls.
Im Weg-Zeit-Diagramm (s über t) bedeutet eine gerade steigende Linie gleichförmige Bewegung; je steiler, desto schneller. Eine waagerechte Linie heißt Stillstand — nicht „zurück zum Start“, ein häufiger Lesefehler.
Im Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm (v über t) bedeutet eine waagerechte Linie konstante Geschwindigkeit, eine steigende Linie Beschleunigung. Und ein Trick, der oft Punkte bringt: Die Fläche unter der v-t-Kurve ist der zurückgelegte Weg.
Tipp: m/s in km/h: mal 3,6. Und die Fläche unter der v-t-Kurve ist immer der Weg.
Beschleunigung
Beschleunigung ist die Änderung der Geschwindigkeit pro Zeit: a = Δv / Δt, gemessen in m/s². Ein Wert von 2 m/s² bedeutet: Jede Sekunde kommen 2 m/s hinzu.
Im Alltag heißt „beschleunigen“ schneller werden. In der Physik ist auch Bremsen eine Beschleunigung, nur mit negativem Vorzeichen. Und selbst eine Kurve bei konstantem Tempo ist eine Beschleunigung, weil sich die Richtung ändert — Geschwindigkeit hat immer auch eine Richtung.
Beim freien Fall beschleunigt die Erde alles mit etwa g = 9,81 m/s², unabhängig von der Masse. Nach einer Sekunde fällt ein Körper rund 10 m/s schnell, nach zwei Sekunden rund 20 m/s. Ohne Luftwiderstand gilt das für die Feder genauso wie für den Hammer.
Der Fallweg wächst dabei quadratisch: s = ½ · g · t². Nach 1 Sekunde sind es etwa 5 m, nach 2 Sekunden schon 20 m, nach 3 Sekunden 45 m. Genau deshalb wird ein Sturz mit der Höhe so schnell so gefährlich.
Tipp: Bremsen und Kurvenfahren sind physikalisch auch Beschleunigungen — jede Änderung von Betrag oder Richtung zählt.
Bezugssysteme
Bewegung ist immer relativ. Sitzt du im fahrenden Zug, bewegst du dich relativ zum Bahnsteig mit 100 km/h — relativ zum Sitz gegenüber überhaupt nicht. Beide Aussagen sind richtig; sie beziehen sich nur auf verschiedene Bezugssysteme.
Deshalb muss man bei jeder Geschwindigkeitsangabe wissen, worauf sie sich bezieht. „Die Erde bewegt sich mit 30 km/s“ gilt relativ zur Sonne. Relativ zu deinem Zimmer bewegt sie sich gar nicht.
Das erklärt auch das Gefühl im Zug, wenn der Nachbarzug anfährt: Kurz weiß man nicht, wer fährt. Ohne Blick nach draußen lässt sich das mit gleichförmiger Bewegung tatsächlich nicht unterscheiden — nur Beschleunigungen spürt man.
Genau an diesem Punkt setzt später Einsteins Relativitätstheorie an. Die Grundidee ist nicht kompliziert: Es gibt kein ausgezeichnetes, ruhendes Bezugssystem. Alles, was sich unbeschleunigt bewegt, hat dieselben Rechte.
Tipp: Jede Geschwindigkeitsangabe braucht ein Bezugssystem. Ohne das ist sie unvollständig.
🍎 Die newtonschen Gesetze
Warum sich etwas bewegt — oder nicht
Trägheit: der schwierigste Satz
Das erste newtonsche Gesetz lautet: Ein Körper bleibt in Ruhe oder in gleichförmiger geradliniger Bewegung, solange keine Kraft auf ihn wirkt. Das klingt harmlos und widerspricht doch der Alltagserfahrung.
Denn im Alltag bleibt alles irgendwann stehen. Ein Ball rollt aus, ein Auto ohne Gas wird langsamer. Daraus schließt man leicht: „Bewegung braucht Kraft.“ Über zweitausend Jahre lang hat man das geglaubt.
