Infrarotstrahlung im virtuellen Labor: Leslie-Würfel

Aktualisiert am 2026-10-07

Dieses Material untersucht Infrarotstrahlung im virtuellen Labor und passt zum Pflichtversuch (required practical) von AQA GCSE Physics dazu, wie die Art einer Oberfläche die abgegebene und aufgenommene Infrarotstrahlung beeinflusst. In Teil A drehen die Lernenden jede Seite eines Leslie-Würfels mit heißem Wasser zu einem Infrarotdetektor und notieren die Anzeigen. In Teil B erwärmt ein Heizstrahler eine schwarz matte und eine silber glänzende Platte, und die Lernenden stoppen, wie lange eine mit Wachs befestigte Reißzwecke braucht, bis sie von jeder Platte fällt. Am Ende haben die Lernenden ein Balkendiagramm der Emission, zwei Absorptionszeiten und eine Diskussion zum fairen Test.

Infrarotstrahlung – welche Oberflächen am besten abstrahlen und absorbieren

Lehrplanbezug

AQA GCSE Physics (8463) 4.6.2.2 und Pflichtversuch 10: wie die Art der Oberfläche beeinflusst, wie viel Infrarotstrahlung sie abgibt und aufnimmt. In Combined Science: Trilogy ist derselbe Inhalt 6.6.2.2.
Es unterstützt auch die Idee aus dem reinen Physikkurs, dass ein guter Absorber auch ein guter Strahler ist (4.6.3.1).

Simulic ist nicht mit AQA verbunden und wird von AQA nicht unterstützt. In Deutschland passt der Versuch zur Wärmestrahlung im Physikunterricht der Sekundarstufe I.

Vor dem Experiment (5 min)

Lassen Sie die Lernenden sich auf eine Vorhersage festlegen, auf Papier oder als Frage 1 des Klassenlinks:

„Die vier Seiten des Würfels haben dieselbe Temperatur. Wie unterscheiden sich die Anzeigen des Detektors für schwarz matt, weiß matt, silber matt und silber glänzend?“

Die meisten Lernenden erwarten, dass Weiß so wenig abstrahlt wie Silber glänzend.

Durchführung in der Simulation

Öffnen Sie den Tab A. Emission – Leslie-Würfel. Lassen Sie Raumtemperatur auf 20 °C, Heißes Wasser auf 80 °C, Abstand des Detektors auf 10 cm und Zeitraffer auf ×5.
Klicken Sie auf Detektor nullen. Die Beschriftung des Messgeräts wechselt zu „genullt“.
Wählen Sie Schwarz matt. Klicken Sie auf Heißes Wasser nachfüllen, warten Sie etwa 5 Sekunden auf eine stabile Anzeige und klicken Sie dann auf Ergebnis notieren.
Wiederholen Sie Schritt 3 für Weiß matt, Silber matt und Silber glänzend. 4 Seiten automatisch messen erledigt das für Sie. Jede Zeile im Feld zum fairen Test sollte ein Häkchen haben.
Öffnen Sie den Tab B. Absorption – Reißzwecken und Wachs. Stellen Sie Heizstrahler auf 1500 W und Abstand Platte–Heizstrahler auf 6 cm. Wählen Sie ×20, wenn die Zeit knapp ist. Klicken Sie auf Heizstrahler einschalten und warten Sie, bis beide Reißzwecken gefallen sind. Die Tabelle notiert beide Zeiten.
Klicken Sie auf Neuer Durchgang und wiederholen Sie mit 2000 W bei 4 cm und dann mit 1000 W bei 6 cm.

Seite (80 °C, 10 cm, genullt)	Schwarz matt	Weiß matt	Silber matt	Silber glänzend
Detektoranzeige (mV)
% von schwarz matt	100

Heizstrahler (W)	Abstand (cm)	Fallzeit, schwarz matt (s)	Fallzeit, silber glänzend (s)
1500	6
2000	4
1000	6

Tab A mit allen vier Seiten im Balkendiagramm und einem Häkchen in jeder Zeile zum fairen Test

Erwartete Ergebnisse

Alle Messwerte stammen aus der Simulation, deren Emissionsgrade und Heizstrahlerwerte Unterrichtswerte sind. Die letzte Stelle der Anzeige schwankt um etwa 0,01 mV.

