Physik Zweck der Phsyik Messen was messbar ist

Physik

Zweck der Phsyik • „Messen, was messbar ist, und was nicht messbar ist, messbar machen“ • Die Physik untersucht die grundlegenden Phänomene in der Natur – sie befasst sich insbesondere mit der Materie und deren Wechselwirkungen (Kräften) in Raum und Zeit.

SI System • Weltweit einheitliches Maßsystem notwendig • Das Internationale Einheitensystem oder SI ist das am weitesten verbreitete Einheitensystem für physikalische Größen. • räumliche Einheit: Meter (m) • zeitliche Einheit: Sekunde (s) • Materie (Stoff): Kilogramm (kg)

Vorsilben

Grundgesetze der Physik Die meisten Naturgesetze lassen sich mit der Existenz von drei Elementarteilchen (Proton, Neutron, Elektron) und der Existenz von drei Kräften (Gravitation, elektrisch magnetische Kraft, Kernkraft) erklären

Geschwindigkeit • Weg von A nach B – (Symbol der Weglänge: s) – benötigte Zeit (Symbol der Zeit: t) – Geschwindigkeit (Symbol: v) kann berechnet werden • Geschwindigkeit = – Weg/Zeit v=s/t (m/s)

Umrechung • Eine populäre Einheit der Geschwindigkeit ist km/h, mit folgender Umrechnung: • • 1 km = 1000 m 1 h = 3600 s 1 km/h = 1000 m/3600 s = 0, 2778 m/s 1 m/s= 3, 6 km/h • Beispiel: 100 km/h = 100 * 0, 2778 m/s = 27, 78 m/s • Geschwindigkeiten sind Vektoren, sie haben also einen Betrag und eine Richtung

Beschleunigung • Im Normalfall ist die Geschwindigkeit nicht konstant, sondern sie ändert sich • Beschleunigung • (Symbol: a) § Beschleunigung = Geschwindigkeitsänderung / Zeit a = Δv/t § Δv Geschwindigkeitsänderung delta v

Beispiel • Die Geschwindigkeit wird größer, steigert sich von 20 m/s auf 30 m/s, dann ist die Geschwindigkeits änderung § Δv = 10 m/s § (30 m/s 20 m/s = 10 m/s) • Einheit der Beschleunigung: § Δv ( m/s), t (s) § a = Δv/t (m/s 2) Beispiel: Ein Auto beschleunigt in 10 Sekunden von 0 auf 100 km/h. Δv = 100 km/h = 27, 78 m/s, Zeit t = 10 s a = Δv/t = 27, 78 / 10 = 2, 778 (m/s 2)

Welche 5 Aussagen sind richtig? • • Die Geschwindigkeit wird als Weg pro Zeit berechnet 3, 6 Meter pro Sekunde entsprechen einem km/h Ein Meter pro Sekunde entspricht 3, 6 km/h Das Symbol für die Geschwindigkeit ist a Das Symbol für die Beschleunigung ist a Das Symbol für die Geschwindigkeit ist v Das Symbol für die Beschleunigung ist v Die Geschwindigkeit eines Minutenzeigers einer Uhr mit einem Durchmesser von einem Meter beträgt 3, 14 m/h

Diese 5 Aussagen sind richtig? • • Die Geschwindigkeit wird als Weg pro Zeit berechnet 3, 6 Meter pro Sekunde entsprechen einem km/h Ein Meter pro Sekunde entspricht 3, 6 km/h Das Symbol für die Geschwindigkeit ist a Das Symbol für die Beschleunigung ist a Das Symbol für die Geschwindigkeit ist v Das Symbol für die Beschleunigung ist v Die Geschwindigkeit eines Minutenzeigers einer Uhr mit einem Durchmesser von einem Meter beträgt 3, 14 m/h

Kraft • Immer wenn sich die Geschwindigkeit einer Masse ändert (egal ob Betrag oder Rich tung), wirkt eine Kraft auf sie ein • Kraft = Masse * Beschleunigung – F = m * a • Einheit der Kraft: – m (kg) * a (m/s 2) – F = m * a (kg * m/s 2)

Einheit der Kraft: Newton • Damit man nicht immer den komplizierten Ausdruck verwenden muss, kürzt man wie folgt ab: § 1 N = 1 kg * m/s 2 § Symbol F • Definition der Kraft wurde von Isaac Newton eingeführt • N wird zu Ehren des Entdeckers Newton genannt.

• Bewegungsgesetz oder als zweites Newtonsches Axiom • Aus dieser Gleichung folgen einige Tatsachen: – Wenn keine Kraft wirkt (F = 0), dann muss auch die Beschleunigung a = 0 sein – Eine Beschleunigung gleich Null bedeutet, dass sich die Geschwindigkeit nicht ändert (weder in Betrag noch in Richtung) – Wenn auf eine Masse keine Kraft wirkt, bewegt sich diese geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit oder sie ist in Ruhe (Geschwindigkeit = Null)

Reales System: Erde • Dass eine Masse einfach ohne Einwirkung einer Kraft geradlinig dahinfliegt, kann man auf der Erde nicht so ohne weiteres beobachten, da auf der Erde in der Regel mindestens zwei Kräfte immer wirken – Anziehungskraft der Erde – Reibungskraft

Beschleunigungen sind physikalisch jede Geschwindigkeitsänderung • Die Geschwindigkeit wird größer • Die Geschwindigkeit wird kleiner • Die Geschwindigkeit ändert die Richtung • In allen Fällen wirkt eine Kraft

Beispiel • Eine Rakete der Masse 120 t soll mit einer Beschleunigung von 1, 2 m/s 2 von der Erde starten – Rechne mit der Erdbeschleunigung von 9, 8 m/s 2 – a) Wie groß ist die Gewichtskraft der Rakete? – b) Welche Schubkraft müssen die Triebwerke beim Start der Rakete entwickeln?

Masse und Gewicht • Masse eines Körpers = Widerstand gegen eine Beschleunigung – Je größer die Masse, umso größer muss die Kraft sein, um diese zu beschleunigen – „Trägheit“ der Masse • Alle Massen auf dieser Erde werden durch die Gewichtskraft (Symbol G) in Richtung Erdmittelpunkt gezogen • Das Gewicht ist eine Kraft, daher gilt: – F = m *a bzw. F = m *g – g= Erdbeschleunigung (g = 9, 81 m/s 2)

Beispiel • Ein Körper mit der Masse m=12 kg liegt auf dem Boden der Erde. Welche Gewichtskraft übt er aus? – g= 9, 81 m/s 2 • Ein Körper mit der Masse m=12 kg liegt auf dem Boden des Mondes. Welche Gewichtskraft übt er aus? – g= 1, 62 m/s 2

Beispiel • Die Erdbeschleunigung g ist jene Beschleunigung, die auftritt, wenn eine Masse im freien Fall (ohne Reibung) zur Erde hin beschleunigt Beispiel: Sprung vom 10 m Brett: – Vor dem Sprung ist die Geschwindigkeit v = 0, – Was ist die Geschwindigkeit nach einer Sekunde freien Falls – Δ t= 1 s – g= a = 9, 81 m/s – v= a* Δ t

Gravitation • Zwischen Massen wirkt eine anziehende Kraft =Gravitation • Wird erst spürbar wenn zumindest eine der Massen sehr groß ist – bestimmende Kraft zwischen den Himmelskörpern . • Die Gravitationskraft unserer Erde wird auch Erdanziehungskraft, Schwerkraft oder Gewicht genannt.