Der Fehler liegt in einer unsichtbaren Kraft: der Reibung. Ohne sie würde der Ball ewig weiterrollen. Im Weltraum tut er das tatsächlich — Sonden fliegen jahrzehntelang ohne Antrieb weiter.
Richtig ist also: Kraft braucht man nicht für Bewegung, sondern für Änderung von Bewegung. Genau das spürst du im Auto: Beim gleichmäßigen Fahren merkst du nichts, beim Anfahren und Bremsen dagegen sofort.
Tipp: Kraft ist nicht für Bewegung nötig, sondern für ihre Änderung. Was gleichmäßig läuft, braucht keinen Antrieb.
F = m · a
Das zweite Gesetz sagt, wie stark sich eine Bewegung ändert: Kraft gleich Masse mal Beschleunigung, F = m · a. Umgestellt zu a = F / m sieht man beides sofort: Mehr Kraft bedeutet mehr Beschleunigung, mehr Masse bedeutet weniger.
Ein Einkaufswagen mit derselben Schubkraft beschleunigt voll beladen viel langsamer als leer. Und deshalb braucht ein Lastwagen einen viel stärkeren Motor als ein Motorrad, um überhaupt vergleichbar anzufahren.
Die Gewichtskraft ist ein Sonderfall dieser Formel: F = m · g. Mit g = 9,81 m/s² wirkt auf 1 kg eine Kraft von etwa 9,81 N — im Alltag rundet man auf 10 N pro Kilogramm.
Und daraus folgt endlich die Erklärung des Feder-und-Hammer-Rätsels aus Modul 1: Auf den schweren Körper wirkt eine größere Kraft, aber er hat auch mehr Masse. Beides kürzt sich weg, und übrig bleibt für alle dieselbe Beschleunigung g.
Tipp: a = F / m. Deshalb fallen alle Körper gleich schnell: Mehr Kraft und mehr Masse kürzen sich heraus.
Actio und Reactio
Das dritte Gesetz: Übt ein Körper eine Kraft auf einen zweiten aus, übt der zweite eine gleich große, entgegengesetzte Kraft auf den ersten aus. Kräfte treten immer paarweise auf.
Deshalb kannst du überhaupt gehen: Du drückst mit dem Fuß nach hinten gegen den Boden, und der Boden drückt dich nach vorn. Auf Eis funktioniert das kaum, weil die Reibung fehlt und der Fuß rutscht.
Eine Rakete funktioniert genauso — und das ist der Punkt, an dem sich ein hartnäckiger Irrtum auflöst: Sie stößt sich nicht an der Luft ab. Sie stößt heiße Gase nach hinten, und die stoßen sie nach vorn. Deshalb funktionieren Raketen im Vakuum sogar besser.
Wichtig ist, die Kräfte nicht zu verwechseln: Die beiden Partner eines actio-reactio-Paares greifen an verschiedenen Körpern an. Sie heben sich deshalb nie gegenseitig auf — sonst könnte sich nie etwas bewegen. Das ist die häufigste Verwechslung mit dem Kräftegleichgewicht aus Modul 9.
Tipp: Actio und Reactio greifen an verschiedenen Körpern an — deshalb heben sie sich nie auf.
🏋️ Arbeit und Leistung
Was zählt und was nicht
Arbeit im physikalischen Sinn
In der Physik ist Arbeit Kraft mal Weg in Richtung der Kraft: W = F · s. Die Einheit ist Joule, dieselbe wie bei der Energie — denn verrichtete Arbeit ist genau die übertragene Energie.
Daraus folgt etwas, das im Alltag absurd klingt: Wer eine schwere Kiste zehn Minuten regungslos hält, verrichtet physikalisch keine Arbeit. Der Weg ist null, also ist auch W null. Dass es trotzdem anstrengt, liegt an der Biologie — Muskeln verbrauchen auch beim Halten Energie, weil sie ständig nachspannen.
Ebenso zählt nur der Weganteil in Kraftrichtung. Trägst du eine Kiste waagerecht durch den Raum, wirkt die Hubkraft nach oben, der Weg geht zur Seite — physikalisch keine Hubarbeit. Erst beim Anheben wird gearbeitet.
