Grundwissen Physik für die 10. Klasse :

Transkript

1 Grundwien Phyik für die 0. Klae : Wa verteht an unter Kraft? Kräfte Die Gewichtkraft an der Erdoberfläche lät ich au der Mae berechnen: Die Urache einer Bewegungänderung wird in der Phyik Kraft genannt. Wenn ein Gegentand chneller oder langaer wird oder wenn er eine Bewegungrichtung ändert, u eine Kraft wirken. U eine Kraft volltändig zu bechreiben, gibt an ihre Größe (Betrag), ihre Richtung und ihren Angriffpunkt an. Elektriche Kräfte wirken zwichen elektrich geladenen Gegentänden; gleichnaige Ladungen toßen ich ab, ungleichnaige ziehen ich an. Man kann die Kraft durch einen Pfeil dartellen, bei de die Länge den Betrag und der Pfeilanfang den Angriffpunkt angibt. Erfährt ein Gegentand der Mae eine Bechleunigung a, dann wirkt auf ihn die Kraft F, deren Stärke (Betrag) al Produkt au Mae und Bechleunigung definiert wird: Magnetiche Kräfte wirken zwichen zwei Magneten: gleichnaige Pole toßen ich ab, ungleichnaige ziehen ich an. Magnetiche Kräfte zwichen eine Magneten und agnetiierbare Material ind tet anziehend. Reibungkräfte treten bei Kontakt zwichen Gegentänden auf. Man untercheidet zwichen Haft-, Gleit- und Rollreibungkräften. FG = g Welche Kräfte koen vor? kurz: F = a [ F ] = kg = Newton = N Wie lautet der Trägheitatz? Wie addiert an Kräfte, wie kann an ie in Teilkräfte zerlegen? Zwei (oder ehr) Kräfte werden durch Parallelverchiebung von Kraftpfeilen addiert. Eine Kraft Richtungen Richtungen einzeichnet ergänzt. Ein Gegentand behält Betrag und Richtung einer Gechwindigkeit bei oder bleibt in Ruhe, wenn keine Kraft auf ihn wirkt oder wenn er i Kräftegleichgewicht it. Wann liegt Kräftegleichgewicht vor? Wenn zwei Kräfte o auf einen Gegentand wirken, da ie den gleichen Betrag, den gleichen Angriffpunkt und entgegengeetzte Richtungen haben, heben ie ich gegeneitig auf. Wa agt da Wechelwirkunggeetz au? Kräfte zwichen Gegentänden treten ier paarweie auf. Übt ein Gegentand auf einen zweiten Gegentand eine Kraft au, dann wirkt auch vo zweiten Gegentand her eine gleich große und entgegengerichtete Kraft auf den erten Gegentand. uuur F wird in zwei Teilkräfte it vorgegebenen zerlegt, inde an Parallelen zu den uur uur uuur von F und F durch die Spitze von F und die Figur o zu Kräfteparallelogra Wie untercheidet an zwichen Wechelwirkunggeetz und Kräftegleichgewicht? Wie hängen Kraft und Verforung zuaen? Bei Wechelwirkunggeetz greifen Kraft und Gegenkraft an zwei verchiedenen Gegentänden an, während Kräftegleichgewicht nur dann vorliegt, wenn zwei oder ehr Kräfte auf einen einzigen Gegentand wirken. Für alle Gegentände gilt: Je größer der Betrag der Kraft, deto größer it die Verforung. Kraft, Verforung F Federhärte = Wa it Gewichtkraft, wa it Gravitation? Einheit der Federhärte: [ D ] = Je zwei Maen ziehen ich gegeneitig an. Die Gravitationkraft, die die Erde auf einen Gegentand auübt, nennt an Gewichtkraft. Die Gewichtkraft veruracht eine Fallbechleunigung g, die für alle Gegentände auf der Erdoberfläche etwa 0 /² it. Bei anchen elatichen Gegentänden gilt F D = = kontant (Geetz von Hooke) Dann it da Dehnung-Kraft-Diagra eine gerade Linie durch den Urprung. kurz: D = N Ertellt von der Fachchaft Phyik a CPG auf der Grundlage der Lehrbücher Ikaru 7, Galileo 8 und Galileo 9 de Oldenburg Verlag.

