Wirtschaftswissenschaftliche Bücherei für Schule und Praxis Begründet von Handelsschul-Direktor Dipl.-Hdl. Friedrich Hutkap

Transkript

1 Wirtschaftswissenschaftliche Bücherei für Schule und Praxis Begründet von Handelsschul-Direktor Dipl.-Hdl. Friedrich Hutkap Der Verfasser: Dr. Jens Kircher Fast alle in diesem Buch erwähnten Hard- und Softwarebezeichnungen sind eingetragene Warenzeichen. Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis zu 52a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. * * * * * Die in diesem Buch zitierten Internetseiten wurden vor der Veröffentlichung auf rechtswidrige e untersucht. Rechtswidrige e wurden nicht gefunden. Stand: Juli 2013 Für Schäden durch im Buch genannte Softwareinstallationen wird nicht gehaftet. 1. Auflage by MERKUR VERLAG RINTELN Gesamtherstellung: MERKUR VERLAG RINTELN Hutkap GmbH & Co. KG, Rinteln info@merkur-verlag.de lehrer-service@merkur-verlag.de Internet: ISBN

2 Vorbemerkungen 11 Zielsetzung Aufbau Lernen lernen Lesen Einführung Gegenstand der Physik Vorgehensweise der Physik Theorie und Experiment Reproduzierbarkeit Wie arbeitet ein Physiker? Giving Credit wie zitiert man richtig? Physikalische Größen und ihre Darstellung Größen und Einheiten Maßzahlen Grafische Darstellung Messfehler Statistische Fehler Systematische Fehler Kräfte Kräfte und Wechselwirkungen Gravitationswechselwirkung Coulomb-Wechselwirkung oder elektrische Wechselwirkung Starke und schwache Wechselwirkung Woher kommen die elementaren Wechselwirkungen? Masse und Gewicht Kontaktwechselwirkung und Einteilung der Kräfte Kräfte als Vektoren

3 2.3 Kräftediagramme Die Resultierende zweier Kräfte Zerlegung einer Kraft in Komponenten Actio Reactio Kräftegleichgewicht Statisches Gleichgewicht bei einer Punktmasse Reibungskräfte Haftkraft und Gleitreibungskraft Antriebs- und Fahrtwiderstandskräfte Hooke sches Gesetz Bewegungslehre Einfache Bewegung einer Punktmasse Bewegung in einer Dimension Die kräftefreie Bewegung Die Bewegung mit gleichbleibender Kraft Ortsänderung im v (t)-diagramm Zusammenfassung: Elementare Bewegungen Ungleichförmige Bewegung Geschwindigkeit und Durchschnittsgeschwindigkeit Zusammenhang zwischen Beschleunigung und angreifender Kraft Bewegung mit Reibung Der freie Fall Anfangsbedingungen Überlagerung von Bewegungen (eindimensional) Vorbemerkung Abbremsen aus gleichförmig geradliniger Bewegung Senkrechter Wurf nach oben Modellierung von eindimensionalen Bewegungen Überlagerung von Bewegungen (zweidimensional) Horizontaler Wurf Schiefer Wurf vom Boden aus Schiefer Wurf von einer Abschusshöhe h 0 aus

4 4 Erhaltungsgrößen Erhaltung von physikalischen Größen Arbeit und Energie Arbeit Energie und Energieerhaltung Leistung Wirkungsgrad Impuls und Impulserhaltung Impuls einer Punktmasse Impulserhaltung für ein Teilchen Impuls von zwei Teilchen Abgeschlossene Systeme Warum Impuls? Stoßvorgänge Vorbemerkungen Vollkommen elastischer gerader Stoß Sonderfälle für den elastischen Stoß Vollkommen unelastischer Stoß Kreisbewegung Einführung Winkelgeschwindigkeit Bahngeschwindigkeit und Geschwindigkeitsvektor bei Kreisbewegungen Zentripetalkraft und Zentripetalbeschleunigung Welche Kraft zwingt einen Körper in eine Kreisbahn? Gibt es die Zentrifugalkraft? Weitergehende Anwendungen für die Kreisbewegung Anwendungsbeispiel: Wann reißt das Seil? Anwendungsbeispiel: Ebene Kurvenfahrt Anwendungsbeispiel: Kreisfahrt mit dem Motorrad Anwendungsbeispiel: Überhöhte Kurve Anwendungsbeispiel: Kettenkarussell Anwendungsbeispiel: Steilwandfahrt Anwendungsbeispiel: Loopingfahrt Anwendungsbeispiel: Geostationäre Umlaufbahnen Nichtstationäre Satellitenbahnen Bewegung im Zentralfeld Geschichte der Himmelsmechanik