Wichtige Arten: Hubarbeit W = m · g · h (etwas anheben), Reibungsarbeit (gegen Reibung schieben), Spannarbeit (eine Feder spannen), Beschleunigungsarbeit (etwas in Fahrt bringen).
Tipp: Kein Weg heißt keine Arbeit. Eine Kiste halten ist anstrengend, aber physikalisch Arbeit gleich null.
Leistung ist Arbeit pro Zeit
Leistung sagt, wie schnell Arbeit verrichtet wird: P = W / t, gemessen in Watt. 1 Watt ist 1 Joule pro Sekunde.
Zwei Personen tragen dieselbe Last in den zweiten Stock. Beide verrichten dieselbe Arbeit — wer schneller ist, hat die größere Leistung. Die Arbeit hängt nicht vom Tempo ab, die Leistung ausschließlich.
Ein Mensch schafft dauerhaft etwa 100 W, kurzfristig ein Vielfaches. Eine LED-Lampe braucht wenige Watt, ein Wasserkocher rund 2.000 W, ein Auto einige zehntausend. Die alte Einheit PS entspricht ungefähr 736 W — 100 PS sind also rund 74 kW.
Für Stromrechnungen zählt beides zusammen: Die Kilowattstunde ist Leistung mal Zeit, also wieder eine Energie. Ein 2.000-W-Wasserkocher, eine halbe Stunde betrieben, verbraucht 1 kWh. Und daran sieht man, warum Standby-Geräte trotz kleiner Leistung ins Gewicht fallen: Sie laufen rund um die Uhr.
Tipp: Arbeit ist, was getan wird. Leistung ist, wie schnell. Die Stromrechnung zahlt die Arbeit.
Rechnen mit Sinn: eine Beispielaufgabe
Aufgabe: Ein Aufzug hebt 500 kg um 12 m in 20 Sekunden. Welche Leistung braucht der Motor mindestens?
Schritt 1 — Was ist gesucht? Die Leistung P. Schritt 2 — Was ist gegeben? m = 500 kg, h = 12 m, t = 20 s, und g ≈ 10 m/s². Schritt 3 — Welcher Weg führt hin? Erst die Hubarbeit, dann durch die Zeit teilen.
Schritt 4 — Rechnen: W = m · g · h = 500 · 10 · 12 = 60.000 J. Dann P = W / t = 60.000 / 20 = 3.000 W, also 3 kW.
Schritt 5 — Prüfen: Ist die Größenordnung plausibel? 3 kW liegen zwischen Wasserkocher und Kleinwagen — für einen Aufzug realistisch. Und in Wirklichkeit braucht der Motor mehr, weil Reibung und Wirkungsgrad dazukommen. Genau dieses fünfschrittige Vorgehen — gesucht, gegeben, Weg, rechnen, prüfen — ist in Klassenarbeiten mehr wert als jede auswendig gelernte Formel.
Tipp: Gesucht — gegeben — Weg — rechnen — prüfen. Fünf Schritte, die bei fast jeder Physikaufgabe funktionieren.
🏠 Strom im Haushalt
Rechnen, sparen, sicher bleiben
Elektrische Leistung berechnen
Für elektrische Geräte gilt: P = U · I — Leistung gleich Spannung mal Stromstärke. Zusammen mit dem Ohmschen Gesetz lassen sich daraus auch P = U² / R und P = R · I² herleiten, falls Spannung oder Strom fehlen.
Im deutschen Hausnetz liegen 230 V an. Ein Wasserkocher mit 2.300 W zieht also 10 A. Eine typische Sicherung hält 16 A — daran erkennt man sofort, warum zwei starke Geräte am selben Stromkreis die Sicherung auslösen können.
Genau das ist auch der Grund, warum Mehrfachsteckdosen nicht beliebig belastbar sind und nicht hintereinandergesteckt werden sollen. Die Leitung in der Wand ist auf einen bestimmten Strom ausgelegt; die Steckdosenleiste macht sie nicht dicker.