2 Grundwien Phyik für die 0. Klae : Wa it Gechwindigkeit? Gleichförige Bewegung (a = 0 /²) Die Gechwindigkeit it ein Maß dafür, wie chnell ich ein Gegentand bewegt. Gechwindigkeit v = kurz: v = D Bewegungen zurückgelegterwegabchnitt dafür benötigte Zeitdauer [ v ] = Wa it die Bechleunigung? Die Bechleunigung it ein Maß dafür, wie ich die Gechwindigkeit i Laufe der Zeit ändert. Bechleunigung a = kurz: a = Dv Änderung der Gechwindigkeit dafür benötigte Zeitdauer [ a ] = / = Wie bechreibt an Bewegungen? Bewegungen werden in eine Zeit-Ort-Diagra oder in eine Zeit-Gechwindigkeit-Diagra bechrieben. I Zeit-Ort-Diagra gilt: Bei teigender Kurve bewegt ich der Gegentand vorwärt, bei fallender Kurve rückwärt. Waagrechte Linienteile zeigen, da der Gegentand ruht. Je chneller die Bewegung it, deto teiler it der jeweilige Linienabchnitt: Bewegung it kontanter Kraft Der Zeit-Gechwindigkeit-Graph it eine Gerade, der Zeit-Ort-Graph it ein Parabelabchnitt. Einige ögliche t-v-diagrae: Einige ögliche t-x-diagrae: Die Steigung de Zeit-Ort-Graphen gibt die Gechwindigkeit an. I Zeit-Gechwindigkeit-Diagra gilt: Waagrechte Linienteile zeigen, da ich die Gechwindigkeit nicht ändert. Bei geneigten Linientücken ändert ich die Gechwindigkeit - e gibt eine Bechleunigung: Bei teigender Linie it die Bechleunigung poitiv, bei fallender Linie negativ: Die Steigung de Zeit-Gechwindigkeit-Graphen it die Bechleunigung. Die Fläche unter de Zeit-GechwindigkeitGraphen it der zurückgelegte Weg. Bewegungfunktionen Der Körper tartet a Ortnullpunkt it der Anfanggechwindigkeit v0 x ( 0 ) = 0 und v ( 0 ) = v0 a (t ) = a = kontant Bechleunigung: Gechwindigkeit: Ort: Soit it v(t ) = v0 + a t x(t ) = v0 t + a t v - v0 = a Dx Freier Fall Wenn auf einen Gegentand nur die Gravitationkraft wirkt oder wenn an idealiiert davon augeht, da nur die Gravitation wirkt, handelt e ich u einen freien Fall und dait u eine Bewegung it der kontanten Erdbechleunigung g. Bechleunigung: a(t ) = g = 9,8 (nach unten!) Ertellt von der Fachchaft Phyik a CPG auf der Grundlage der Lehrbücher Ikaru 7, Galileo 8 und Galileo 9 de Oldenburg Verlag.