Welche 7 Aussagen sind richtig? • Die Berechnung der Kraft erfolgt über die Formel F = m * a • Wenn keine Kraft wirkt (F = 0), dann muss auch die Beschleunigung a = 0 sein • Das Gewicht eines Stahlblocks mit m=1 kg ist auf der Erde und dem Mond gleich groß • Im realen System (Erde) behält ein Objekt ohne Krafteinwirkung seine Geschwindigkeit bei • Die Erdbeschleunigung ist 9, 81 m/s 2 • Masse und Gewicht bezeichnen in der Physik das gleiche • Auf ein ruhendes Objekt wirkt keine Kraft aus • Kraft wird in Newton angegeben • Δ steht in der Physik für eine Änderung • 1 N = 1 kg * m/s 2 • Die Gravitation wirkt besonders stark auf Objekte mit einer kleinen Masse • Kraft wird in Joule angegeben

Diese 7 Aussagen sind richtig? • Die Berechnung der Kraft erfolgt über die Formel F = m * a • Wenn keine Kraft wirkt (F = 0), dann muss auch die Beschleunigung a = 0 sein • Das Gewicht eines Stahlblocks mit m=1 kg ist auf der Erde und dem Mond gleich groß • Im realen System (Erde) behält ein Objekt ohne Krafteinwirkung seine Geschwindigkeit bei • Die Erdbeschleunigung ist 9, 81 m/s 2 • Masse und Gewicht bezeichnen in der Physik das gleiche • Auf ein ruhendes Objekt wirkt keine Kraft aus • Kraft wird in Newton angegeben • Δ steht in der Physik für eine Änderung • 1 N = 1 kg * m/s 2 • Die Gravitation wirkt besonders stark auf Objekte mit einer kleinen Masse • Kraft wird in Joule angegeben

• Die Dichte gibt an, wie Dichte viel Masse in einem Kubikmeter eines Stoffes enthalten ist – Dichte = Masse/Volumen – ρ= m/V(kg/m 3) – Volumen (Symbol V, Einheit m 3 ) • Beispiele: – Wasser ρ= 1000 kg/m 3 – Luft ρ= 1, 2 kg/m 3 • Die Dichte aller Stoffe kann aus Tabellen entnommen werden.

Wirkung von Kräften Unter dem Einfluss von Kräften können Massen verschiedene Wirkungen erfahren – Geradlinige Bewegung – Drehbewegung – Verformung

Translationsbewegung • Geradlinige Bewegung ohne Drehung • Zum Beispiel: Freier Fall

Freier Fall • Zwei verschiedene Kräfte – Gewichtskraft G – Entgegengesetzt: Luftreibung R • Durch die Gewichtskraft beschleunigt der fallende Körper • Geschwindigkeit wird immer größer • Die Reibungskraft der Luft ist umso größer, je größer die Geschwindigkeit des Körpers ist • Nach einiger Zeit ist die Geschwindigkeit des fallenden Körpers so groß, dass die Reibungskraft gleich groß ist wie die Gewichtskraft • Die Kräfte heben sie sich auf und die resultierende Kraft ist gleich Null • Keine weitere Beschleuningung

Rotationsbewegung • Rotationsbewegung ist ein anderes Wort für Drehbewegung • Scheibe dar, die im Drehpunkt mit einer Achse an einer Wand befestigt ist. • Die Scheibe soll in eine Drehbewegung versetzt werden • Was passiert, wenn man ein Gewicht an Punkt A hängt und was, wenn man es an Punkt B hängt?

• Punkt A Beispiel – keine Dreh bewegung – Eine Kraft allein genügt nicht um eine Drehbewegung zu erzeugen • Punkt B – Scheibe wird sich gegen den Uhrzeiger drehen • Unterschied: – „Hebelarm“, den die Gewichtskraft G 2 im Punkt B besitzt – Unter einem Hebelarm versteht man den Normalabstand (senkrechter Abstand) der Kraft zum Drehpunkt – Der Hebelarm (Symbol: l) steht immer senkrecht auf die Kraft und geht durch den Drehpunkt

Drehmoment (Symbol: M) • Bei der Translationsbewegung war die Kraft die auslösende Größe • Bei der Dreh bewegung ist es das sogenannte Drehmoment (Symbol: M) • Drehmoment = Kraft *Hebelarm – M = F * l – Die Einheit des Drehmomentes ist Newton (für die Kraft) Meter (für den Hebelarm), abgekürzt Nm • Viele Werkzeuge, die wir verwenden, funktionieren nach dem sogenannten Hebel prinzip

Hebelgesetz • Das Hebelgesetz sagt aus, dass sich die Kräfte umgekehrt wie die Hebelarme verhalten • Großer Hebelarm mit kleiner Kraft führt beim kurzen Hebelarm zu einer großen Kraft • Der Hebel ist also ein Kraftverstärker • Ein Beispiel für ein Hebelsystem ist die Zange – doppelter Hebel – das System führt zu einer Kraftverstärkung

Gleichförmige Kreisbewegung • Besondere Form der Rotation • Gleichförmig bedeutet: – der Betrag der Geschwindigkeit ändert sich nicht • Wenn eine Masse sich auf einer Kreisbahn bewegt, ändert die Geschwindigkeit v laufend ihre Richtung

Gleichförmige Kreisbewegung • Beschleunigte Bewegung, auch wenn der Betrag der Geschwindigkeit (Pfeillänge) konstant bleibt • Kraft F muss wirksam sein – wird Zentripetalkraft genannt – zeigt immer zum Kreismittelpunkt • Hört diese Kraft auf zu wirken, fliegt die Masse geradlinig in Richtung der aktuellen Geschwindigkeit weiter – tangential zum Kreis

Periodendauer • Die Zeit, die Masse braucht, um den Kreis einmal zu umrunden • Geschwindigkeit – v= s/t – s = der Weg = Umfang des Kreises – = 2 ∏*r • t = die Zeit für einen Umlauf= Periodendauer T – v = 2 ∏*r / t

Rechenbeispiel • Eine Kirchturmuhr hat einen Radius von 3 m. Der Umfang eines Kreises berechnet sich als 2 rπ (π=3, 14). Der Sekundenzeiger ist 2 m kürzer als der Durchmesser des Kreises und steht in einem Winkel von 47° zum Minutenzeiger. Die Winkelgeschwindigkeit berechnet sich nach folgender Formel: • Wie lange benötigt der Sekundenzeiger für eine Umdrehung?

Und jetzt einmal ernsthaft… • • Geschwindigkeit des Sekundenzeigers=? U= 2 rπ (π=3, 14) Länge Sekundenzeiger= 1 m (=r) U=? v [m/s] = U [m]/ t [s] t= 60 s v=?

Frequenz • In der Regel ist die Periodendauer T sehr kurz – Wenn T=0, 1 s, dann läuft die Masse in 1/0, 1 = 10 mal pro Sekunde rund herum • Die Angabe, wie oft sich ein Vorgang in einer Sekunde wiederholt, bezeichnet man als Frequenz (Symbol: f) • Die Frequenz f hängt mit der Periodendauer T wie folgt zusammen: – f = 1/T – Einheit: 1/s wird als Hertz, abgekürzt Hz bezeichnet – 100 Hz bedeutet, der Vorgang wiederholt sich 100 mal pro Sekunde

Frequenz im Alltag

Geschwindigkeit und Frequenz • Die Geschwindigkeit ist – bei gleicher Frequenz – umso größer, je größer der Radius ist • Bei gleichem Radius steigt die Geschwindigkeit mit der Frequenz • Neben dem physikalischen Begriff der Frequenz werden in der Technik auch andere verwandte Begriffe verwendet • „Umdrehungen pro Minute“ oder Englisch „rounds per minute (rpm)“ bzw „rounds per second (rps)“

Beispiel • Ein turbinengetriebener Zahnarztbohrer hat eine Frequenz von 6 k. Hz = 6000 Hz • der Radius des Bohrers ist 1 mm = 0, 001 m • Aus diesen Angaben kann die Geschwindigkeit der Bohreroberfläche berechnet werden • v = 2 π*r *f • = 2 *3, 14 *0, 001 *6000 • = 37, 7 m/s • = 136 km/h

Welche 5 Aussagen sich richtig? • Eine Drehbewegung nennt man Translationsbewegung • Bei der Drehbewegung ändert sich der Betrag der Geschwindigkeit nicht • Die Geschwindigkeit ist bei einer Drehbewegung mit gleicher Periodendauer vom Kreisumfang abhängig • Bei der Drehbewegung ändert sich die Richtung der Geschwindigkeit stetig • Um eine Drehbewegung auszulösen ist es nicht entscheidend, wo eine Kraft aufgewendet wird • Bei gleichem Radius steigt die Geschwindigkeit mit der Frequenz • Die Frequenz wird pro Zeiteinheit angegeben • Eine Richtungsänderung ist physikalisch eine Beschleunigung