Zum Rechnen der Kosten: Verbrauch in kWh mal Preis pro kWh. Ein Gerät mit 100 W, das 10 Stunden läuft, verbraucht 1 kWh. So lässt sich für jedes Gerät im Haushalt selbst ausrechnen, was es kostet — statt es zu schätzen.
Tipp: P = U · I. Mit 230 V lässt sich für jedes Gerät sofort ausrechnen, wie viel Strom es zieht.
Wo die Energie im Haushalt hingeht
Eine nützliche Faustregel: Geräte, die Wärme erzeugen oder bewegen, brauchen viel — Heizung, Wasserkocher, Backofen, Waschmaschine, Trockner, Kühlschrank. Geräte, die nur Informationen verarbeiten, brauchen wenig — Handy, Laptop, Router.
Deshalb bringt es mehr, einmal weniger heiß zu waschen, als tagelang Ladegeräte zu ziehen. Ein Handy-Ladegerät liegt im Bereich weniger Watt, eine Waschmaschine bei 60 °C im Bereich von zwei Kilowatt.
Beim Kühlschrank hilft Physik direkt: Er pumpt Wärme von innen nach außen. Steht er neben dem Herd oder in der Sonne, muss er gegen eine größere Temperaturdifferenz arbeiten und braucht mehr Strom. Und wer warme Speisen hineinstellt, bezahlt deren Abkühlung mit.
Standby ist nicht dramatisch, aber es summiert sich, weil es 8.760 Stunden im Jahr läuft. Rechne selbst: 5 W dauerhaft ergeben rund 44 kWh im Jahr. Das ist der ehrliche Weg — nachrechnen statt glauben.
Tipp: Wärme und Bewegung kosten, Information kostet fast nichts. Danach lohnt es sich zu priorisieren.
Sicherheit zu Hause
Drei Schutzsysteme arbeiten zusammen, und jedes hat eine andere Aufgabe. Die Sicherung (Leitungsschutzschalter) schützt die Leitung vor Überhitzung. Der FI-Schalter schützt Menschen, indem er bei Fehlerströmen in Millisekunden abschaltet. Der Schutzleiter (die Erdung) führt einen Fehlerstrom sicher ab, statt ihn im Gehäuse stehen zu lassen.
Deshalb ist ein defekter Schutzkontakt kein Schönheitsfehler. Und deshalb sind Geräte mit doppelter Isolierung (Symbol: zwei ineinanderliegende Quadrate) auch ohne Erdung zulässig — sie haben eine zweite Schutzschicht statt einer Ableitung.
Ein häufig unterschätztes Risiko sind aufgerollte Kabeltrommeln unter Last. Der Strom erwärmt den Draht, und eng aufgewickelt kann die Wärme nicht weg — die Isolierung schmilzt. Deshalb bei starken Verbrauchern immer vollständig abrollen.
Und die Grundregel für alles Weitere: Arbeiten an der festen Hausinstallation gehören zur Elektrofachkraft. Nicht aus Bürokratie, sondern weil eine falsch angeschlossene Leitung erst Jahre später auffällt — dann aber im schlimmsten Fall als Brand.
Tipp: Kabeltrommeln unter Last immer ganz abrollen. Aufgewickelt staut sich die Wärme in der Isolierung.
♨️ Wärmelehre
Aggregatzustände und Energie
Die drei Zustände und die Übergänge
Ob ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist, hängt davon ab, wie stark sich seine Teilchen bewegen und wie fest sie zusammenhalten. Fest: feste Plätze, nur Schwingung. Flüssig: beweglich, aber noch beieinander. Gasförmig: frei und weit auseinander.
Die Übergänge haben eigene Namen: schmelzen und erstarren, verdampfen und kondensieren. Dazu kommt das Sublimieren — der direkte Weg von fest zu gasförmig, den man an Trockeneis sieht und an Schnee, der bei Frost ohne Pfütze verschwindet.
Entscheidend ist: Während eines Übergangs steigt die Temperatur nicht, obwohl man weiter heizt. Ein Eiswürfel-Wasser-Gemisch bleibt bei 0 °C, bis das letzte Eis geschmolzen ist. Die zugeführte Energie geht in das Auflösen der Bindungen statt in die Bewegung.
