Glanz: aiMOOC über GPT aiMOOC Action erstellt

2026-07-28T10:50:27Z

aiMOOC über GPT aiMOOC Action erstellt

Neue Seite

{{T}}
{{BR}}
= Wärmestrahlung - Physik =

{{BR}}
= Einleitung =

Du spürst die Sonne auf Deiner Haut, obwohl zwischen Sonne und Erde fast leerer Raum liegt. Die Energie erreicht Dich durch '''Wärmestrahlung'''. Sie ist eine Form der [[elektromagnetische Welle|elektromagnetischen Strahlung]] und kann sich ohne Stoffteilchen durch das [[Vakuum]] ausbreiten.

Jeder Körper oberhalb des [[Absoluter Nullpunkt|absoluten Nullpunkts]] sendet Wärmestrahlung aus. Bei Zimmertemperatur liegt sie überwiegend im unsichtbaren [[Infrarotstrahlung|Infrarotbereich]]. Sehr heiße Körper strahlen zusätzlich sichtbares Licht ab: Eine Herdplatte kann rot glühen, die Sonne erscheint hell.

[[Datei:Human-Infrared.jpg|500px|rahmenlos|center]]

Das Wärmebild zeigt nicht direkt „Wärme“, sondern die von Oberflächen empfangene Infrarotstrahlung. Die dargestellten Farben sind meist künstlich zugeordnet.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=bnwvkTtIePI |500|center}}

{{BR}}
== Lernziele ==

Nach diesem aiMOOC kannst Du Wärmestrahlung von [[Wärmeleitung]] und [[Konvektion]] unterscheiden, Emission und Absorption erklären, den Einfluss von Temperatur und Oberfläche beschreiben sowie einfache Anwendungen und Experimente beurteilen.

{{BR}}
= Grundlagen =

{{BR}}
== Drei Wege der Wärmeübertragung ==

{| class="wikitable"
! Vorgang
! Benötigt Materie?
! Typisches Beispiel
|-
| [[Wärmeleitung]]
| Ja
| Ein Metalllöffel wird im heißen Tee warm.
|-
| [[Konvektion|Wärmeströmung]]
| Ja
| Erwärmte Luft steigt über einem Heizkörper auf.
|-
| [[Wärmestrahlung]]
| Nein
| Sonnenstrahlung gelangt durch den Weltraum zur Erde.
|}

Im Alltag wirken die drei Wege oft gleichzeitig. Ein Heizkörper erwärmt die Raumluft durch Konvektion und sendet zugleich Wärmestrahlung aus.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=vsnpkrwQmes |500|center}}

{{BR}}
== Wärmestrahlung als elektromagnetische Strahlung ==

Wärmestrahlung transportiert [[Energie]] durch elektromagnetische Wellen beziehungsweise [[Photon|Photonen]]. Im Vakuum breitet sie sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Ihr Spektrum hängt vor allem von der absoluten Temperatur des Körpers ab.

[[Datei:Infrared Spectrum.jpg|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=KBuc4XpzUUA |500|center}}

Die absolute Temperatur wird in [[Kelvin]] angegeben:

<math>T=t+273{,}15</math>

Dabei ist <math>T</math> die Temperatur in Kelvin und <math>t</math> die Temperatur in Grad Celsius.

{{BR}}
== Emission, Absorption, Reflexion und Transmission ==

Trifft Strahlung auf einen Körper, kann sie aufgenommen, zurückgeworfen oder hindurchgelassen werden.

{| class="wikitable"
! Begriff
! Bedeutung
|-
| [[Emission]]
| Aussendung von Strahlung
|-
| [[Absorption]]
| Aufnahme von Strahlungsenergie
|-
| [[Reflexion]]
| Zurückwerfen von Strahlung
|-
| [[Transmission]]
| Durchgang von Strahlung
|}

Für die Anteile bei einer bestimmten Wellenlänge gilt:

<math>\alpha+\rho+\tau=1</math>

<math>\alpha</math> ist der Absorptionsgrad, <math>\rho</math> der Reflexionsgrad und <math>\tau</math> der Transmissionsgrad. Bei undurchsichtigen Körpern ist <math>\tau\approx 0</math>.

