Luisenburg-Gymnasium Wunsiedel

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1 Luisenburg-Gymnasium Wunsiedel Grundwissen für das Fach Physik Jahrgangsstufe 9 Thema Beispiele 1. Felder Einen Raumbereich, in dem Kräfte auftreten, bezeichnet man als FELD. Elektrisches Feld in der Nähe einer negativen Ladung: Die geometrische Gestalt eines Feldes lässt sich mit Hilfe von Feldlinien darstellen. Feldlinien sind gedachte Linien, die eine Richtung haben. Sie zeigen in jedem Punkt des Feldes an, in welche Richtung die Kraft auf eine positive Ladung wirkt. Die Dichte der Feldlinien veranschaulicht die Stärke des Feldes. Wirkt an jeder Stelle des Feldes die gleiche Kraft, so heißt das Feld homogen. Magnetisches Feld in der Umgebung eines Dauermagneten: Homogenes Gravitationsfeld an der Erdoberfläche: S N 1.1. Magnetische Felder In der Nähe von Dauermagneten und in der Nähe von stromdurchflossenen Leitern treten Magnetfelder auf. Feld eines Hufeisenmagneten: Fließt ein Strom durch einen geraden Leiter, so entsteht ein magnetisches Feld. Die Feldlinien umgeben den Leiter kreisförmig. Feld eines geraden Leiters: Rechte-Faust-Regel: Wird ein stromdurchflossener Leiter mit der rechten Hand so umfasst, dass der abgespreizte Daumen in Richtung der Stromrichtung weist, so zeigen die gekrümmten Finger in Richtung des entstehenden Magnetfeldes. B I 1.. Kraft auf stromdurchflossene Leiter - Feldlinien Stromrichtung U=Ursache Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld, so kann auf ihn eine Kraft wirken. Fließt der Strom senkrecht zu den Feldlinien, so wirkt eine Kraft auf den Leiter, die senkrecht zu den Feldlinien und senkrecht zum Leiter ist. Strom Kraft Feldrichtung V=Vermittlg. Kraftrichtg. W=Wirkung UVW-Regel der rechten Hand: Zeigt der Daumen in die Stromrichtung (=Ursache) und der Zeigefinger in die Feldrichtung (=Vermittlung), so zeigt der Mittelfinger in die Richtung, in die die Kraft wirkt (=Wirkung). Grundwissen Physik 9. Klasse, Luisenburg-Gymnasium Wunsiedel Seite 1 von 8

2 1.3. Elektromotor Im Elektromotor wirkt auf stromdurchflossene Leiter in einem Magnetfeld ein Kraft. Durch geschicktes, periodisches Umpolen mit Hilfe eines Kommutators wird eine Drehbewegung erzeugt. Kommutator 1.4. Kräfte auf freie Ladungen im elektrischen Feld Im elektr. Längsfeld: Im elektr. Querfeld: Auf geladene Teilchen wirken in einem elektrischen Feld Kräfte. Bewegt sich das geladenen Teilchen parallel zu den Feldlinien, so wird es schneller oder langsamer. Bewegt es sich quer zu den Feldlinien, so wird es seitlich abgelenkt Kräfte auf freie Ladungen im magnetischen Feld Auf geladene Teilchen wirken in einem magnetischen Feld nur dann Kräfte, wenn sich die Teilchen bewegen, aber nicht parallel zu den Feldlinien fliegen. Kreisbahn: Die Teilchen fliegen dann auf Kreisbahnen oder Schraubenlinien. Diese Kraft heißt Lorentzkraft. Schraubenlinie:. Induktion Feldlinien.1. Induktion im bewegten Leiter - Bewegung U=Ursache Bewegt man einen Leiter quer durch ein Magnetfeld, so werden infolge der Lorentzkraft die Ladungen in Leiterrichtung verschoben und an den Leiterenden entsteht eine Spannung. Bewegung Strom Feldrichtg. V=Vermittlu ng Stromrichtg. W=Wirkung UVW-Regel der rechten Hand: Zeigt der Daumen in die Bewegungsrichtung (=Ursache) und der Zeigefinger in die Feldrichtung (=Vermittlung), so zeigt der Mittelfinger in die Richtung, in die der Strom fließt (=Wirkung). Anwendung: Generator Grundwissen Physik 9. Klasse, Luisenburg-Gymnasium Wunsiedel Seite von 8