3 Grundwien Phyik für die 0. Klae : Wa beagt die Energieerhaltung? Wa it Arbeit? Die wichtigte Idee bei der Einführung der Energie war die Energieerhaltung. Da bedeutet, da bei einer Energieuwandlung keine Energie verloren geht. Welche Energieforen gibt e? Zur echanichen Energie gehört die Bewegungenergie, die auch al kinetiche Energie bezeichnet wird, owie die Höhen- und die Spannenergie. Die letzten beiden zählt an zu den potenziellen Energieforen. Zur inneren Energie gehören die theriche und die cheiche Energie. Weitere Energieforen ind die Lichtenergie und die elektriche Energie. Wie berechnet an wichtige Energieforen? Die Höhenenergie, die ein Gegentand in der Nähe der Erdoberfläche hat, wird fetgelegt durch: EHöhe = FG h = g h FG it die Gewichtkraft auf einen Gegentand der Mae. g it die Fallbechleunigung und h die Höhe bezüglich eine Nullniveau. Da Nullniveau darf an frei betien, u e dann aber beibehalten. Wenn eine kontante Kraft F läng de Wegabchnitt D wirkt, lät ich der Betrag der Arbeit direkt berechnen: W = F D Wenn die Energie eine Gegentand nachher größer it al vorher, it W poitiv (d.h. a Gegentand wurde Arbeit verrichtet). Wird die Energie de Gegentand verringert, it W negativ (d.h. der Gegentand hat Arbeit an der Ugebung verrichtet). Wa agt die Goldene Regel der Mechanik? Bei Vorgängen, bei denen die Reibung vernachläigt werden kann, it die Arbeit unabhängig davon, auf welche Weg ie verrichtet wird. Wenn die Arbeit entweder it der Kraft F l läng de Wegabchnitt l oder it F läng erzielt werden kann, gilt W = F D = F D Kraftwandler (Hebel, Flachenzug, chiefe Ebene) eröglichen e, die gleiche Arbeit it einer kleineren Kraft zu verrichten, die auf eine entprechend längeren Weg angewendet werden u. Wie it die Leitung fetgelegt? v Die Energie verknüpft alle Bereiche der Phyik und die Einheiten der jeweiligen Größen: [ E ] = Joule = J = N = kg [ F ] = N = kg = VA = W [ P ] = J = Watt = W Der Wirkunggrad h eine Vorgang oder einer Machine it definiert al Quotient au nützlicher" Energieuetzung ENutz und ingeat ugeetzter Energie EGeat. Er kann auch über die Leitungdaten P Nutz und PGeat berechnet werden. h= Mit welcher Gechwindigkeit kot du bei Sprung vo Fünfeterbrett an der Waeroberfläche an? Þ v = g h = 9,8 DE Wa it der Wirkunggrad? geg: h = 5,0; g = 9,8 /² ge: v Löung: Ekin = EHöhe v = g h Die Leitung P wird al Quotient au ugeetzter Energieenge und dafür benötigte Zeitabchnitt t definiert: P= Rechenbeipiel: [W ] = [ E ] = J Wie hängt die Einheit der Energie it anderen Einheiten zuaen? Wenn auf einen Gegentand eine Kraft läng eine Weg wirkt, ändert ich die echaniche Energie. Die Energiedifferenz DE bezeichnet an al Arbeit W. W = DE = Enach - Evor Die Bewegungenergie (kinetiche Energie) eine Gegentand, der die Mae hat und ich it der Gechwindigkeit v bewegt, it Ekin = Energie DENutz P = Nutz DEGeat PGeat Bei jede Vorgang und jeder Machine it der Wirkunggrad kleiner al l (bzw. kleiner al 00%), da Reibung nie volltändig augechloen werden kann. 5,0 = 9,9 Ertellt von der Fachchaft Phyik a CPG auf der Grundlage der Lehrbücher Ikaru 7, Galileo 8 und Galileo 9 de Oldenburg Verlag.

4 Grundwien Phyik für die 0. Klae : Wie it ein einfacher Strokrei aufgebaut? Ein gechloener Strokrei liegt dann vor, wenn die beiden Pole der Elektrizitätquelle it den Anchlüen eine elektrichen Bauteil oder Elektrogerät leitend verbunden ind. Elektrizität Wa ind die elektrichen Größen Strotärke, Spannung und Widertand? Die elektriche Strotärke I it ein Maß dafür, wie viele Ladungen je Zeitabchnitt an einer Stelle de Strokreie vorbeiwandern. E gilt I= DQ [ I ] = Apere = A = C Da Strotärkeegerät (Apereeter) wird direkt in den Strokrei eingebaut. Wie kann an ich den elektrichen Stro i Modell vortellen? Elektricher Stro fließt genau dann, wenn ich elektrich geladene Teilchen bewegen. Die Spannung U it die Urache für den elektrichen Stro. Je höher die Spannung it, deto größer it die Strotärke, die ie a gleichen Bauteil hervorruft. [U ] = Volt = V Da Spannungegerät (Volteter) wird an den Polen einer Elektrizitätquelle angechloen. Poitiv geladene Teilchen bewegen ich i Strokrei außerhalb der Elektrizitätquelle vo Plupol zu Minupol hin; negativ geladene Teilchen bewegen ich zu Plupol hin. Der Widertand R it eine Eigenchaft eine elektrichen Bauteil oder Elektrogerät. Liegt an den Anchlüen eine Elektrogerät die Spannung U an und fließt dann ein Stro it der Strotärke I, o it der Widertand de Elektrogerät: R= Wa it die kleinte Ladung? Der Betrag der Ladung eine Elektron oder Proton heißt Eleentarladung (Forelzeichen e). Der allgeeine Forelbuchtabe für eine elektriche Ladung it q bzw. Q. [Q ] = Coulob = C = A [ R] = kurz: R = U I V = Oh = W A Rechenbeipiel: Welche Wirkungen hat elektricher Stro? anliegende Spannung Strotärke An eine Widertand von,5 k liegt eine Spannung von 0 V an. Dann it die Strotärke: I= Wenn elektricher Stro fließt, können folgende Wirkungen auftreten: U 0V 0V = = = 0,0040 A = 4,0 A R,5 k W 500 W Wärewirkung, z.b. bei Herdplatte, Föhn, Glühlape, Schelzicherung Wa beagt da Geetz von Oh? Leuchtwirkung, z.b. bei Leuchtdiode, Leuchttoffröhre cheiche Wirkung, z.b. bei Batterie, Akku, Elektrolye agnetiche Wirkung, z.b. bei Elektroagneten Ein Bauteil folgt de Geetz von Oh, wenn der Widertand bei veränderter Spannung kontant bleibt. In diee Fall ind die Spannung U und die Strotärke I proportional zueinander, kurz: R = kontant bzw. U:I Ier, wenn ein elektricher Stro fließt, tritt auch eine agnetiche Wirkung auf. Ertellt von der Fachchaft Phyik a CPG auf der Grundlage der Lehrbücher Ikaru 7, Galileo 8 und Galileo 9 de Oldenburg Verlag.

5 Grundwien Phyik für die 0. Klae : Wa gilt bei einer Reihenchaltung? o Bei einer Reihenchaltung der Widertände R und R fließt durch jeden Widertand die gleiche Strotärke I0. Die Sue aller Spannungen an den einzelnen Widertänden it gleich der Geatpannung, die an der Reihe anliegt: Elektrizität Wa it ein elektriche Feld? Wenn ich in eine Rau elektriche Kraftwirkungen zeigen, gibt e dort ein elektriche Feld. Da elektriche Feld bechreibt an durch elektriche Feldlinien, die die Richtung der Kraft auf eine poitive Probeladung angeben. Die Feldlinien beginnen ier bei einer poitiven Ladung und enden an einer negativen Ladung. U 0 = U + U Der Geatwidertand it die Sue aller Einzelwidertände: Rge = R + R Wa gilt bei einer Parallelchaltung? o Ladungen i elektrichen Feld Bei einer Parallelchaltung der Widertände Rl und R liegt an jede Widertand die gleiche Spannung U0. Der Geattro in den Zuleitungen it gleich der Sue der Ströe durch die einzelnen Widertände: I ge = I + I Der Kehrwert de Geatwidertand it gleich der Sue der Kehrwerte der Einzelwidertände: = + Rge R R Wa it ein agnetiche Feld? De Rau, in de ich agnetiche Kraftwirkungen zeigen, ordnet an ein agnetiche Feld zu. Man bechreibt diee durch Hilflinien, die an agnetiche Feldlinien nennt. Die Richtung einer agnetichen Feldlinie it die gleiche Richtung, in die der Nordpol einer Magnetnadel an diee Ort zeigt. (Magnetnadeln richten ich entlang einer Feldlinie au.) Die Richtung eine Magnetfeld u einen geraden Draht, durch den Stro fließt, lät ich durch die Rechte-Hand-Regel betien: Ufat an den Draht o it der rechten Hand, da der Dauen in Strorichtung zeigt, o geben die Finger die Richtung der agnetichen Feldlinien an. Da Magnetfeld einer Drahtpule ieht i Außenbereich genauo au wie da Magnetfeld eine Stabagneten. Wie berechnet ich der elektriche Energieuatz? Liegt an eine Elektrogerät die Spannung U an und fließt ein Stro I, o berechnet an die elektriche Leitung Pelek au de Produkt von Spannung und Strotärke: Pelek = U I [ P ] = VA = W Au de Zuaenhang Pelek = DEelek ergibt ich für die ugeetzte elektriche Energie: DEelek = P = U I Einheiten: [ DEelek ] = VA = W = J kwh = W = 3,6 06 J = 3,6 MJ Poitive Ladungen werden in Feldrichtung, negative Ladungen werden gegen die Feldrichtung bechleunigt. Ertellt von der Fachchaft Phyik a CPG auf der Grundlage der Lehrbücher Ikaru 7, Galileo 8 und Galileo 9 de Oldenburg Verlag.