{{BR}}
== Oberfläche und Emissionsgrad ==

Der [[Emissionsgrad]] <math>\varepsilon</math> beschreibt, wie stark eine reale Oberfläche im Vergleich zu einem idealen [[Schwarzer Körper|Schwarzen Körper]] strahlt. Er liegt zwischen 0 und 1.

Matte, dunkle Oberflächen sind im Schulversuch häufig gute Absorber und gute Emitter. Blankes Metall reflektiert Infrarotstrahlung meist stark und hat oft einen kleinen Emissionsgrad. Die sichtbare Farbe allein genügt jedoch nicht zur sicheren Beurteilung, weil eine Oberfläche im Infrarotbereich andere Eigenschaften haben kann als im sichtbaren Licht.

Nach dem [[Kirchhoffsches Strahlungsgesetz|kirchhoffschen Strahlungsgesetz]] gilt im thermischen Gleichgewicht: Ein guter Absorber ist bei derselben Wellenlänge auch ein guter Emitter.

[[Datei:LesliesCube.png|500px|rahmenlos|center]]

Beim [[Leslie-Würfel]] haben alle Seiten nahezu dieselbe Temperatur. Eine Wärmebildkamera zeigt trotzdem unterschiedliche scheinbare Temperaturen, weil die Oberflächen verschieden stark emittieren und reflektieren.

[[Datei:Leslie cube.jpg|400px|rahmenlos|center]]

{{BR}}
= Temperaturabhängigkeit =

{{BR}}
== Stefan-Boltzmann-Gesetz ==

Ein idealer Schwarzer Körper mit der Fläche <math>A</math> und der absoluten Temperatur <math>T</math> sendet die Leistung

<math>P=\sigma A T^4</math>

aus. Für einen realen Körper wird der Emissionsgrad ergänzt:

<math>P=\varepsilon\sigma A T^4</math>

Die Stefan-Boltzmann-Konstante beträgt näherungsweise

<math>\sigma=5{,}67\cdot 10^{-8}\,\mathrm{\frac{W}{m^2K^4}}</math>.

Wichtig ist die vierte Potenz: Eine kleine Erhöhung der absoluten Temperatur kann die abgestrahlte Leistung deutlich steigern.

Für den Strahlungsaustausch mit einer Umgebung der Temperatur <math>T_\mathrm{U}</math> verwendet man vereinfacht:

<math>P_\mathrm{netto}=\varepsilon\sigma A\left(T^4-T_\mathrm{U}^4\right)</math>

Ist der Körper wärmer als die Umgebung, ist die Nettostrahlung nach außen gerichtet. Bei gleicher Temperatur herrscht [[Thermisches Gleichgewicht|thermisches Gleichgewicht]].

{{BR}}
== Wiensches Verschiebungsgesetz ==

Mit steigender Temperatur verschiebt sich das Maximum der Strahlung zu kürzeren Wellenlängen:

<math>\lambda_\mathrm{max}T=b</math>

mit

<math>b\approx 2{,}898\cdot 10^{-3}\,\mathrm{m\,K}</math>.

Ein Mensch mit etwa <math>310\,\mathrm{K}</math> strahlt besonders stark bei ungefähr <math>9{,}3\,\mathrm{\mu m}</math>. Das liegt im Infrarotbereich. Die heiße Sonnenoberfläche besitzt ihr Strahlungsmaximum dagegen im sichtbaren Bereich.

[[Datei:Wiens law DE.svg|500px|rahmenlos|center]]

[[Datei:BlackbodySpectrum loglog 150dpi de.png|500px|rahmenlos|center]]

{{BR}}
== Abstand zur Strahlungsquelle ==

Bei einer kleinen Quelle, die gleichmäßig in alle Richtungen strahlt, verteilt sich die Leistung auf immer größere Kugelflächen. Die Intensität nimmt näherungsweise mit dem Quadrat des Abstands ab:

<math>I=\frac{P}{4\pi r^2}</math>

Verdoppelst Du den Abstand, sinkt die Intensität in diesem Modell auf ein Viertel. Für ausgedehnte Quellen und nahe Abstände ist die Situation komplizierter.