Diese 5 Aussagen sich richtig? • Eine Drehbewegung nennt man Translationsbewegung • Bei der Drehbewegung ändert sich der Betrag der Geschwindigkeit nicht • Die Geschwindigkeit ist bei einer Drehbewegung mit gleicher Periodendauer vom Kreisumfang abhängig • Bei der Drehbewegung ändert sich die Richtung der Geschwindigkeit stetig • Um eine Drehbewegung auszulösen ist es nicht entscheidend, wo eine Kraft aufgewendet wird • Bei gleichem Radius steigt die Geschwindigkeit mit der Frequenz • Die Frequenz wird pro Zeiteinheit angegeben • Eine Richtungsänderung ist physikalisch eine Beschleunigung

Verformung • Unter der Einwirkung einer Kraft auf eine Masse kann es zu einer Verformung dieser Masse kommen • Von besonderem Interesse ist die sogenannte elastische Verfor mung • Die Verformung geht wieder zurück, wenn die Kraft aufhört zu wirken

Druck • Einheit: p = F/A [N/m 2] • N/m 2 wird als Pascal (abgekürzt Pa) bezeichnet: – 1 Pa = 1 N/m 2 • Da in Flüssigkeiten und Gasen die Moleküle in alle Richtungen beliebig verdrängt werden können, wirkt der Druck allseitig • Druck hat keine bestimmte Richtung – kein Vektor, sondern ein Skalar • Von „Druck“ spricht man nur in Flüssigkeiten und Gasen

Beispiel • Der dargestellte Kolben sei mit einer Flüssigkeit oder einem Gas gefüllt • Ein verschiebbarer Stempel kann mittels der Kraft F hineingedrückt werden. Dadurch entsteht im Innern des Gases bzw der Flüssigkeit ein Druck – Stempeldruck, Symbol: p • Hört die Kraft auf zu wirken, geht der Stempel wieder in die Ausgangs position zurück • Druck = Kraft/Fläche (des Stempels) – p = F/A – A= Fläche des Stempels

Beispiel • Eine Masse mit m=5 kg drückt vertikal (also mit Erdbeschleunigung g=9, 81 m/s 2 auf eine Fläche von 20*20 cm (=0, 2*0, 2 m) • A= [m 2] • F= m* g • p= F/A

Krafteinwirkung auf feste Körper • In festen Körpern sind die Moleküle nicht wie bei Gasen und Flüssigkeiten beliebig in verschiedene Richtungen verschiebbar • Wirkt eine Kraft F über einen Stempel mit der Fläche A auf einen festen Körper, bildet sich im Innern dieses Körpers eine mechanische Spannung – Symbol: σ griechisches s, gesprochen sigma – σ = F/A [Pa] • Die mechanische Spannung σ ist gleich definiert wie der Druck p und hat auch die gleiche Einheit • Diese ist in der Regel kompliziert, sie kann mit optischen Mitteln (Spannungsoptik) sichtbar gemacht werden.

Beispiel: Feder • Hängt man ein Gewicht G an eine Feder, so wird diese gedehnt • Nimmt man das Gewicht wieder weg, geht die Feder wieder in die Ausgangsposition zurück • Doppeltes Gewicht= doppelte Ausdehnung • Ab einer gewissen Grenze, geht die Verformung nicht mehr vollständig zurück oder die Feder reißt

Hookesches Gesetz • Was für eine Feder gilt, gilt auch für einen einfachen Draht und andere feste Körper • Zieht man an einem Draht der Länge l mit der Kraft F, wird dieser gedehnt um das Stück Δl • Die Querschnittfläche des Drahtes ist A, die mechanische Spannung F = F/A • E ist eine Materialkonstante, der sogenannte Elastizitätsmodul (Einheit Pa)

Torsion oder Verdrillung • Ein Zylinder, z. B. ein Draht ist an einem Ende fix eingespannt. • Am anderen Ende wird der Draht um einen Winkel α verdreht (Drehmoment!) • Hört das Drehmoment auf zu wirken, geht der Draht in die Ausgangsposition zurück • Ähnlich wie bei der Längen änderung erzeugen die elastischen Kräfte des Materials ein rücktreibendes Dreh moment

Welche 8 Aussagen sind richtig? • Druck wird nur für Flüssigkeiten und Gase angegeben, in Feststoffen spricht man von mechanischer Spannung • Das Hook´sche Gesetz beschreibt die Materialausdehnung bei Krafteinwirkung • Bei einer Feder gilt: Doppeltes Gewicht= doppelte Ausdehnung • Torsion ist ein anderer Begriff für Verdrillung • Der Druck ist nur von der aufgewendeten Kraft abhängig • Druck ist Kraft pro Fläche • Druck wirkt immer nur in eine Richtung • Kraft wird in Newton angegeben • Kraft wird in Joule angegeben • Die Ausdehnung ist bei gleicher Krafteinwirkung für alle Materialien gleich • 1 Pa = 1 N/m 2

Diese 7 Aussagen sind richtig? • Druck wird nur für Flüssigkeiten und Gase angegeben, in Feststoffen spricht man von mechanischer Spannung • Das Hook´sche Gesetz beschreibt die Materialausdehnung bei Krafteinwirkung • Bei einer Feder gilt: Doppeltes Gewicht= doppelte Ausdehnung • Torsion ist ein anderer Begriff für Verdrillung • Der Druck ist nur von der aufgewendeten Kraft abhängig • Druck ist Kraft pro Fläche • Druck wirkt immer nur in eine Richtung • Kraft wird in Newton angegeben • Kraft wird in Joule angegeben • Druck wird in Pascal angegeben • Die Ausdehnung ist bei gleicher Krafteinwirkung für alle Materialien gleich • 1 Pa = 1 N/m 2

Arbeit und Energie • Unter dem physikalischen Begriff der Arbeit (Symbol: W) versteht man das Produkt aus Kraft F und Weg s. – W = F *s – Dabei müssen die Kraft und der Weg genau entgegengesetzt sein • Einheit: – W = F *s – N*m, wird Joule (abgekürzt J) genannt: 1 J = 1 N * m

Beispiel: Hubarbeit • Eine Masse m, auf die Gewichtskraft G wirkt, wird in die Höhe h gehoben • Gewichtskraft und Weg s = h sind genau entgegengesetzt – W = F * s = G * h = m * g * h – WHub= m * g* h

Mechanische Energie • Unter mechanischer Energie (Symbol E) versteht man die Fähigkeit eines Körpers, aufgrund seiner Lage oder seiner Bewegung Arbeit zu verrichten • Es gibt zwei Formen mechanischer Energie die – Energie der Lage (potenzielle Energie) – Energie der Bewegung (kinetische Energie) • Die Einheit aller Energieformen ist das Joule

Beispiel • Die im vorigen Gedankenexperiment geleistete Hubarbeit steckt als potenzielle Energie (Symbol: EPot) im gehobenen Körper • Die Energie ist gleich groß wie die vorher geleistete Arbeit: – EPot= m *g *h • Lässt man den Körper fallen, beschleunigt er und erreicht beim Aufprall die Geschwindigkeit v und damit kinetische Energie – EKin= m * v 2/2

Umwandlung von Energie • Wenn keine Reibung auftritt, ist die kinetische Energie exakt gleich groß, wie vorher die potentielle Energie • Es gilt der Energieerhaltungssatz, der besagt, dass die Energie insgesamt konstant ist • Man kann Energie nicht erzeugen oder vernichten, man kann nur eine Energieform in eine andere umwandeln

Energie“erzeugung“ • Verschiebt man einen Körper gegen eine wirkende Kraft, muss man Arbeit leisten oder Energie aufwenden • Bewegt sich der Körper in Richtung der wirkenden Kraft, wird die Energie wieder frei