Emission bei 80 °C und 10 cm: schwarz matt 2,12 mV, weiß matt 2,01 mV, silber matt 0,56 mV, silber glänzend 0,15–0,16 mV. Silber glänzend erreicht etwa 7 % der Anzeige von Schwarz, weiß matt 95 %.
Das Nullen ist wichtig. Ohne Nullung enthält jede Anzeige zusätzliche 0,35 mV: Schwarz zeigt 2,48 und Glänzend 0,51, sodass Glänzend scheinbar 21 % von Schwarz erreicht statt 7 %.
Das Wasser kühlt ab, bei 80 °C um etwa 0,4 °C pro simulierter Minute. Das Feld zum fairen Test meldet eine Spanne von mehr als 2 °C.
Absorption: Bei 1500 W und 6 cm fällt die schwarze Reißzwecke nach 23 s und die glänzende nach 243 s, etwa 10-mal später. Bei 2000 W und 4 cm: 14 s und 90 s. Bei 1000 W und 6 cm fällt die schwarze Reißzwecke nach 32 s, aber die glänzende Platte pendelt sich bei 54,6 °C ein, knapp unter der Schmelztemperatur des Wachses von 55 °C, daher fällt ihre Reißzwecke nie.

Fragen für die Lernenden

(Vorhersage, nach dem Experiment erneut gestellt) Wie unterscheiden sich die Anzeigen für die vier Seiten?
Welche Größen müssen gleich bleiben, während Sie die vier Seiten vergleichen?
Was zeigt der Detektor bei 80 °C und 10 cm, mit genulltem Detektor und nachgefülltem Wasser, für die Seite schwarz matt an?
Wievielmal länger braucht die Reißzwecke auf der silber glänzenden Platte bei 1500 W und 6 cm, bis sie fällt, als die auf der schwarz matten Platte?
Eine Schülerin notiert zuerst die Seite schwarz matt und zehn Minuten später die Seite silber glänzend, ohne nachzufüllen. Warum ist das unfair, und wie würden Sie es verbessern?

Antworten für Lehrkräfte: (1) Schwarz matt am höchsten, weiß matt fast so hoch, silber matt viel niedriger, silber glänzend am niedrigsten. (2) Die Wassertemperatur und der Abstand zwischen Seite und Detektor (und die Raumtemperatur). (3) 2,12 mV (akzeptiert 2,05–2,16). (4) 243 ÷ 23 ≈ 10,6 (akzeptiert 9,5–11). (5) Das Wasser kühlt um etwa 4 °C ab, daher ist die Anzeige für Glänzend aus einem Grund zu niedrig, der nichts mit der Oberfläche zu tun hat. Nachfüllen oder alle Seiten zügig notieren, jedes Mal die Wassertemperatur prüfen und den Abstand fest lassen.

Häufige Fehlvorstellungen

„Weiße Oberflächen strahlen schlecht ab.“ Bei den langen Infrarotwellenlängen, die warmes Wasser abgibt, verhält sich weiße Farbe fast wie schwarze: 2,01 mV gegenüber 2,12 mV. Glänzendes Metall ist der schlechte Strahler.
„Silber glänzend nimmt gar nichts auf.“ Es nimmt immer noch etwa ein Zehntel der Strahlung des Heizstrahlers auf, daher fällt seine Reißzwecke bei 1500 W doch, nur zehnmal später.

Erweiterung

Abstand. Mit der Seite schwarz matt beträgt die Anzeige 4,93 mV bei 5 cm, 2,12 bei 10 cm und 0,65 bei 20 cm. Die Verdopplung von 10 auf 20 cm lässt etwa 31 % übrig, nicht die 25 % des Abstandsquadratgesetzes. Fragen Sie, warum eine große Seite nahe am Detektor dem Gesetz nicht genau folgt.
Schwellentest. Bestimmen Sie die kleinste Leistung des Heizstrahlers bei 6 cm, bei der die glänzende Reißzwecke noch innerhalb von 1200 s fällt (in der Simulation: 1100 W, nach etwa 527 s). Die Lernenden erklären, warum sich die Temperatur der Platte einpendelt: Die aufgenommene Infrarotstrahlung gleicht die abgegebene Wärme aus.

Häufige Fragen

Warum hat die Simulation eine Schaltfläche „Detektor nullen“?

Eine echte Thermosäule driftet und nimmt Strahlung aus dem Raum auf. Ohne Nullung wirkt die glänzende Seite dreimal besser, als sie ist.

Können die Lernenden das Ergebnis für weiß matt in einer Prüfung verwenden?

Vermitteln Sie zuerst die Prüfungsaussage: Schwarz matt ist der beste Strahler und Absorber, silber glänzend der schlechteste. Nutzen Sie dann das Ergebnis für Weiß, um über die Wellenlänge zu sprechen, wie es der Hinweis unter der Simulation tut.

Ersetzt das den echten Versuch?

Nicht für AQA: Pflichtversuche müssen weiterhin von Hand durchgeführt werden. Nutzen Sie die Simulation, um zu planen, zu üben oder die Ergebnisse auszuwerten. Siehe virtuelle Labore und echte Labore im Vergleich.