{{BR}}
= Messen und Anwenden =

{{BR}}
== Wärmebildkamera und Infrarotthermometer ==

Eine [[Wärmebildkamera]] erfasst räumlich verteilte Infrarotstrahlung. Ein [[Pyrometer|Infrarotthermometer]] bestimmt berührungslos eine Temperatur aus der empfangenen Strahlung. Beide Geräte müssen den Emissionsgrad berücksichtigen.

[[Datei:IR thermometer measuring stove temperature.jpg|500px|rahmenlos|center]]

Glänzende Flächen können Wärmestrahlung aus der Umgebung spiegeln. Deshalb kann eine Wärmebildkamera dort eine scheinbar hohe oder niedrige Temperatur anzeigen, obwohl die Fläche selbst eine andere Temperatur besitzt.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=omzsZV2Lq0g |500|center}}

{{BR}}
== Anwendungen im Alltag ==

Wärmestrahlung spielt bei Heizstrahlern, Thermoskannen, Rettungsdecken, Gebäudethermografie, Wetterbeobachtung, berührungsloser Temperaturmessung und in der Astronomie eine Rolle. Blank reflektierende Schichten können den Strahlungsaustausch verringern. Dunkle Solarkollektoren sollen dagegen möglichst viel Sonnenstrahlung aufnehmen.

{{BR}}
== Erde, Atmosphäre und Treibhauseffekt ==

Die Sonne sendet wegen ihrer hohen Oberflächentemperatur viel kurzwellige Strahlung aus. Die kühlere Erde gibt überwiegend langwellige Infrarotstrahlung ab. Bestimmte Gase der Atmosphäre absorbieren und emittieren Strahlung in ausgewählten Wellenlängenbereichen. Dieser Strahlungsaustausch ist eine Grundlage des natürlichen [[Treibhauseffekt|Treibhauseffekts]].

[[Datei:Atmospheric Transmission de.png|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=PunCI_b_iEk |500|center}}

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=eI8L3wV3pBo |500|center}}

{{BR}}
= Schulversuche =

{{BR}}
== Vergleich schwarzer und glänzender Flächen ==

Stelle zwei gleiche Dosen mit gleicher Wassermenge im gleichen Abstand vor eine Wärmelampe. Eine Dose ist matt schwarz, die andere außen glänzend. Miss die Temperatur in gleichen Zeitabständen. Halte Abstand, Beleuchtungsdauer, Wassermenge und Starttemperatur konstant. Die matt schwarze Oberfläche nimmt meist mehr Strahlung auf und erwärmt sich schneller.

{{BR}}
== Abkühlung untersuchen ==

Fülle gleich warme Flüssigkeit in zwei gleiche Gefäße mit verschiedenen Oberflächen. Miss die Temperatur während des Abkühlens. Decke beide Gefäße gleich ab, damit Verdunstung und Konvektion möglichst vergleichbar bleiben. So untersuchst Du den Einfluss der Oberfläche auf die Emission.

{{BR}}
== Wärmebild-Spuren ==

Drücke Deine Hand kurz auf eine Tischplatte und beobachte die Stelle anschließend mit einer Wärmebildkamera. Die sichtbare Spur zeigt, dass Energie durch Wärmeleitung auf die Platte übertragen wurde und diese danach stärker strahlt.

[[Datei:Infrared Handprint.png|500px|rahmenlos|center]]

'''Sicherheit:''' Verwende Wärmelampen, heißes Wasser und elektrische Geräte nur nach Anweisung der Lehrkraft. Blicke nie direkt in die Sonne und richte starke Infrarotquellen nicht auf Augen oder Haut.