Welche 7 Aussagen sind richtig? • • • • Die Energie der Bewegung nennt man auch potentielle Energie Die Energie der Lage nennt man auch potentielle Energie Die Formel der potentiellen Energie ist m * v 2/2 Die Hubarbeit entspricht der potentiellen Energie Die Energie der Bewegung nennt man auch kinetische Energie Kinetische Energie kann sich niemals in Bewegungsenergie umwandeln Die kinetische Energie ist m *g *h Die Energie der Bewegung nennt man auch potentielle Energie Der Energieerhaltungssatz besagt dass man Energie nicht erzeugen oder vernichten kann, man kann nur eine Energieform in eine andere umwandeln In der Steckdose wird Energie erzeugt Der Energieerhaltungssatz beschreibt die Umwandlung von einer Energieform in eine andere Die Formel der kinetischen Energie ist m * v 2/2 Der Energieerhaltungssatz beschreibt wie Energie erzeugt werden kann Verschiedene Energieformen können ineinander umgewandelt werden Die potentielle Energie ist m *g *h

Diese 7 Aussagen sind richtig? • • • • Die Energie der Bewegung nennt man auch potentielle Energie Die Energie der Lage nennt man auch potentielle Energie Die Formel der potentiellen Energie ist m * v 2/2 Die Hubarbeit entspricht der potentiellen Energie Die Energie der Bewegung nennt man auch kinetische Energie Kinetische Energie kann sich niemals in Bewegungsenergie umwandeln Die kinetische Energie ist m *g *h Die Energie der Bewegung nennt man auch potentielle Energie Der Energieerhaltungssatz besagt dass man Energie nicht erzeugen oder vernichten kann, man kann nur eine Energieform in eine andere umwandeln In der Steckdose wird Energie erzeugt Der Energieerhaltungssatz beschreibt die Umwandlung von einer Energieform in eine andere Die Formel der kinetischen Energie ist m * v 2/2 Der Energieerhaltungssatz beschreibt wie Energie erzeugt werden kann Verschiedene Energieformen können ineinander umgewandelt werden Die potentielle Energie ist m *g *h

Leistung • Die Leistung (Symbol: P) gibt an, wie viel Arbeit pro Sekunde verrichtet wird. – Leistung = Arbeit / Zeit – P = W / t – Einheit W (Joule), t (s) • J/s wird als Watt bezeichnet (abgekürzt W) – 1 W = 1 J/s • Eine veraltete Einheit der Leistung ist das PS (Pferdestärke), wobei als Umrechnung gilt: – 1 PS = 736 W • Die Leistung ist umso größer, je mehr Arbeit in kurzer Zeit geleistet wird

i Le g n u t s

Welche 5 Aussagen sind richtig? • PS ist eine alte Einheit für Kraft • Strompreise werden in k. Wh angegeben • Die Leistung gibt an, wie viel Arbeit pro Sekunde verrichtet wird • Die Einheit der Leistung ist J/s • PS ist eine alte Einheit für Leistung • Das Symbol der Leistung ist P • J/s= Watt

Diese 5 Aussagen sind richtig? • PS ist eine alte Einheit für Kraft • Strompreise werden in k. Wh angegeben • Die Leistung gibt an, wie viel Arbeit pro Sekunde verrichtet wird • Die Einheit der Leistung ist J/s • PS ist eine alte Einheit für Leistung • Das Symbol der Leistung ist P • J/s= Watt

Mechanische Schwingungen und Wellen • Zieht man die Masse ein wenig nach unten und lässt sie dann wieder aus, beginnt die Masse auf und ab zu schwingen – klingt aufgrund von Reibungskräften ab – zeitlich periodischer Vorgang • Perioden dauer T= jene Zeit, die Masse für einen „Umlauf“ benötigt – Ruhelage–untere Auslenkung–obere Auslenkung–Ruhelage – f = 1/T – 100 Hz bedeuten 100 Schwingungen pro Sekunde • Maximale Auslenkung= Amplitude

Gekoppelte Schwingung • Eine Reihe von Federn ist nebeneinander aufgehängt und lose mit einem Faden verbunden (gekoppelt) – Lenkt man die Feder ganz links aus, wird diese beginnen auf und ab zu schwingen – Durch die Koppelung (Verbindung mit Faden) regt die erste Feder die zweite zu Schwingungen an, diese wiederum die dritte usw. – Die Schwin gung der ersten Feder pflanzt sich von links nach rechts im Raum fort – Jede Feder bleibt an ihren Ort, an dem sie auf und ab schwingt – Im Raum pflanzt sich nur die Schwingungsenergie fort, nicht das Material

Mechanische Welle • Ausbreitung einer mechanischen Schwingung im Raum • Beispiel: gekoppelte Schwingung

Welle • Räumliche Periodizität: – nach einer gewissen Strecke, der sogenann ten Wellenlänge (λ lambda) wiederholt sich der Schwingungszustand der einzelnen Federn • Eine Welle ist also ein zeitlich und räumlich periodischer Vorgang, der sich im Raum ausbreitet – Dabei wird Energie, aber keine Masse transportiert – Zeitliche Periodizität: • Frequenz f – Räumliche Periodizität: • Wellenlänge λ – Geschwindigkeit: • Ausbreitungsge schwindigkeit (Symbol: c)

Wellengleichung • Ausbreitungsgeschwindigkeit = Wellenlänge* Frequenz • Bei konstanter Ausbreitungsgeschwindigkeit c gehört zu jeder Wellenlänge eine ganz bestimmte Frequenz f und umgekehrt • Schwingung – ortsfester, zeitlich periodischer Vorgang • Welle – zeitlich und räumlich periodischer Vorgang, der sich im Raum ausbreitet

Welche Aussagen sind richtig? • • • • Bei der Schwingung handelt es sich um einen zeitlich periodischen Vorgang Je größer die Frequenz desto größer die Amplitude Die Amplitude einer Welle beschreibt die maximale Auslenkung Die gekoppelte Schwingung ist eine mechanische Welle Bei der gekoppelten Schwingung pflanzt sich das Material im Raum fort Die Amplitude einer Welle beschreibt die Periodendauer Die Einheit der Wellenlänge ist m Ausbreitungsgeschwindigkeit = Wellenlänge* Frequenz Die Einheit der Wellenlänge ist 1/m Die Einheit der Wellenlänge ist λ Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle hat das Symbol c Das Symbol der Wellenlänge ist λ Die Wellenlänge beschreibt die Strecke nach der sich ein Schwingungszustand wiederholt Eine Welle ist ein zeitlich und räumlich periodischer Vorgang und breitet sich im Raum aus Eine Schwingung ist ein ortsfester, zeitlich periodischer Vorgang

Schall • Ausgangspunkt jeder Schallwelle ist eine mechanische Schwingung • Die Saite erzeugt in der Luft lokal kleine Druckschwankungen, Verdichtungen und Verdünnungen im Rhythmus der Schwingung • Diese Druckschwankungen breiten sich in der Luft nach allen Richtun gen aus

Schallausbreitung

Schall in verschiedenen Medien • Druckschwankungen können sich nicht nur in Luft, sondern auch in Flüssig keiten ausbreiten • In festen Körpern erzeugt eine Schwingung mechanische Span nungen, die sich ebenfalls fortpflanzen können. • In allen Fällen ist für die Ausbreitung von Schall ein Medium notwendig. • Im Vakuum gibt es keine Schallausbreitung Luft: c = 340 m/s Wasser: c = 1480 m/s Gold: c = 3240 m/s

Schallausbreitung • Bei der Ausbreitung von Schall in Luft schwingen die Luftmoleküle parallel zur Ausbreitungsrichtung – Verdichtungen und Verdünnungen der Luft – In Bereichen der Verdichtung herrscht ein Überdruck, in denen der Verdünnung ein Unterdruck – Umkehrung im Rhythmus der Frequenz f • Die Schallwelle in Gasen und Flüssigkeiten ist also eine Druckwelle, in festen Körpern kommt es zur Ausbreitung von mechanischen Spannungen

Intensität von Schall • Bei einer Wellenbewegung wird Energie transportiert, nicht Masse • Intensität (Symbol: I) – Energiefluss pro Zeit und Fläche – Einheit: Energie pro Sekunde = Leistung in Watt, Fläche in m 2 = [W/m 2 ] • Verschieden hohe Intensitäten nehmen wir als verschiedene Lautstärken wahr • Wir können einen großen Frequenzbereich (16– 16 k. Hz) und Intensitätsbereich (Lautstärkebereich) von 10 12 bis 10 W/m 2 wahrnehmen