Diese Energie heißt latente Wärme und ist erstaunlich groß. Deshalb kühlt Eis im Getränk so wirksam, deshalb schützt die Blüteberegnung Obstbäume vor Frost, und deshalb dauert es viel länger, kochendes Wasser zu verdampfen, als es überhaupt bis 100 °C zu erhitzen.
Tipp: Beim Schmelzen und Sieden bleibt die Temperatur konstant. Die Energie steckt in den Bindungen, nicht in der Bewegung.
Wärmemenge berechnen
Um einen Stoff zu erwärmen, braucht man Energie: Q = c · m · ΔT — spezifische Wärmekapazität mal Masse mal Temperaturänderung. Die Größe c ist eine Stoffeigenschaft und sagt, wie viel Energie ein Kilogramm für ein Grad braucht.
Wasser hat mit etwa 4.200 J/(kg·K) einen ungewöhnlich hohen Wert — deutlich höher als Metalle oder Luft. Das ist kein Detail, sondern der Grund für sehr viel Alltag: Wasser erwärmt sich langsam und kühlt langsam ab.
Deshalb ist das Klima am Meer ausgeglichener als im Landesinneren. Deshalb ist eine Wärmflasche mit Wasser gefüllt und nicht mit Öl. Und deshalb dauert Nudelwasser gefühlt ewig, während die Pfanne daneben in Sekunden heiß wird.
Rechenbeispiel: 2 Liter Wasser von 20 °C auf 100 °C erwärmen. Q = 4.200 · 2 · 80 = 672.000 J, also rund 0,19 kWh. Ein 2.000-W-Kocher braucht dafür theoretisch etwa 336 Sekunden — knapp sechs Minuten. Wer das nachrechnet und mit der Küchenuhr vergleicht, hat Physik im besten Sinn überprüft.
Tipp: Q = c · m · ΔT. Wasser hat eine hohe Wärmekapazität — deshalb ist Küstenklima milder als Binnenklima.
Warum Wärme nur in eine Richtung fließt
Wärme geht von selbst immer von warm nach kalt, nie umgekehrt. Eine Tasse Kaffee wird im Zimmer kalt; ein kalter Kaffee wird im Zimmer nie von selbst heiß, obwohl der Energieerhaltungssatz das nicht verbieten würde.
Der Grund ist der zweite Hauptsatz der Wärmelehre. Er sagt sinngemäß: Unordnung nimmt von selbst zu. Die geordnete Situation „hier heiß, dort kalt“ geht von allein in die ungeordnete „überall lauwarm“ über — der umgekehrte Weg geschieht nicht spontan.
Ein Kühlschrank widerspricht dem nicht: Er transportiert Wärme sehr wohl von kalt nach warm, aber nicht von selbst — er braucht dafür Strom. Deshalb wird ein Zimmer wärmer, nicht kühler, wenn man die Kühlschranktür offen lässt: Die aufgenommene Wärme plus die Antriebsenergie landen beide im Raum.
Genau derselbe Satz erklärt, warum kein Kraftwerk Wärme vollständig in Bewegung umwandeln kann. Deshalb ist der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen grundsätzlich begrenzt — nicht wegen schlechter Technik, sondern aus prinzipiellen Gründen.
Tipp: Kühlschranktür offen lassen heizt den Raum. Die Wärme plus die Antriebsenergie bleiben beide drin.
☢️ Radioaktivität
Strahlung sachlich verstehen
Was radioaktiv bedeutet
Manche Atomkerne sind instabil. Sie wandeln sich von selbst um und geben dabei Energie in Form von Strahlung ab. Das nennt man Radioaktivität — es ist ein natürlicher Vorgang, keine Erfindung der Technik.
Es gibt drei Arten. Alphastrahlung besteht aus Heliumkernen; sie wird schon von einem Blatt Papier oder der Haut aufgehalten. Betastrahlung besteht aus Elektronen und kommt durch einige Millimeter Aluminium nicht hindurch. Gammastrahlung ist sehr energiereiches Licht und braucht dicke Blei- oder Betonschichten.