{{BR}}
= Typische Denkfehler =

# [[Wärme und Temperatur]]: Temperatur beschreibt einen Zustand; Wärme bezeichnet Energieübertragung aufgrund eines Temperaturunterschieds.
# [[Wärmebildkamera]]: Eine Wärmebildfarbe ist keine echte Farbe der Oberfläche.
# [[Schwarzer Körper]]: „Schwarz“ meint ein ideales Absorptions- und Emissionsverhalten, nicht nur eine sichtbare Farbe.
# [[Strahlungsbilanz]]: Auch ein kalter Körper strahlt; entscheidend für die Nettoübertragung ist der Vergleich mit seiner Umgebung.

{{BR}}
= Interaktive Aufgaben =

{{BR}}
== Quiz: Teste Dein Wissen ==

{{MC}}

'''Welche Wärmeübertragungsart funktioniert auch im Vakuum?'''
(Wärmestrahlung)
(!Wärmeleitung)
(!Konvektion)
(!Verdunstung)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''In welchem Spektralbereich liegt die Wärmestrahlung eines Körpers bei Zimmertemperatur überwiegend?'''
(Im Infrarotbereich)
(!Im Röntgenbereich)
(!Nur im sichtbaren Bereich)
(!Im Radiobereich)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was beschreibt der Emissionsgrad?'''
(Die Strahlungsstärke einer Oberfläche im Vergleich zum Schwarzen Körper)
(!Die Masse eines Körpers)
(!Die elektrische Leitfähigkeit)
(!Die Schallgeschwindigkeit)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Oberfläche emittiert im typischen Leslie-Würfel-Versuch besonders stark?'''
(Eine matt schwarze Oberfläche)
(!Eine polierte Metalloberfläche)
(!Eine spiegelnde Folie)
(!Eine verchromte Oberfläche)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Temperatur muss im Stefan-Boltzmann-Gesetz verwendet werden?'''
(Die absolute Temperatur in Kelvin)
(!Die Temperatur in Grad Celsius ohne Umrechnung)
(!Die gefühlte Temperatur)
(!Die Tageshöchsttemperatur)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wie hängt die Strahlungsleistung eines Schwarzen Körpers von der absoluten Temperatur ab?'''
(Sie ist proportional zur vierten Potenz der Temperatur)
(!Sie ist unabhängig von der Temperatur)
(!Sie ist proportional zum Kehrwert der Temperatur)
(!Sie wächst nur linear mit der Celsiuszahl)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was geschieht nach dem wienschen Verschiebungsgesetz bei steigender Temperatur?'''
(Das Strahlungsmaximum wandert zu kürzeren Wellenlängen)
(!Das Strahlungsmaximum verschwindet)
(!Alle Wellenlängen werden gleich stark)
(!Das Strahlungsmaximum wandert immer zu Radiowellen)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Warum können glänzende Flächen in Wärmebildern täuschen?'''
(Sie reflektieren Infrarotstrahlung aus der Umgebung)
(!Sie besitzen grundsätzlich keine Temperatur)
(!Sie senden nur sichtbares Licht aus)
(!Sie verhindern jede Wärmeleitung)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wann ist die Nettowärmestrahlung zwischen zwei Körpern null?'''
(Wenn beide dieselbe Temperatur haben und sich im thermischen Gleichgewicht befinden)
(!Wenn einer der Körper schwarz ist)
(!Wenn beide Körper sichtbar leuchten)
(!Wenn zwischen ihnen Luft liegt)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Aussage zum Treibhauseffekt ist physikalisch richtig?'''
(Treibhausgase absorbieren und emittieren Infrarotstrahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen)
(!Die Atmosphäre blockiert jede Sonnenstrahlung vollständig)
(!Die Erde sendet keine Wärmestrahlung aus)
(!Nur Sauerstoff erzeugt den Treibhauseffekt)

{{E}}
<br>

{{BR}}
== Memory ==

<div class="memo-quiz">
{|
|-
| Emission || Aussendung von Strahlung
|-
| Absorption || Aufnahme von Strahlungsenergie
|-
| Reflexion || Zurückwerfen von Strahlung
|-
| Transmission || Durchgang von Strahlung
|-
| Emissionsgrad || Vergleichswert zur Strahlung eines Schwarzen Körpers
|-
| Thermografie || Bildliche Darstellung von Infrarotstrahlung
|-
| Kelvin || Einheit der absoluten Temperatur
|-
| Vakuum || Raum ohne materielles Übertragungsmedium
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== Drag and Drop ==