Schallbereiche • Niedere Frequenzen bis 16 Hz bezeichnet man als Infraschall (z. B Erdbeben wellen) • Mittlere Frequenzen von 16 Hz bis 16 k. Hz werden als Hörbereich bezeichnet – für diesen Frequenzbereich besitzen wir ein Sinnesorgan, das Ohr – nur diesen Bereich können wir hören • Hohe Frequenzen über 16 k. Hz bezeichnet man als Ultraschall • Zu jeder Frequenz f gehört bei gegebener Schallgeschwindigkeit c eine ganz bestimmte Wellenlänge. – c= λ*f – λ= c/f

Ultraschall • Frequenzen ab 16 k. Hz • Technisch genutzt werden vor allem Frequenzen im MHz Bereich bis hin zu GHz. • In der Medizin zur Diagnose und auch zur Therapie genutzt – Dabei führt die Ausbreitung der Druckwelle im Gewebe zu einer Mikro massage und besseren Durchblutung. – Solange die Intensität des Ultraschalls nicht zu groß ist, sind die Ultraschallanwendungen völlig gefahrlos

In der Zahnarztpraxis • Frequenz von 20– 60 k. Hz • Ausgangspunkt des Ultraschalls ist eine mit der Ultraschallfrequenz schwingende Metallspitze, die auf den Zahn aufgesetzt wird • Der Ultraschall breitet sich im Zahn bzw im Zahnstein aus • Es kommt zu periodischen mechanischen Spannungen, der Zahnstein kann abgelöst werden

Welche 6 Aussagen sind richtig • Ultraschall wird zur Zahnsteinentfernung in einer Frequenz von 20– 60 k. Hz eingesetzt • Schall breitet sich nur in eine Richtung aus • Schall breitet sich in verschiedenen Medien gleich schnell aus • Verschieden hohe Intensitäten von Schall nehmen wir als verschiedene Lautstärken wahr • Schall und Licht können sich auch im Vakuum ausbreiten • Ultraschall ist eine sehr gefährliche Strahlung • Schall benötigt zur Ausbreitung immer ein Medium • Schall breitet sich in verschiedenen Medien unterschiedlich schnell aus • Schallwellen lösen Druckschwankungen in der Luft aus, die vom Ohr wahrgenommen werden • Schall kann sich nur in Luft ausbreiten • Schall ist eine Welle

Diese 6 Aussagen sind richtig • Ultraschall wird zur Zahnsteinentfernung in einer Frequenz von 20– 60 k. Hz eingesetzt • Schall breitet sich nur in eine Richtung aus • Schall breitet sich in verschiedenen Medien gleich schnell aus • Verschieden hohe Intensitäten von Schall nehmen wir als verschiedene Lautstärken wahr • Schall und Licht können sich auch im Vakuum ausbreiten • Ultraschall ist eine sehr gefährliche Strahlung • Schall benötigt zur Ausbreitung immer ein Medium • Schall breitet sich in verschiedenen Medien unterschiedlich schnell aus • Schallwellen lösen Druckschwankungen in der Luft aus, die vom Ohr wahrgenommen werden • Schall kann sich nur in Luft ausbreiten • Schall ist eine Welle

Wärmelehre • Wärme (Symbol: Q) ist eine Energieform – die kinetische Energie der Materienbausteine, der Atome und Moleküle • Die Bausteine der Materie sind in ständiger Bewegung (Geschwindigkeit v) – Kinetische Energie W = m *v 2 /2 – Zählt man die kinetischen Energien aller Materiebausteines Stoffes zusammen, erhält man die Wärmemenge in diesem Stoff, seine Wärmeenergie Q • Die Einheit der Wärmemenge ist die Einheit der Energie, also Joule – Eine alte Einheit für die Wärme ist die Kalorie (abgekürzt: cal) – 1 cal = 4, 18 J

Wechselwirkungen verschiedener Aggregatszustände • Feststoffe: – anziehende Kräfte, die so groß sind, dass sich die Atome/Moleküle nicht gegeneinander ver schieben – sie schwingen um ihren Platz und führen Rotationen um ihre eigene Achse aus • Flüssigkeiten – anziehende Kräfte zwischen den Molekülen sind kleiner – sie können sich gegeneinander verschieben • Gase: – anziehende Kräfte zwischen den Molekülen sind so klein, dass kein Zusammenhalt möglich ist – Die Moleküle fliegen mit großer Geschwindigkeit im Raum, werden an den Wänden reflektiert und ändern auch durch Zusammenstöße ihre Richtung

Temperatur • Maß für die mittlere Geschwindigkeit der Materiebausteine – Je höher die mittlere Geschwindigkeit ist, desto höher die Temperatur – Je tiefer die Temperatur, desto kleiner wird die mittlere Geschwindigkeit der Materie – Wenn die Geschwindigkeit gleich Null wird, ist der absolute Nullpunkt erreicht – Der absolute Nullpunkt liegt bei – 273, 15 °C ≈ – 273 °C = 0 K • In der Physik wird die Temperatur in Kelvin (abgekürzt: K) angegeben – Grundeinheit

Zusammenhang zwischen K und °C

Welche 7 Aussagen sind richtig? • • • Wärme ist eine Energieform Die Einheit von Wärme ist Joule Wärme ist eine Kraft Die Grundeinheit der Temperatur ist K Je höher die mittlere Geschwindigkeit der Materiebausteine ist, desto höher die Temperatur Die Grundeinheit der Temperatur ist °C K= °C+ 273, 15 Bei 0 K liegt keine Teilchenbewegung mehr vor Eine Temperatur unterhalb des absoluten Nullpunkts kann man nur unter großem Energieaufwand erreichen °C=K+237, 15

Diese 7 Aussagen sind richtig? • • • Wärme ist eine Energieform Die Einheit von Wärme ist Joule Wärme ist eine Kraft Die Grundeinheit der Temperatur ist K Je höher die mittlere Geschwindigkeit der Materiebausteine ist, desto höher die Temperatur Die Grundeinheit der Temperatur ist °C K= °C+ 273, 15 Bei 0 K liegt keine Teilchenbewegung mehr vor Eine Temperatur unterhalb des absoluten Nullpunkts kann man nur unter großem Energieaufwand erreichen °C=K+237, 15

Aggregatzustände • Ein Stoff kann in verschiedenen Aggregatzuständen existieren – fest, flüssig und gasförmig • Die Übergänge von einem Aggregats zustand zum anderen nennt man Phasenübergänge

Aggregatzustände A

Phasenübergänge von CO 2

Welche 5 Aussagen sind richtig? • Am Tripelpunkt liegen alle drei Aggregatzustände vor • In Feststoffen sind die Teilchen frei verschiebbar • Den Übergang von fest auf gasförmig nennt man sublimieren • Die Anziehungskräfte zwischen Molekülen sind in Gasen am geringsten • Die Übergänge von einem Aggregats zustand zum anderen nennt man Phasenübergänge • Der Joule Thomson Effekt bezeichnet die Abkühlung bei Ausdehnung eines Gases

Diese 5 Aussagen sind richtig? • Am Tripelpunkt liegen alle drei Aggregatzustände vor • In Feststoffen sind die Teilchen frei verschiebbar • Den Übergang von fest auf gasförmig nennt man sublimieren • Die Anziehungskräfte zwischen Molekülen sind in Gasen am geringsten • Die Übergänge von einem Aggregats zustand zum anderen nennt man Phasenübergänge • Der Joule Thomson Effekt bezeichnet die Abkühlung bei Ausdehnung eines Gases

Joule Thomson Effekt • Lässt man ein unter Druck stehendes Flüssiggas über ein Ventil ausströmen, dehnt es sich stark aus • Durch diese Ausdehnung kühlt es ab (bis – 50°C) • Dieser Effekt wird Joule Thomson Effekt genannt • Wird in Kühlschränken genutzt

Funktionsweise Kühlschrank

Kälteprovokationstest • Zum Vitalitätstest eingesetzt • Ein Stick mit Trockeneis oder ein Wattestäbchen, das mit einem Kältespray (Flüssig gas) besprüht und damit abgekühlt wurde, wird kurz an den Zahn geführt • Spürt der Patient den Kältereiz, lebt der Zahn noch