5 6 Elektrizitätslehre Elektrische Ladung Eigenschaften der Ladung Geladene und ungeladene Teilchen ein Ausflug in die Mikrowelt Elektrische Kraft und Coulomb-Wechselwirkung Das elektrische Feld Definition Vergleich Coulomb-Wechselwirkung Gravitations-Wechselwirkung Elektrische Feldlinien Berechnung von E-Feldern Der (statisch geladene) Kondensator Das elektrische Potential Arbeit im elektrischen Feld eines Kondensators Spannung ev als Einheit der Arbeit Spannung: Vergleich Coulomb-Wechselwirkung Gravitationswechselwirkung Das elektrische Potential Potential: Vergleich Coulomb-Wechselwirkung Gravitationswechselwirkung Kapazität Im Kondensator gespeicherte Arbeit Bewegung im elektrischen Feld Braun sche Röhre Anfänglich ruhendes Teilchen Longitudinales elektrisches Feld: der Beschleunigungskondensator Beschleunigungskondensator: Behandlung mit Energiesatz Transversales elektrisches Feld: Ablenkkondensator Ablenkkondensator mit einem Schirm Ausflug in die Festkörperphysik I Einfache Modelle für einen Isolator und ein Metall Leiter im elektrischen Feld Nichtleiter im elektrischen Feld: Polarisation Kapazität eines Plattenkondensators mit Dielektrikum zwischen den Platten Leiter im elektrischen Feld: Drude-Theorie der elektrischen Leitfähigkeit

6 6.7 Stromkreise I: Gleichstromkreise Stromkreise Strom und Spannung Leistung im Stromkreis Ohm scher Widerstand Harmonische Bewegung Oszillator, harmonische Bewegungen, harmonischer Oszillator Bedeutung der harmonischen Bewegung Federpendel und Fadenpendel Das Federpendel Das Fadenpendel Mathematische Behandlung von Federpendel und Fadenpendel Geschwindigkeit (Zeit)-Gesetz, Beschleunigung (Zeit)-Gesetz, Kraft (Zeit)-Gesetz Welche Kraft für welche Bewegung? Anfangsbedingungen Energie des harmonischen Oszillators Kreisbewegung als Überlagerung zweier harmonischer Bewegungen Der gedämpfte harmonische Oszillator ohne Antrieb Dämpfung Gedämpfte Schwingung Energie des gedämpften harmonischen Oszillators Der gedämpfte harmonische Oszillator mit Antrieb Wellen Gekoppelte harmonische Oszillatoren Zwei gekoppelte harmonische Oszillatoren Viele gekoppelte harmonische Oszillatoren Von der Wellenmaschine zum Gummiband Wellen Wellen: Kenngrößen Einordnung von Wellen Wellen im täglichen Leben Wellenausbreitung

7 9 Magnetfeld Magnetische Teilchen im Magnetfeld Phänomenologie Speiche folgt dem Magnetfeld Magnetische Feldlinien Regeln für magnetische Feldlinien Es gibt keine magnetischen Monopole: Drehmoment statt Kraft Das Magnetfeld der Erde Eine bewegte Ladung erzeugt ein Magnetfeld Das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters Das magnetische Feld einer Spule Mikroskopischer Ursprung des Magnetismus Eine bewegte Ladung erfährt eine Kraft in einem Magnetfeld Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter Wirkung der Lorentz-Kraft Kreisbahn im Fadenstrahlrohr Klassischer Hall-Effekt Wirkung auf stromlosen Leiter: Induktion Stromkreise mit nicht stationärem Strom Was ist nicht stationärer Strom? Nicht stationärer Strom an einem Ohm schen Widerstand Laden und Entladen eines Kondensators Laden Entladen Spannungsänderung in einer Spule Experiment Selbstinduktion in einer Spule Zeitlicher Verlauf des Stroms beim Anschalten Zeitlicher Verlauf des Stroms beim Ausschalten Kondensator und Spule: Schwingkreis Kondensator in einem Wechselstromkreis Mit widerstandslosen Zuleitungen Mit widerstandsbehafteten Zuleitungen

8 10.7 Spule in einem Wechselstromkreis Spule, Kondensator und Widerstand in einem Wechselstromkreis Zusammenfassung Physik auf zwei Seiten Einfache Bewegungen Alle realen Kräfte kommen aus Wechselwirkungen Kräfte und Bewegungen Physikalische Größen als Ableitungen Richtig oder falsch? 622 Anhänge 626 A Videodaten und VIANA B Ein Beispiel für eine Veröffentlichung ( Paper ) C Auszug aus einem Laborbuch Formelsammlung Formelzeichen Stichwortverzeichnis Bildquellen

9 (Mathematische) Exkurse Exkurs: Anfertigung eines Versuchsprotokolls Exkurs: Kurven durch vorgegebene Punkte Exkurs: Einführung in die Vektorrechnung Exkurs: Trigonometrie Exkurs: Arbeiten mit VIANA Exkurs: Arbeiten mit einer Tabellenkalkulation Exkurs: Umrechnung m/s in km/h und zurück Exkurs: Steigung einer Tangente Exkurs: Verschieben von Kurven Exkurs: Quadratische Ergänzung Exkurs: Berechnen von Flächen unter Kurven Integralrechnung Exkurs: Gleichzeitiges Lösen von Impuls- und Energiegleichung Exkurs: Winkelmessung im Bogenmaß Exkurs: Kleinwinkelnäherung Exkurs: Summenzeichen Exkurs: Trigonometrische Funktionen Exkurs: Quantitative Behandlung von zwei gekoppelten Pendeln Exkurs: Mathematische Beschreibung von Wellen Exkurs: Die Heaviside-Funktion Exkurs: Sinusoid