<div class="lueckentext-quiz">

{| class="wikitable"
! Ordne die richtigen Begriffe zu.
! Beschreibung
|-
| '''Wärmestrahlung'''
| Energieübertragung durch elektromagnetische Strahlung
|-
| '''Wärmeleitung'''
| Energieübertragung durch Teilchenwechselwirkungen ohne Stofftransport
|-
| '''Konvektion'''
| Energieübertragung durch strömende Flüssigkeiten oder Gase
|-
| '''Absorption'''
| Aufnahme eintreffender Strahlung
|-
| '''Reflexion'''
| Zurückwerfen eintreffender Strahlung

|}
{{E}}

<br>
<br />

{{BR}}
== Kreuzworträtsel ==

<div class="kreuzwort-quiz">
{|
|-
| Infrarot || In welchem unsichtbaren Spektralbereich liegt die Wärmestrahlung bei Zimmertemperatur überwiegend?
|-
| Emission || Wie heißt die Aussendung von Strahlung?
|-
| Absorption || Wie heißt die Aufnahme von Strahlungsenergie?
|-
| Thermografie || Wie heißt das bildgebende Verfahren mit Infrarotstrahlung?
|-
| Vakuum || Wodurch kann sich Wärmestrahlung ohne materielles Medium ausbreiten?
|-
| Emissionsgrad || Welche Größe beschreibt die Strahlungsfähigkeit einer Oberfläche?
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== LearningApps ==

<iframe> https://learningapps.org/index.php?s=Wärmestrahlung+Physik </iframe>

{{BR}}
== Lückentext ==

<quiz display=simple>
{'''Vervollständige den Text.'''<br>
|type="{}"}
Wärmestrahlung ist eine Form der { elektromagnetischen } Strahlung. Sie kann sich auch im { Vakuum } ausbreiten. Ein Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts sendet ständig { Wärmestrahlung } aus. Die Aufnahme von Strahlung heißt { Absorption }. Eine matt schwarze Oberfläche besitzt häufig einen hohen { Emissionsgrad }. Im Stefan-Boltzmann-Gesetz wird die Temperatur in { Kelvin } eingesetzt. Mit steigender Temperatur wandert das Strahlungsmaximum zu kürzeren { Wellenlängen }. Eine Wärmebildkamera erfasst überwiegend { Infrarotstrahlung }.
</quiz>

<br>

{{BR}}
= Offene Aufgaben =

{{BR}}
=== Leicht ===
# [[Wärmequellen im Alltag]]: Fotografiere oder skizziere drei Situationen, in denen Du Wärmestrahlung vermutest, und begründe Deine Auswahl.
# [[Begriffsnetz Wärmestrahlung]]: Erstelle ein Begriffsnetz mit Emission, Absorption, Reflexion, Temperatur und Infrarot.
# [[Wärmebildfarben]]: Entwirf eine Legende für ein falsches Wärmebild und erkläre, warum die Farben künstlich sind.
# [[Wärmeübertragung vergleichen]]: Ordne fünf Alltagssituationen Wärmeleitung, Konvektion oder Wärmestrahlung zu.

{{BR}}
=== Standard ===
# [[Dosenexperiment]]: Plane einen fairen Versuch zum Erwärmen einer schwarzen und einer glänzenden Dose. Formuliere Hypothese, Variablen und Messplan.
# [[Abkühlkurve]]: Miss die Abkühlung zweier Gefäße, stelle die Daten in einem Diagramm dar und deute den Verlauf.
# [[Thermografie im Gebäude]]: Untersuche Beispielbilder eines Gebäudes und nenne mögliche Wärmebrücken sowie Grenzen der Messung.
# [[Rettungsdecke]]: Erkläre mit Emission und Reflexion, warum eine metallisierte Rettungsdecke den Strahlungsaustausch beeinflusst.