Grundgleichung der Wärmelehre • Mit Hilfe der „Grundgleichung der Wärmelehre“ kann berechnet werden, wie viel Energie Q man einem Körper zuführen muss, um ihn von einer Temperatur T 1 auf eine Temperatur T 2 zu erwärmen • Q = c *m *(T 2 T 1) – m (kg) … Masse des Körpers – c (k. J/kg K) … spezifische Wärmekapazität in Kilo Joule pro Kilogramm und Kelvin • Die spezifische Wärmekapazität ist eine Stoffkonstante und kann aus Tabellen entnommen werden

Rechenbeispiel aus dem Buch

Beispiel • Im Fitnesstudio hebt man ein Gewicht von m=30 kg vom Boden über den Kopf (h=2 Meter Höhe) • Wie viele Wiederholungen benötigt man, um den Heizwert von 100 g Schokolade (500 kcal = 2090 k. J) abzubauen? E= m*g (=9, 81 m/s 2)*h

Welche 6 Aussagen sind richtig? • 1 cal = 4, 18 J • Um 1 g Wasser um 1 °C zu erwärmen muss man 1 cal zuführen • Die Wärmelehre gibt an wie viel Energie Q man einem Körper zuführen muss, um ihn von einer Temperatur T 1 auf eine Temperatur T 2 zu erwärmen • Statt einer Klimaanlage kann man im Sommer die Kühlschranktüre offen lassen • Die Wärmeleitfähigkeit von Metallen ist groß • Die Wärmekapazität von Wasser ist größer als die von Metallen • Die spezifische Wärmekapazität wird in Kilo joule pro Kilogramm und Kelvin angegeben • Die Wärmekapazität von Wasser ist geringer als die von Metallen • Die spezifische Wärmekapazität wird in Kilo joule pro Kelvin angegeben • Die Wärmeleitfähigkeit von Metallen ist klein

Diese 6 Aussagen sind richtig? • 1 cal = 4, 18 J • Um 1 g Wasser um 1 °C zu erwärmen muss man 1 cal zuführen • Die Wärmelehre gibt an wie viel Energie Q man einem Körper zuführen muss, um ihn von einer Temperatur T 1 auf eine Temperatur T 2 zu erwärmen • Statt einer Klimaanlage kann man im Sommer die Kühlschranktüre offen lassen • Die Wärmeleitfähigkeit von Metallen ist groß • Die Wärmekapazität von Wasser ist größer als die von Metallen • Die spezifische Wärmekapazität wird in Kilo joule pro Kilogramm und Kelvin angegeben • Die Wärmekapazität von Wasser ist geringer als die von Metallen • Die spezifische Wärmekapazität wird in Kilo joule pro Kelvin angegeben • Die Wärmeleitfähigkeit von Metallen ist klein

ELEKTRIZITÄT

Elektrizitätslehre • In der Atomhülle bewegen sich Elektronen um den Kern • Im Normalfall sind in einem Atom gleich viele Elektronen wie Protonen • Elektronen sind elekt risch negativ geladen • Die Ladungsmenge (Symbol: q) eines Elektrons nennt man Elementarladung – Ladung von Elektronen und Protonen ist gleich groß und hebt sich auf • Die Einheit der Ladung heißt Coulomb, abge kürzt C

Elektrische Kräfte • Zwischen den Ladungen wirken die elektrischen Kräfte – Zwischen gleichnamigen Ladungen (+ und +, bzw – und –) sind diese abstoßend, zwischen ungleichnamigen Ladungen (+ und –) sind sie anziehend • Im Atomkern wirkt die stärkste Naturkraft, die Kernkraft – Zwischen Protonen (+) und ungeladenen Neutronen • Die Atomhülle wird durch die elektrische Kraft (ungleichnamige Ladungen ziehen sich an) am Kern gehalten • Die elektrische Kraft ist auch für die chemische Bindung und für die Kräfte zwischen den Molekülen verantwortlich

Die elektrische Spannung • Von elektrisch neutralen Stoffen geht keine elektrische Wirkung aus, sie wirken nach außen wie ungeladen • Um eine elektrische Wirkung zu erzielen, muss man die positiven von den negativen Ladungen trennen • Die positive und negative Ladung bilden zunächst einen elektrisch neutralen Stoff – Beide Ladungen ziehen sich durch die elektrische Kraft an – Gegen die wirkende elektrische Kraft Fel wird die negative Ladung um das Wegstück s verschoben – Dabei muss Arbeit geleistet werden:

Ladungstrennung (Pole) • Die geleistete Arbeit steckt als potenzielle Energie Epot im System – Wie bei Hubarbeit • Durch die Ladungstrennung hat man räumlich getrennte positive und negative • Ladungen, oder, wie man sagt, einen Plus und Minuspol erzeugt • In diesem System steckt die Trennungsarbeit als potenzielle Energie • Die elektrische Spannung (Symbol: U) ist wie folgt definiert: – Spannung = potenzielle Energie/Ladung – U = Epot/q [V] – Einheit: potenzielle Energie in Joule, Ladung in Coulomb

Einheit: Volt • J/C wird als Volt (abgekürzt V) bezeichnet: 1 V = 1 J/C • Unter elektrischer Spannung versteht man also die durch Ladungstrennung erzeugte potenzielle Energie pro Ladung • Eine Gleichspannungsquelle (z. B. Batterie, Akkumulator) besitzt einen Plus und einen Minuspol

Metallbindung • Metalle sind gute elektrische Leiter – Metallbindung: die Metallatome geben aus ihrer Atom hülle 1– 2 Elektronen ab • Positive Atomrümpfe werden von den abgegebenen Elektronen (delokalisierte Elektronenwolke) umgeben – Sie fliegen wie die Moleküle eines Gases frei herum – Halten die positiven Atomrümpfe zusammen

Stromfluss • Da Elektronen frei beweglich sind, werden sie nun von rechts nach links ( zu +) zu wandern beginnen – ein elektrischer Strom fließt – Geordnete Bewegung von elektrischen Ladungen Stromfluss

Elektrische Stromstärke • Die elektrische Stromstärke (Symbol: I) ist ein Maß für die Größe des Stromes – Gibt an, wie viel Ladung q pro Sekunde durch den Leiterquerschnitt strömt • Stromstärke = Ladung/Zeit – I = q/t • Die Einheit der elektrische Stromstärke ist das Ampere (abgekürzt A) – Abgeleitete Grundeinheit – Leichter zu messen als Ladungsmengen (Coulomb)

Welche 11 Aussagen sind richtig? • • • • • Das Symbol für die elektrische Spannung ist R Die Stromstärke ist umso größer, je größer die Spannung ist Metalle leiten durch die Schwingungen der Atomrümpfe bei hohen Temperaturen schlechter Elektronen sind elekt risch negativ geladen Metalle leiten durch die Schwingungen der Atomrümpfe bei hohen Temperaturen besser Die Einheit der Ladung heißt Coulomb, abge kürzt C Die Einheit der Ladung heißt Joule J/C wird als Volt (abgekürzt V) bezeichnet: 1 V = 1 J/C Die elektrische Spannung ist die durch Ladungstrennung erzeugte potenzielle Energie pro Ladung Die Ladungsmenge (Symbol: q) eines Elektrons nennt man Elementarladung Nur Metalle können elektrische Ladungen leiten Die elektrische Stromstärke (Symbol: I) ist ein Maß für die Größe des Stromes Die elektrische Spannung ist die durch Ladungstrennung erzeugte kinetische Energie pro Ladung Um eine elektrische Wirkung zu erzielen, muss man die positiven von den negativen Ladungen trennen Durch die Ladungstrennung hat man räumlich getrennte positive und negative Ladungen, oder, wie man sagt, einen Plus und Minuspol erzeugt Stromfluss ist eine geordnete Bewegung von elektrischen Ladungen Stromstärke wird in Volt angegeben Stromstärke = Ladung/Zeit