6 Grundwien Phyik für die 0. Klae : Kraft auf trodurchfloene Leiter Elektrizität 3 Wie funktioniert ein Elektrootor? Auf einen trodurchfloenen Leiter wirkt in eine Magnetfeld eine Kraft, wenn der Leiter nicht genau parallel zu den Magnetfeldlinien verläuft. Bei eine Elektrootor wird augenutzt, da auf einen trodurchfloenen Leiter in eine Magnetfeld eine Kraft wirkt. Die Richtung der Kraftwirkung erhält an ithilfe der Drei-Finger-Regel der rechten Hand: Dabei wird ithilfe elektricher Energie echaniche Arbeit verrichtet. Der Stro it die Urache, da Magnetfeld die Verittlung, die Kraft tellt die Wirkung dar Wie funktioniert ein Generator? In eine Generator wird die Induktionpannung in Leiterchleifen, in denen ich ein Magnetfeld ändert, augenutzt. Dabei wird echaniche Energie in elektriche Energie ugewandelt. Ohne Polwechler liefert ein Generator Wechelpannung. Wie funktioniert ein Tranforator?. Kraft auf Ladungen i Magnetfeld Ein Tranforator nutzt da Phänoen der elektroagnetichen Induktion au. Mit eine Tranforator laen ich Wechelpannungen vergrößern oder verkleinern. Die Kraft, die auf bewegte Ladungen in eine Magnetfeld wirkt, heißt Lorentzkraft. Die Kraft it a größten, wenn ich die Teilchen enkrecht zu den Magnetfeldlinien bewegen, und Null, wenn ie ich parallel zu den Feldlinien bewegen. Da Verhältni der Sekundärpannung US zur Priärpannung UP it gleich de Verhältni der entprechenden Windungzahlen. I Idealfall der optialen Energieübertragung it da Verhältni der Strotärken gerade ugekehrt wie da Verhältni der entprechenden Windungzahlen: Die Lorentzkraft it uo größer, je größer die Gechwindigkeit de Teilchen und je tärker da Magnetfeld it. Die Richtung der Lorentzkraft gewinnt an it der DreiFinger-Regel (iehe oben), wenn Magnetfeld und Bewegungrichtung zueinander enkrecht tehen. US N S IP =» U P N P IS Wa it Induktion? Ändert ich da Magnetfeld durch eine Leiterchleife, egal ob dabei die Schleife oder ein Magnet bewegt wird, dann entteht zwichen den Enden der Schleife eine Induktionpannung Ui. Wenn ein gechloener Strokrei vorliegt, dann fließt ohne weitere Elektrizitätquelle ein Induktiontro Ii. Induktion tritt nicht auf, wenn ich ein beliebige Magnetfeld innerhalb eine Leitertück nicht verändert. Der Betrag der Induktionpannung it uo größer, je chneller die Änderung de Magnetfeld erfolgt und je größer ie it. Wa beagt die Regel von Lenz? Wird in eine gechloenen Strokrei ein Induktiontro induziert, dann it er tet o gerichtet, da eine Wirkung der Urache einer Enttehung entgegenwirkt. Ertellt von der Fachchaft Phyik a CPG auf der Grundlage der Lehrbücher Ikaru 7, Galileo 8 und Galileo 9 de Oldenburg Verlag.