Diese Reihenfolge führt zu einem wichtigen Unterschied: Alphastrahlung ist von außen kaum gefährlich, im Körper aber besonders schädlich, weil sie ihre ganze Energie auf kleinstem Raum abgibt. Deshalb ist eingeatmetes oder verschlucktes Material das eigentliche Problem, nicht die Nähe zu einer abgeschirmten Quelle.
Man kann Radioaktivität nicht sehen, riechen oder schmecken — deshalb wird sie leicht über- oder unterschätzt. Messen lässt sie sich aber sehr genau, schon in winzigen Mengen. Ein Geigerzähler ist eines der empfindlichsten Messgeräte überhaupt.
Tipp: Alpha wird von Papier gestoppt — aber im Körper ist sie am gefährlichsten. Der Weg hinein zählt, nicht die Reichweite.
Halbwertszeit
Die Halbwertszeit ist die Zeit, nach der die Hälfte der Kerne einer Probe zerfallen ist. Nach zwei Halbwertszeiten ist noch ein Viertel übrig, nach drei ein Achtel — es wird immer weniger, aber nie exakt null.
Man kann nicht vorhersagen, wann ein einzelner Kern zerfällt; das ist echter Zufall. Erst bei vielen Kernen ergibt sich eine sehr genaue Statistik. Das ist ein Beispiel dafür, dass Zufall im Kleinen und Verlässlichkeit im Großen einander nicht widersprechen.
Die Zeiten reichen von Sekundenbruchteilen bis zu Milliarden Jahren. Diese Spannweite erklärt zwei Dinge: warum manche medizinischen Substanzen nach Stunden praktisch verschwunden sind — und warum bestimmte Abfälle aus Kernkraftwerken so lange gelagert werden müssen.
Dasselbe Prinzip liefert die Altersbestimmung. Bei der Radiokarbonmethode nutzt man den bekannten Zerfall von Kohlenstoff-14 in organischem Material. So lassen sich Funde bis etwa 50.000 Jahre datieren — Archäologie auf physikalischer Grundlage.
Tipp: Nach 3 Halbwertszeiten ist noch ein Achtel übrig. Der einzelne Kern ist Zufall, die Menge ist berechenbar.
Strahlung im Alltag einordnen
Wir sind ständig natürlicher Strahlung ausgesetzt: aus dem Weltall, aus dem Boden, aus Baustoffen und aus der Nahrung. Auch der eigene Körper ist schwach radioaktiv, unter anderem wegen des enthaltenen Kaliums. Null Strahlung gibt es nirgends.
Die Menge wird in Sievert angegeben, meist in Millisievert. Entscheidend für die Einordnung sind zwei Fragen: Wie viel, und über welchen Zeitraum? Eine kleine Menge über Jahre ist etwas völlig anderes als dieselbe Menge in einer Sekunde.
Beim Schutz gelten drei Regeln, die einfach und wirksam sind: Abstand (die Intensität nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab), Zeit (kurze Aufenthaltsdauer) und Abschirmung (passendes Material zwischen sich und die Quelle).
Und eine begriffliche Klarstellung, die viel Verwirrung auflöst: Bestrahlt werden heißt nicht, selbst radioaktiv zu werden. Wer geröntgt wird, strahlt danach nicht. Nur wer radioaktives Material aufnimmt, trägt eine Quelle in sich — genau deshalb geht es beim Strahlenschutz vor allem um Kontamination, nicht um Nähe.
Tipp: Abstand, Zeit, Abschirmung. Und: Wer geröntgt wird, strahlt danach nicht selbst.
Extras
Steht so in keinem Schulbuch: eine Methode, mit der du jede Physikaufgabe angehen kannst — und die berühmtesten Denkfehler.
🧩 Physikaufgaben knacken
Die Methode hinter den Aufgaben
Der Fünf-Schritte-Weg
Die meisten Punkte gehen in Physikarbeiten nicht durch fehlendes Wissen verloren, sondern durch fehlende Struktur. Wer immer gleich vorgeht, kommt auch bei Aufgaben weiter, die er noch nie gesehen hat.