3 .. Induktion im ruhenden Leiter Ändert sich in einer Spule das Magnetfeld, so wird an den Anschlüssen der Spule eine Spannung erzeugt. Anwendung Transformator: Erzeugt man die Feldänderung in der Spule durch einen Elektromagneten, der mit der Spule einen gemeinsamen Eisenkern hat, so entsteht ein Transformator. Die felderzeugende Spule heißt Primärspule. An sie wird eine Wechselspannung angelegt, so dass ständig Feldänderungen erfolgen. Die Sekundärspannung verhält sich zur Primärspannung wie die Windungszahl der Sekundärspule zur Windungszahl der Zahlenbeispiel: Primärspule: U S N = S N P = 50; N S = 1000; U P = 10V U S = 40 V U N P P.3. Die Lenzsche Regel Die induzierte Spannung ist so gerichtet, dass der Induktionsstrom der Ursache der Induktion entgegenwirkt. Beispiel: Wirbelstrombremse 3. Atome 3.1. Aufbau der Atome Atome bestehen aus einer negativ geladenen Atomhülle mit Elektronen sowie einem viel kleineren positiv geladenen Atomkern mit Protonen und Neutronen. Schreibweise: A Z X, dabei ist X: Name des Elements A: Massenzahl des Atoms Z: Kernladungszahl oder Ordnungszahl Der Versuch von Rutherford: α-teilchen durchdringen dünne Goldfolien. Struktur und Größenverhältnisse von Atomen kann man experimentell untersuchen (Ölfleckversuch und Streuversuche von Rutherford). Größenordnungen: Atom: m Kern: m Proton: m Quark: < m Grundwissen Physik 9. Klasse, Luisenburg-Gymnasium Wunsiedel Seite 3 von 8

4 3.. Aufnahme und Abgabe von Energie Die Elektronen in der Atomhülle können nur bestimmte Energiewerte annehmen. Zwischenwerte sind nicht möglich. Man spricht von diskreten Energieniveaus. Die Verhältnisse lassen sich übersichtlich in einem so genannten Energieniveauschema darstellen. Normalerweise befinden sich Atome energetisch gesehen im tiefsten Energiezustand. E. angeregter Zustand 1. angeregter Zustand Grundzustand Man kann ein Atom in einen höheren Energiezustand bringen, indem man genau die passende Energiedifferenz zu einer höheren Energiestufe zuführt. Ein derart angeregtes Atom geht wieder in einen niedrigeren Energiezustand über, indem es Energie in Form eines Photons (Lichtquant) abgibt. Diese Energieportion entspricht genau der Differenz zwischen den beiden Energieniveaus. E Aufnahme von Energie Abgabe von Energie: Photon wird emittiert.. angeregter Zustand 1. angeregter Zustand Grundzustand 3.3. Spektren Mit einem Prisma oder einem Gitter kann man Licht in seine Spektralfarben zerlegen. Linienspektren Sie bestehen nur aus wenigen Farben. Sie entstehen, wenn die Atome eines Elements von einem angeregten Zustand in den Grundzustand gehen. Zu jeder Farbe gehört eine Photonenenergie, die wiederum zu genau einem Übergang im Atom gehört. Weißes Licht Glühlampen emittieren alle Farben, weil eine Vielzahl unterschiedlicher Atome an der Aussendung der Photonen beteiligt sind. 1,59 ev 3,18 ev Zu jeder Farbe des Lichts einer Glühlampe gehört eine Photonenenergie. Grundwissen Physik 9. Klasse, Luisenburg-Gymnasium Wunsiedel Seite 4 von 8

5 3.4. Röntgenstrahlung In größeren Atomen können die Energiedifferenzen zwischen den Energieniveaus sehr groß sein. Dann entstehen sehr energiereiche Photonen, die man als Röntgenstrahlung bezeichnet. Sie ist unsichtbar und durchdringt Materie Gamma-Strahlung Auch Atomkerne können angeregt werden und wieder in den Grundzustand gehen. Dadurch entstehen noch energiereichere Photonen, die man als Gamma-Strahlung bezeichnet. 4. Die Strahlung radioaktiver Nuklide Die so genannte radioaktive Strahlung kommt aus den Atomkernen. Man unterscheidet 3 Arten: α-strahlung: 4 besteht aus Helimatomkernen: He zweifach positiv geladen leicht abschirmbar dringt nur oberflächlich in organisches Gewebe ein, aber hinterlässt dort große Schäden an den Zellen β-strahlung: besteht aus Elektronen: einfach negativ geladen noch gut abschirmbar dringt einige mm in organisches Gewebe ein und hinterlässt Schäden e γ-strahlung (siehe oben): besteht aus Photonen ungeladen schwer abschirmbar dringt tief in organisches Gewebe ein oder durchdringt es sogar und hinterlässt dabei Schäden α β γ Grundwissen Physik 9. Klasse, Luisenburg-Gymnasium Wunsiedel Seite 5 von 8