7 Grundwien Phyik für die 0. Klae : Welche Aggregatzutände gibt e? Materie kot in fete, flüige oder gaförige Zutand vor. Bei Fetkörper bewegen ich die Teilchen unregeläßig u fete Plätze heru. Bei einer Flüigkeit laen ich die Teilchen leicht gegeneinander verchieben, bei Ga fliegen ie frei uher Wa bedeutet innere Energie"? Die innere Energie eine Gegentand etzt ich au den potenziellen und kinetichen Energien der Teilchen zuaen, au denen der Gegentand beteht. Die potenzielle Energie kot von den Kräften zwichen den Teilchen, die kinetiche Energie teckt in deren unregeläßigen Bewegungen. Materie Treffen Photonen unterchiedlicher Energie auf ein Ato, o werden nur die Photonen aborbiert, deren Energie genau gleich de Unterchied zweier Energieniveau de Ato it. Welche Spektren gibt e? Da Spektru, da durch die Auendung von Licht von angeregten Elektonenhüllen der Atoe entteht, heißt Eiionpektru. Da Licht eine glühenden Gegentande enthält o viele Farben, da e ein kontinuierliche Spektru bildet. Ein Aborptionpektru entteht, wenn durch Aborption in eine kontinuierlichen Spektru einzelne Linien fehlen. Wa it Teperatur? Wa it Röntgentrahlung? Röntgentrahlung entteht, wenn Elektronen in Materie abgebret werden. Bei eine Röntgenpektru gibt e den Anteil der charakteritichen Strahlung, die au de Ato kot, und den kontinuierlichen Anteil der Bretrahlung. Die ittlere kinetiche Energie, die in den unregeläßigen Bewegungen der Teilchen eine Fetkörper, einer Flüigkeit oder eine Gae teckt, it ein Maß für die Teperatur. Wa weiß an über Atoe? Atoe haben einen Durcheer von ungefähr 0-0. Sie betehen au eine Kern und einer Hülle. Der Kern trägt fat die geate Mae de Ato und it poitiv geladen. Sein Durcheer liegt in der Größenordnung von 0-5. Die Hülle enthält die negativ geladenen Elektronen. Wa it radioaktive Strahlung? Bei Kernuwandlungen endet der Kern eine typiche Strahlung au, die i Allgeeinen au drei Koponenten beteht: Die Atokerne betehen au den poitiv geladenen Protonen und den elektrich ungeladenen Neutronen. -Strahlung beteht au chnellen Heliukernen. Diee ind zweifach poitiv geladen und beitzen etwa 7000-al o viel Mae wie ein Elektron. Atoe it derelben Protonenanzahl Z, aber it unterchiedlicher Neutronenanzahl N, heißen Iotope. -Strahlung beteht au Elektronen, ß+-Strahlung au Poitronen. -Strahlung beteht au Photonen it ehr hoher Energie. Wa ind Photonen? Photonen tranportieren eine betite Lichtenergie, die wir i ichtbaren Bereich al Farben wahrnehen. Photonen bewegen ich it der Lichtgechwindigkeit c und können nur al Ganze erzeugt und vernichtet werden. Wie wandeln ich Atokerne u? Bei pontanen Kernzerfall endet ein Atokern Teilchen au und wandelt ich in einen anderen Atokern u. Für eine küntliche Kernpaltung wird der Atokern it Teilchen bechoen, wodurch er in ehrere Bruchtücke zerfällt. Atokerne können iteinander zu eine neuen Atokern verchelzen. Dieen Vorgang nennt an Kernfuion. Wie trahlt ein Ato? Die Elektronenhülle eine Ato beitzt nur betite Energieniveau. Da Ato kann auf ein höhere Energieniveau wecheln, wenn ih von außen die paende Energie zugeführt wird. Wechelt die Elektronenhülle von eine höheren auf ein niedrigere Energieniveau, o endet da Ato ein Photon it der Energiedifferenz der beiden Energieniveau au. Den Unterchied zweier Energieniveau erkennt an i Lichtpektru al einzelne Linie. So ein Spektru nennt an dikret. Wa it die Halbwertzeit? It eine Halbwertzeit vergangen, dann it die Hälfte der urprünglich vorhandenen Kerne zerfallen. Die Aktivität it auf die Hälfte geunken. Nach zwei Halbwertzeiten it nur noch ein Viertel der urprünglichen Kerne vorhanden. Die Aktivität beträgt dann ein Viertel de Anfangwert. Ertellt von der Fachchaft Phyik a CPG auf der Grundlage der Lehrbücher Ikaru 7, Galileo 8 und Galileo 9 de Oldenburg Verlag.