1. Gesucht: Schreib auf, was herauskommen soll — mit Einheit. 2. Gegeben: Notiere alle Angaben, gleich in Grundeinheiten umgerechnet. Genau hier gehen die meisten Punkte verloren: cm statt m, Minuten statt Sekunden, Gramm statt Kilogramm.
3. Weg: Welche Formel verbindet Gegebenes und Gesuchtes? Fehlt eine Zwischengröße, plane zwei Schritte. Erst umstellen, dann Zahlen einsetzen — nicht umgekehrt. Wer mit Buchstaben rechnet, kann den Fehler noch finden.
4. Rechnen: Zahlen einsetzen, Einheiten mitschleppen. 5. Prüfen: Stimmt die Einheit? Ist die Größenordnung plausibel? Ein Mensch wiegt keine 6.000 N, ein Fahrrad fährt keine 500 km/h. Diese letzten zwanzig Sekunden retten regelmäßig eine ganze Aufgabe.
Tipp: Erst umstellen, dann einsetzen. Mit Buchstaben zu rechnen macht Fehler sichtbar, mit Zahlen versteckt sie.
Einheiten als Kontrollwerkzeug
Einheiten sind nicht nur Beiwerk — sie sind ein eingebauter Fehlerdetektor. Rechnet man sie mit, verrät das Ergebnis selbst, ob die Formel richtig war.
Beispiel: Wenn du Meter durch Sekunden teilst, kommt m/s heraus — eine Geschwindigkeit, richtig. Kommt bei einer Geschwindigkeitsaufgabe dagegen m·s heraus, ist irgendwo eine Formel verkehrt herum benutzt worden. Das merkt man, bevor man die Zahl hinschreibt.
Diese Technik heißt Einheitenkontrolle und funktioniert bei jeder Aufgabe. Sie sagt nicht, ob man sich verrechnet hat — aber sie sagt sehr zuverlässig, ob man den falschen Weg gegangen ist. Das ist der teurere der beiden Fehler.
Praktisch heißt das: Rechne nie mit nackten Zahlen. Schreib die Einheit an jede Zahl, kürze sie mit, und lies am Ende ab, was herauskommt. Wer das ein paar Wochen konsequent macht, braucht danach kaum noch darüber nachzudenken.
Tipp: Einheiten immer mitrechnen. Sie verraten einen falschen Rechenweg, bevor das Ergebnis dasteht.
Skizze und Gegenprobe
Bei Aufgaben mit Kräften, Strahlen oder Schaltungen ist eine Skizze kein Zeitverlust, sondern die halbe Lösung. Kräfte als Pfeile, Strahlen als Linien mit Pfeilspitze, Schaltungen als Schaltplan — sobald das Bild stimmt, sieht man meist, welche Formel gebraucht wird.
Ein zweiter Trick ist die Grenzfallprobe: Setze in dein Ergebnis Extremwerte ein und schau, ob das Sinn ergibt. Wird die Masse null, sollte die Kraft null werden. Wird der Widerstand sehr groß, sollte der Strom gegen null gehen. Kommt Unsinn heraus, steckt ein Fehler in der Formel.
Und die Verhältnisprobe: Verdopple in Gedanken eine Größe. Wird das Ergebnis auch doppelt so groß? Viermal so groß? Wer weiß, dass die Bewegungsenergie quadratisch von der Geschwindigkeit abhängt, erkennt sofort, wenn im Ergebnis nur ein Faktor 2 steht.
Diese drei Werkzeuge — Skizze, Grenzfall, Verhältnis — stehen in keinem Schulbuch als eigenes Kapitel und entscheiden trotzdem über Noten. Sie lassen sich in einer Woche üben und halten ein Leben lang.
Tipp: Grenzfall einsetzen: Wenn die Masse null wird, muss auch die Kraft null werden. Sonst stimmt die Formel nicht.