Diese 11 Aussagen sind richtig? • • • • • Das Symbol für die elektrische Spannung ist R Die Stromstärke ist umso größer, je größer die Spannung ist Metalle leiten durch die Schwingungen der Atomrümpfe bei hohen Temperaturen schlechter Elektronen sind elekt risch negativ geladen Metalle leiten durch die Schwingungen der Atomrümpfe bei hohen Temperaturen besser Die Einheit der Ladung heißt Coulomb, abge kürzt C Die Einheit der Ladung heißt Joule J/C wird als Volt (abgekürzt V) bezeichnet: 1 V = 1 J/C Die elektrische Spannung ist die durch Ladungstrennung erzeugte potenzielle Energie pro Ladung Die Ladungsmenge (Symbol: q) eines Elektrons nennt man Elementarladung Nur Metalle können elektrische Ladungen leiten Die elektrische Stromstärke (Symbol: I) ist ein Maß für die Größe des Stromes Die elektrische Spannung ist die durch Ladungstrennung erzeugte kinetische Energie pro Ladung Um eine elektrische Wirkung zu erzielen, muss man die positiven von den negativen Ladungen trennen Durch die Ladungstrennung hat man räumlich getrennte positive und negative Ladungen, oder, wie man sagt, einen Plus und Minuspol erzeugt Stromfluss ist eine geordnete Bewegung von elektrischen Ladungen Stromstärke wird in Volt angegeben Stromstärke = Ladung/Zeit

Das Ohmsche Gesetz • Der „Elektrische Widerstand“, auch Ohmscher Widerstand genannt, hat das Symbol R • Das Ohmsche Gesetz liefert den Zusammenhang zwischen Stromstärke I, Spannung U und elektrischem Widerstand R • Die Stromstärke ist umso größer, je größer die Spannung U ist (U ist ein Maß für die potenzielle Energie!), und umso kleiner, je größer der Widerstand ist

Leiter und Isolatoren • Soll in einem Material ein Strom fließen, müssen in diesem frei bewegliche Ladungen vorhanden – Widerstand gegen einen Stromfluss ist sehr klein – Wenn Materialien wenig freie Ladungen besitzen, ist ihr Widerstand groß – Werden Isolatoren genannt (zum Beispiel Kunststoffe oder Keramik)

Stromarbeit, Stromleistung • Energieerhaltungssatz: potenzielle Energie kann nicht verschwinden • Bei einem Stromfluss z. B. durch ein Metall wird sie zunächst in die kinetische Energie der Elektronen umgewandelt – Diese strömen durch das Metallgitter und übertragen durch Stöße ihre Energie zum Teil auf dieses – Die Metallionen beginnen heftiger zu schwingen (Temperaturanstieg) – Die potenzielle Energie der Spannungsquelle wird also in kinetische Energie der Materiebauteile umgewandelt

Stromarbeit, Stromleistung II • Die Wärmemenge, die durch einen Stromfluss erzeugt wird ist umso größer, je größer Spannung und Stromstärke sind und je länger der Strom durch den Draht fließt • Zu der von durch elektrischen Strom erzeugten Wärmeenergie sagt man auch Strom arbeit W. • Beispiel: Glühbirne – Der Draht wird so heiß, dass er hell zu glühen beginnt • Unter Leistung P versteht man allgemein Arbeit pro Zeit: W/t

Einheit: Kilowattstunde • Das Elektrizitätswerk verrechnet uns die von uns verbrauchte elektrische Energie in k. Wh • Kennt man die Leistung des ver wendeten Elektrogerätes (in k. W), muss man diese nur mit der Anzahl der Stunden multiplizieren, die das Gerät eingeschaltet ist, um die Energiemenge in k. Wh und damit die Kosten zu errechnen

Beispiel • Wie viel kostet es jährlich, wenn man eine 60 W Glühbirne 2 Stunden pro Tag (730 Stunden pro Jahr) leuchten lässt? • Vie viel kann man sparen, wenn man sie durch eine Energiesparlampe (2 W) ersetzt? • Der Energiepreis liegt bei 20 ct pro k. Wh • = Leistung [W]* Zeit [h]= Wh > : 1000 = k. Wh

Magnetische Wirkung von Strom • Spannt man zwei Drähte, durch die ein elektrischer Strom fließt, paral lel nebeneinander auf, dann ziehen sich diese an oder sie stoßen sich ab, je nach Flussrichtung der bei den Ströme • Diese Kraft tritt nur auf, wenn in beiden Drähten Strom fließt – geordnete Bewegung von Ladun gen

• Fließen beide Ströme in die gleiche Richtung, ergibt sich Anziehung • Fließen die Ströme in ent gegengesetzte r Richtung, stoßen sich die Drähte ab

Welche 4 Aussagen sind richtig? • Die Stromstärke ist umso größer, je größer die Spannung ist • Strom hat aufgrund der Ladungstrennung eine magnetische Wirkung • Das Ohmsche Gesetz liefert den Zusammenhang zwischen Stromstärke I, Spannung U und elektrischem Widerstand R • Kennt man die Leistung des ver wendeten Elektrogerätes (in k. W), muss man diese nur mit der Anzahl der Stunden multiplizieren, die das Gerät eingeschaltet ist, um die Energiemenge in k. Wh und damit die Kosten zu errechnen • Das Ohmsche Gesetz liefert den Zusammenhang zwischen Kraft, Arbeit und Leistung • Je größer die Stromstärke, desto größer der Widerstand

Diese 4 Aussagen sind richtig? • Die Stromstärke ist umso größer, je größer die Spannung ist • Strom hat aufgrund der Ladungstrennung eine magnetische Wirkung • Das Ohmsche Gesetz liefert den Zusammenhang zwischen Stromstärke I, Spannung U und elektrischem Widerstand R • Kennt man die Leistung des ver wendeten Elektrogerätes (in k. W), muss man diese nur mit der Anzahl der Stunden multiplizieren, die das Gerät eingeschaltet ist, um die Energiemenge in k. Wh und damit die Kosten zu errechnen • Das Ohmsche Gesetz liefert den Zusammenhang zwischen Kraft, Arbeit und Leistung • Je größer die Stromstärke, desto größer der Widerstand

Magnetismus

Magnetische Kraft • geht von bewegten Ladungen (Geschwindigkeit!) aus und wirkt auf andere bewegte Ladungen (nicht auf ruhende Ladungen) • Von einem stromdurchflossenen Leiter geht also eine magnetische Kraft aus, oder, wie man auch sagt, der Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben • Die Richtung des Magnetfeldes wird durch Feldlinien graphisch dargestellt

Spule • Wenn man einen Draht wie eine Spule aufwickelt, hat man eine Reihe von Leiterschleifen übereinander • Eine stromdurchflossene Spule nennt man auch Elektromagnet • Am oberen Ende der Spule treten die Feldlinien aus dem Innern der Spule heraus • Dieses Ende der Spule nennt man Nordpol, das andere Südpol • Im Innern der Spule ist ein starkes Magnetfeld

Elektromagnet • Im Inneren einer Spule bildet sich ein starkes Magnetfeld – gleichnamige Pole (also Nordpol + Nordpol oder Südpol + Südpol) stoßen sich ab – ungleichnamige Pole (also Nordpol und Südpol) ziehen sich an

Elektromagnet • Gibt man ein derartiges Material in ein starkes Magnetfeld, z. B in das Innere einer stromdurchflossenen Spule, ordnen Teilchen eines ungeladenen Materials ordnen sich nach dem Magnetfeld der Spule aus • Es bildet sich im Material am oberen Ende ein Nordpol, am unteren ein Südpol • Nimmt man das Material aus der Spule, zerfällt die Ordnung in den meisten Materialien sofort wiederes bleibt keine magnetische Wirkung bestehen

Ferromagnetismus • Drei Materialen behalten die ursprüngliche Ordnung bei, sie werden zu Permanentmagneten – Eisen – Nickel – Kobalt

Permanentmagnet • Das Feldlinienbild eines stabförmigen Permanentmagneten gleicht dem Feldlinienbild einer Spule