{{BR}}
=== Schwer ===
# [[Stefan-Boltzmann-Modell]]: Berechne für eine gewählte Fläche die Nettostrahlungsleistung bei zwei Temperaturen und prüfe die Größenordnung.
# [[Emissionsgrad bestimmen]]: Entwickle ein Vergleichsverfahren, mit dem sich der Emissionsgrad einer unbekannten Oberfläche näherungsweise untersuchen lässt.
# [[Strahlungsbilanz der Erde]]: Erstelle ein vereinfachtes Modell aus einfallender Sonnenstrahlung, Reflexion und abgegebener Infrarotstrahlung.
# [[Erklärvideo Wärmestrahlung]]: Produziere ein kurzes Video, das einen Versuch zeigt, Messfehler erklärt und die Ergebnisse fachsprachlich auswertet.

{{:Offene Aufgabe - MOOC erstellen}}

{{BR}}
= Lernkontrolle =

# [[Versuchsplanung Wärmestrahlung]]: Zwei Gruppen erhalten unterschiedliche Messergebnisse beim Dosenexperiment. Entwickle Kriterien, mit denen Du prüfst, welches Ergebnis zuverlässiger ist.
# [[Wärmebildanalyse]]: Eine polierte Metallplatte erscheint in einem Wärmebild sehr heiß. Erkläre mindestens zwei mögliche Ursachen und plane eine Kontrollmessung.
# [[Temperaturvergleich]]: Begründe ohne vollständige Rechnung, warum ein Körper bei 600 Kelvin deutlich mehr als doppelt so stark strahlt wie bei 300 Kelvin.
# [[Oberflächenwahl]]: Entscheide, welche Oberfläche für einen Solarkollektor und welche für eine Thermoskanne geeignet ist. Begründe mit Absorption, Emission und Reflexion.
# [[Nächtliche Abkühlung]]: Erkläre, warum eine klare Nacht häufig stärkere Abkühlung ermöglicht als eine bewölkte Nacht.
# [[Modellkritik]]: Beurteile, wann das Abstandsgesetz <math>I\sim 1/r^2</math> für eine Wärmelampe sinnvoll ist und wann nicht.

<br>
<br>

{{BR}}
= Lernnachweis =

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du
# Wärmestrahlung von Wärmeleitung und Konvektion unterscheiden kannst,
# Emission, Absorption, Reflexion und Transmission korrekt verwendest,
# den Einfluss von Temperatur und Emissionsgrad erklärst,
# Stefan-Boltzmann- und Wien-Gesetz auf einfache Situationen anwendest,
# Versuche fair planst, Messdaten auswertest und Fehlerquellen benennst,
# Wärmebilder sowie Anwendungen in Technik und Klima kritisch beurteilst.

<br>
<br>

{{BR}}
= OERs zum Thema =

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/Wärmestrahlung </iframe>

<br>

{{BR}}
= Verknüpfte Lernbereiche =

{| align=center
{{:D-Tab}}
'''[[Wärmestrahlung - Physik]]'''
# [[Wärmeübertragung]]
# [[Wärmeleitung]]
# [[Konvektion]]
# [[Infrarotstrahlung]]
# [[Elektromagnetisches Spektrum]]
# [[Schwarzer Körper]]
# [[Emissionsgrad]]
# [[Stefan-Boltzmann-Gesetz]]
# [[Wiensches Verschiebungsgesetz]]
# [[Thermografie]]
# [[Treibhauseffekt]]
|}

[[Kategorie:Physik]]
[[Kategorie:Wärmelehre]]
[[Kategorie:Wärmeübertragung]]
[[Kategorie:Sekundarstufe I]]
[[Kategorie:Klasse 7-10]]
[[Kategorie:Schule]]

{{BR}}
= aiMOOC-Projekte =
[[Kategorie:AI_MOOC]] [[Kategorie:GPT aiMOOC]]
{{MT}}

Wärmestrahlung - Physik - Versionsgeschichte

Glanz: aiMOOC über GPT aiMOOC Action erstellt