6 4.1. Ursache radioaktiver Strahlung Die Ursache für die radioaktive Strahlung sind instabile Kerne in Natur oder in technischen Anlagen, die sich spontan in andere Kerne umwandeln oder Energie abgeben. Beispiele: α-zerfall: β - -Zerfall: γ-übergang: Ra 86Rn He Cs 56 Ba e Ba* 56 Ba γ Auf diese Weise nimmt die Anzahl der radioaktiven Kerne des zerfallenden Stoffes und seine Radioaktivität ab. Nach der Halbwertszeit hat die Anzahl der vorhandenen Kerne eines Stoffes auf die Hälfte abgenommen. Zerfallskurve: Die Aktivität nimmt mit der Zeit ab. 4.. Kernumwandlungen Die Kernspaltung Manche große Kerne können durch den Beschuss mit Neutronen gespalten werden. Dabei verschwindet ein kleiner Teil der Masse und es entsteht Energie. In Kernreaktoren wird dieser Vorgang zur Erzeugung von Wärme benutzt. Kernfusion Auf der Sonne stoßen kleine Kerne so heftig zusammen, dass daraus ein größerer Kern entsteht. Auch dabei wird Energie frei und ein Teil der Masse verschwindet. Grundwissen Physik 9. Klasse, Luisenburg-Gymnasium Wunsiedel Seite 6 von 8

7 5. Kinematik 5.1. Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit Sie werden durch die 3 Gleichungen beschrieben: Weg: s ( t) = v0 t s0 Geschwindigkeit: v ( t) = v0 = konst. Beschleunigung: a ( t) = Bewegungen mit konstanter Beschleunigung Sie werden durch die 3 Gleichungen beschrieben: 1 Weg: s ( t) = a t v0 t s0 Geschwindigkeit: v ( t) = a t v0 Beschleunigung: a ( t) = a = konst. Diagramme: Diagramme: Beschleunigung in m/s² Geschwindigkeit in m/s Weg in m Beschleunigung in m/s² Geschwindigkeit in m/s Weg in m Grundwissen Physik 9. Klasse, Luisenburg-Gymnasium Wunsiedel Seite 7 von 8

8 5.3. Das Kraftgesetz Die Bewegung eines Körpers der Masse m unter der Einwirkung einer konstanten Kraft F erfolgt mit konstanter Beschleunigung und es gilt: F = m a Beispiel: m geg: m = 50 kg; a = 1,5 s m kg m F = 50 kg 1,5 = 375 = 375N s s 5.4. Der freie Fall Ein Körper fällt frei, wenn er aus der Ruhe unter dem Einfluss der Schwerkraft ohne Reibung nach unten fällt. In der Nähe der Erdoberfläche gilt für die durchfallene Strecke: 1 s( t) = g t N kg m mit g = 9,81 = 9,81 kg s 5.5. Kräfte an der schiefen Ebene Die beschleunigende Kraft auf einer schiefen Ebene ist die Hangabtriebskraft. Sie kann durch die Zerlegung der Gewichtskraft ermittelt werden: Die Gewichtskraft wird als Vektorsumme von Normalkraft und Hangabtriebskraft dargestellt. Normalkraft Hangabtriebskraft Gewichtskraft Bildquellennachweise: Elektromotor Autor: Walter Fendt, Quelle: Generator Autor: Walter Fendt, Quelle: Röntgenaufnahme: Drgnu3, subsequently altered by Grendelkhan, Raul654, and Solipsist. Wikimedia Commons, lizenziert unter CreativeCommons-Lizenz CC BY-SA 3.0, URL: Kernspaltung: Stefan-Xp, Wikimedia Commons, lizenziert unter CreativeCommons-Lizenz CC BY-SA 3.0, URL: Kernfusion: Wykis, Wikimedia Commons, gemeinfrei. Grundwissen Physik 9. Klasse, Luisenburg-Gymnasium Wunsiedel Seite 8 von 8