🤯 Berühmte Denkfehler
Was fast alle falsch erinnern
Vier Irrtümer über Kräfte und Bewegung
„Bewegung braucht ständig Kraft.“ Falsch — sie braucht Kraft nur zur Änderung. Ohne Reibung rollt der Ball ewig. Dieser Irrtum ist so hartnäckig, weil die Reibung im Alltag unsichtbar mitspielt.
„Ein Satellit ist schwerelos, weil dort keine Schwerkraft mehr wirkt.“ Falsch — in der Umlaufbahn wirkt fast die volle Erdanziehung. Die Station fällt ständig um die Erde herum, und alles darin fällt mit. Schwerelosigkeit ist freier Fall, nicht Abwesenheit von Schwerkraft.
„Beim Kurvenfahren drückt dich eine Kraft nach außen.“ Es gibt keine solche Kraft. Dein Körper will geradeaus weiter (Trägheit), und das Auto zieht dich nach innen. Nach außen drückt nur die Tür — von außen nach innen.
„Schwere Dinge fallen schneller.“ Nur wegen der Luft. Im Vakuum fallen alle gleich schnell, weil mehr Kraft und mehr Masse sich gegenseitig aufheben. Eine gefaltete Papierkugel und ein flaches Blatt gleicher Masse fallen unterschiedlich — dasselbe Gewicht, andere Luftreibung.
Tipp: Schwerelosigkeit im All ist freier Fall, nicht fehlende Schwerkraft. Die ISS fällt ständig um die Erde herum.
Vier Irrtümer über Wärme, Licht und Schall
„Ein Pullover wärmt.“ Er erzeugt keine Wärme; er hält deine eigene fest. Deshalb hält derselbe Pullover ein Eis auch länger kalt — er ist eine Isolierschicht, keine Heizung.
„Metall ist kälter als Holz.“ Bei gleicher Zimmertemperatur haben beide dieselbe Temperatur. Metall fühlt sich kälter an, weil es Wärme schneller aus deiner Hand leitet. Dein Temperatursinn misst keine Temperatur, sondern Wärmefluss.
„Der Mond leuchtet.“ Er wirft Sonnenlicht zurück. Und die Mondphasen entstehen nicht durch den Erdschatten — sondern dadurch, welcher Teil der beleuchteten Hälfte uns gerade zugewandt ist. Der Erdschatten erzeugt nur die seltene Mondfinsternis.
„Im Weltraum hört man Explosionen.“ Schall braucht Teilchen. Ohne Luft gibt es kein Geräusch — auch wenn jeder Weltraumfilm etwas anderes zeigt.
Tipp: Dein Temperatursinn misst Wärmefluss, nicht Temperatur. Deshalb fühlt sich Metall kälter an als Holz.
Vier Irrtümer über Strom und Energie
„Strom wird verbraucht.“ Nein — es fließt in beiden Leitungen gleich viel. Verbraucht, genauer: umgewandelt, wird Energie. Der Begriff „Stromverbrauch“ auf der Rechnung meint in Wahrheit Energieverbrauch in Kilowattstunden.
„Die Sicherung schützt mich vor einem Stromschlag.“ Nein — sie schützt die Leitung vor Überhitzung und löst weit oberhalb der für Menschen gefährlichen Stromstärke aus. Für den Personenschutz ist der FI-Schalter da.
„Hohe Spannung ist gefährlich, wenig Spannung nicht.“ Genauer: Gefährlich ist der Strom durch den Körper, und der hängt zusätzlich vom Körperwiderstand ab. Nasse Haut macht aus einer harmlosen Situation eine gefährliche — bei unveränderter Spannung.
„Ein Gerät im Standby verbraucht nichts.“ Es verbraucht wenig, aber ununterbrochen. Und noch ein hartnäckiger Klassiker zum Schluss: „Energie erzeugen“ gibt es nicht. Wer behauptet, mehr herauszuholen, als er hineinsteckt, verkauft entweder einen Denkfehler oder einen Betrug — dieser eine Satz aus Modul 15 entlarvt mehr Unsinn als jedes andere Stück Physik.
Tipp: Die Stromrechnung zählt Kilowattstunden — also Energie. Der Strom selbst wird nie verbraucht.