Welche 4 Aussagen sind richtig? • Wird ein Elektromagnet erzeugt, behält dieser dauerhaft seine magnetische Kraft • Eisen, Nickel und Kobalt sind ferromagnetisch • Nur Eisen ist ein Ferromagnet • Elektromagneten wirken nur während eines Stromflusses als Magneten • gleichnamige Pole (also Nordpol + Nordpol oder Südpol + Südpol) stoßen sich ab • ungleichnamige Pole (also Nordpol und Südpol) stoßen sich ab • Eine Spule besteht aus vielen Leiterschleifen

Diese 4 Aussagen sind richtig? • Wird ein Elektromagnet erzeugt, behält dieser dauerhaft seine magnetische Kraft • Eisen, Nickel und Kobalt sind ferromagnetisch • Nur Eisen ist ein Ferromagnet • Elektromagneten wirken nur während eines Stromflusses als Magneten • gleichnamige Pole (also Nordpol + Nordpol oder Südpol + Südpol) stoßen sich ab • ungleichnamige Pole (also Nordpol und Südpol) stoßen sich ab • Eine Spule besteht aus vielen Leiterschleifen

Welche Kraftwirkungen gehen von der elektrischen Ladung aus? • Die Elektrische Kraftwirkung von Ladungen in allen Bewegungszuständen • Die Magnetische Kraftwirkung von bewegten Ladungen (Ladungen mit einer Geschwindigkeit) • Die Elektromagnetische Welle von einer beschleunigten Ladung

Elektromagnetische Welle • Die elektrische und magnetische Kraft wirkung breitet sich wellenförmig im Raum aus • Eine elektromagnetische Welle entsteht, wenn Ladungen beschleunigt werden • Die elektromagnetische Welle benötigt – im Gegensatz zum Schall – kein Medium zur Ausbreitung, sie kann sich auch im Vakuum (luftleeren Raum) ausbreiten

Lichtgeschwindigkeit • Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c aller elektromagnetischen Wellen ist die Lichtgeschwindigkeit: – c = 3 *108 m/s = 300000 km/s Die Lichtgeschwindigkeit ist die größte Geschwindigkeit, die erreichbar ist, größere Geschwindigkeiten gibt es nicht

Es gilt die Wellengleichung

Elektromagnetisches Spektrum • Stellt alle elektromagnetischen Wellen in Abhängigkeit von der Wellenlänge dar

Frequenz und Wellenlänge • Alle verschiedenen elektromagnetischen Wellen haben die Ausbreitungs geschwindigkeit c und die physikalische Natur (elektrische und magnetische Kraft wirkung) gemeinsam • Sie unterscheiden sich durch Wellenlänge und Frequenz • je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz

Welche 3 Aussagen sind richtig? • Elektromagnetische Wellen können sich auch im Vakuum ausbreiten • Elektronen bewegen sich schneller als Licht • Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c aller elektromagnetischen Wellen ist die Lichtgeschwindigkeit • Verschiedene Strahlungsarten haben eine unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit • Elektromagnetische Wellen benötigen ein Medium zur Ausbreitung • Licht bewegt sich abhängig vom Medium unterschiedlich schnell • Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 300000 km/h

Diese 3 Aussagen sind richtig? • Elektromagnetische Wellen können sich auch im Vakuum ausbreiten • Elektronen bewegen sich schneller als Licht • Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c aller elektromagnetischen Wellen ist die Lichtgeschwindigkeit • Verschiedene Strahlungsarten haben eine unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit • Elektromagnetische Wellen benötigen ein Medium zur Ausbreitung • Licht bewegt sich abhängig vom Medium unterschiedlich schnell • Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 300000 km/h

Wellenarten • Man unterscheidet verschiedene Bereiche, die nach der Wellenlänge benannt sind. • LW Langwelle λ= 1– 10 km • MW Mittelwelle λ = 100 m– 1 km • KW Kurzwelle λ = 10 m– 100 m • UKW Ultrakurzwelle λ = 0, 2 m– 10 m • Mikrowellen λ = 1 mm– 20 cm (mm , cm , dm Welle)

Radiowellen • Zum Beispie Fernsehwellen, Radar Mikrowellenherd und Handystrahlung • Elektronen(beschleunigte Ladungen) schwingen mit der Frequenz der abgestrahlten Welle • Jede Welle transportiert Energie – Ein Maß dafür ist die Intensität

Gefahren elektromagnetischer Strahlung • Für alle Bereiche des elektromagnetischen Spektrums gibt es Vorschriften und Grenzwerte • Je kürzer die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle ist, desto energiereicher und gefährlicher ist sie

Wärmestrahlung • Geht von Oberflächen aus, und ist von deren Temperatur abhängig • Je höher die Temperatur ist, umso größer ist die Intensität der Strahlung und umso kürzer ist die Wellenlänge • Ursache der Wärmestrahlung ist die Bewegung der Materiebausteine auf Grund der Wärme • Die Wellenlängen nahe bei der Grenze zum sichtbaren Bereich werden auch als Infrarot bezeichnet

Sichtbares Licht • Die Sonne strahlt nicht nur Licht ab, sondern auch Wärmestrahlung und UV Strah lung • Die höchste Intensität strahlt sie bei 500 nm, also im sichtbaren Bereich ab • Das Auge kann Wellenlängen zwischen 400 und 800 nm erkennen • Zerlegt man das weiße Sonnenlicht in seine einzelnen Wellenlängen, erhält man die Farben des Regenbogens • Das kurzwellige Ende ist violett blau, das langwellige Ende rot • An rot anschließend bei größeren, nicht sichtbaren Wellenlängen ist der Bereich des Infrarots (IR) (Wärmestrahlung)

UV Strahlung • Von der Sonne ausgehend erreicht auch die UV Strahlung (100– 400 nm) die Erde • Die Erdatmosphäre filtert den kurzwelligen Teil der UV Strahlung weg – nur die großen Wellenlängen erreichen die Erde – Je kürzer die Wellenlängen sind, desto gefährlicher • Bräunung, Sonnenbrand und Hautkrebs • Quelle des sichtbaren Lichtes der UV Strahlung und der Röntgenstrahlung sind die Elektronen der Atomhülle

Hoch energetische Strahlung • Bereich der Röntgenstrahlung= 100 nm– 0, 1 pm – Diese ist so energiereich, dass sie den menschlichen Körper durchdringen kann • Die Gammastrahlung wird von radioaktiven Atomkernen ausgesandt, ihre Eigen schaften sind gleich, wie der Röntgenstrahlung • Die Wellenlängenbereiche der beiden Strahlenarten überlappen sich – Wellenlängen < 100 pm

Welche 8 Aussagen sind richtig? • • • • Weißes Licht kann in Spektralfarben aufgeschlossen werden Das Auge kann Wellenlängen zwischen 100 und 1000 nm erkennen Mikrowellen haben mehr Energie als sichtbares Licht UV Strahlung ist Wärmestrahlung Je kürzer die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle ist, desto energiereicher und gefährlicher ist sie Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz Die Wellenlänge von Röntgenstrahlung ist kleiner als die von Wärmestrahlung Infrarot Strahlung ist Wärmestrahlung Die Lichtgeschwindigkeit ist die größte Geschwindigkeit, die erreichbar ist Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 300000 km/s Die Wärmestrahlung der Sonne (Infrarot) verursacht Bräunung und Sonnenbrand Das Auge kann Wellenlängen zwischen 400 und 800 nm erkennen Die Wellen eines Handysignals sind gefährlicher als UV Strahlung

Diese 8 Aussagen sind richtig? • • • • Weißes Licht kann in Spektralfarben aufgeschlossen werden Das Auge kann Wellenlängen zwischen 100 und 1000 nm erkennen Mikrowellen haben mehr Energie als sichtbares Licht UV Strahlung ist Wärmestrahlung Je kürzer die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle ist, desto energiereicher und gefährlicher ist sie Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz Die Wellenlänge von Röntgenstrahlung ist kleiner als die von Wärmestrahlung Infrarot Strahlung ist Wärmestrahlung Die Lichtgeschwindigkeit ist die größte Geschwindigkeit, die erreichbar ist Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 300000 km/s Die Wärmestrahlung der Sonne (Infrarot) verursacht Bräunung und Sonnenbrand Das Auge kann Wellenlängen zwischen 400 und 800 nm erkennen Die Wellen eines Handysignals sind gefährlicher als UV Strahlung