Grundwissen Physik 8. Klasse II

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1 Grundwissen Physik 8. Klasse II Größen in der Physik Physikalische Größen sind alle messbare Eigenschaften eines Körpers. Dabei gibt es Grundgrößen, deren Einheit der Mensch willkürlich, also beliebig festlegt. Diese Größen sind von anderen unabhängig z.b. Länge l, Masse m. Für die Messung dieser Größen benötigt man die Definition der Gleichheit, der Vielfachheit und der Einheit, sowie ein Messgerät. Außerdem gibt es abgeleitete Größen, die von anderen Größen abhängig sind, wie z.b. Fläche A, Volumen V, Geschwindigkeit v, Dichte, Beschleunigung, Arbeit, Leistung, Druck,... Gültige Ziffern Man kann generell nur so viele gültige Ziffern angeben, wie man sie auch wirklich messen kann. Z.B. kann man mit dem Zollstock auf Millimeter genau messen (z.b. 3,5 cm oder 74 mm), mit der Schieblehre auf ein Zehntel Millimeter (z.b. 3,45 cm oder 5,34 mm). Messergebnisse bei Längen werden folgendermaßen angegeben: l l Mittelwert ± Δl, wobei l Mittelwert der Mittelwert ist und Δl der absolute Fehler, d.h. die größte Abweichung vom Mittelwert. Beim Rechnen mit Größen bei Multiplikationen und Divisionen hat das Ergebnis so viele gültige Ziffern, wie die am ungenauesten gemessene bzw. angegebene Größe. Beispiele: 3,47 m : drei geltende Ziffern ; 0,00034 m : zwei geltende Ziffern 2,00 m : vier gültige Ziffern Die letzte Ziffer ist die unsichere, die anderen von den gültigen davor die sicheren Ziffern. Angabe von Messergebnissen: Physikalische Größe Maßzahl Maßeinheit Festlegung der einzelnen Größen.. Die Länge l Die Einheit der Länge l ist ein Meter, kurz: [l] m (Urmeter in Paris)

2 2. Die Masse eines Körpers m als Grundgröße Jeder Körper ist "schwer", d.h. er wird von der Erde angezogen und zieht seinerseits die Erde an. Jeder Körper ist "träge", d.h. er möchte gerne den Ruhezustand oder den derzeitigen Bewegungszustand (Geschwindigkeit oder Bewegungsrichtung) beibehalten, bis ihn einwirkende Kräfte zwingen, diesen zu ändern. Beide Eigenschaften fasst man unter dem Begriff der Masse zusammen. Die Einheit der Masse m ist ein Kilogramm, kurz [m] kg (Urkilogramm in Paris) Messgeräte: Waagen Merke: Die Masse eines Körpers ist überall dieselbe, sie ist ortsunabhängig. 3. Die Kraft F als Grundgröße Kräfte können einen Körper verformen oder seinen Bewegungszustand ändern (Geschwindigkeit oder Richtung ändern). Die Kraft ist eine gerichtete Größe, sie ist eine vektorielle Größe. Kräfte sind gekennzeichnet durch Angriffspunkt, Richtung und Betrag, diese nennt man Bestimmungsstücke. Zwei Kräfte, die an einem Körper angreifen, sind im Gleichgewicht, wenn ihre Angriffspunkte auf derselben Wirkungslinie liegen, sie dieselben Beträge und entgegen gesetzte Richtungen haben. Die Gewichtskraft eines Körpers wirkt senkrecht zur Erdoberfläche, also zum Erdmittelpunkt hin, sie ist ortsabhängig. Gravitation (alle Körper ziehen sich gegenseitig an), Raketenantrieb Die Einheit der Kraft F ist ein Newton. [F] N (Gewichtskraft einer normalen 00g Tafel Schokolade an einem Normort, z.b. Zürich) Messgeräte: Kraftmesser 3. Besondere Kraft: Die Gewichtskraft F G Die Gewichtskraft F G auf einen Körper entsteht durch die gegenseitige Anziehung (Gravitation) von Erde und Körper, die mit wachsender Entfernung vom Erdmittelpunkt abnimmt. (Bei uns gilt: kg Masse entspricht ungefähr 0 N Gewichtskraft) Die Gewichtskraft ist ortsabhängig!

3 Das Teilchenmodell Alle Körper bestehen aus kleinsten Teilchen. Diese schwingen im Festkörper um ihre Ruhelage, wobei die Teilchenabstände gering sind und die Kohäsionskräfte sehr groß sind. Die Form und das Volumen sind gleich bleibend. In Flüssigkeiten sind die Teilchen verschiebbar, sie bewegen sich innerhalb der Flüssigkeit. Die Kohäsionskräfte sind geringer, die Form richtet sich nach dem Gefäß, das Volumen ist nahezu gleich bleibend, da die Teilchenabstände zwar etwas größer als oben, aber immer noch recht gering sind. In Gasen verteilen sich die Teilchen frei im ganzen Raum, der ihnen zur Verfügung gestellt wird. Die Teilchenabstände sind sehr groß, deshalb sind Gase kompressibel. Die Kohäsionskräfte sind nicht mehr vorhanden. Proportionalitäten direkte indirekte Kennzeichen Je größer x, desto größer y Doppeltes, dreifaches x bewirkt doppeltes, dreifaches y Graphische Auswertung Ursprungsstrecke Hyperbelast Je größer x, desto kleiner y Doppeltes, dreifaches x bewirkt halbes, ein Drittel y Rechnerische Auswertung Der Quotient ist konstant: x y konstant Das Produkt ist konstant: x y konstant Die Dichte ρ als abgeleitete Größe Die Volumenmessung erfolgt häufig mit einem geeichten Messzylinder, bei unregelmäßig geformten Körpern mit einem Überlaufgefäß und einem geeichten Messzylinder oder auch durch Berechnung beim Quader: V a b c. Die Umrechnungszahl zwischen benachbarten Volumeneinheiten ist 000 0³. m³ 0³dm³ dm³ 0³cm³ cm ³ 0³mm³ Die Dichte eines Stoffes gibt an, wie viel Masse er pro Volumeneinheit besitzt: ρ m V mit [ ρ ] kg m³ Gebräuchlich sind die Einheiten: [ ρ ] g cm³ kg dm³ t m³ mg mm³ Bei Berechnungen ist auf die Anzahl der gültigen Ziffern zu achten: Das Ergebnis darf nie mehr geltende Ziffern haben, als die am ungenauesten gemessene (bzw. angegebene) Größe. Die Masse m eines homogenen Stoffes ist zu seinem Volumen direkt proportional.

4 Die Reibungskraft F R Die Reibungskraft F R entsteht, wenn ein Körper bezüglich einer Fläche bewegt wird. Sie ist abhängig von der Anpresskraft F N (senkrecht zur Fläche) und zur Art und Oberflächenbeschaffenheit der beteiligten Körper. µ ist die Reibungszahl und F N die Anpresskraft Die Arbeit W (engl. Work) als abgeleitete Größe - Übertragungsgröße An einem Körper wird Arbeit verrichtet, wenn eine Kraft längs eines Weges wirkt. W F s mit [W] Nm J ( Joule) Arten der Arbeit sind Hubarbeit (W F G h), Beschleunigungsarbeit, Verformungsarbeit und Reibungsarbeit W R F R s und somit W R µ F N s Die Arbeit J wird verrichtet, wenn man auf der Erde eine 00 g Tafel Schokolade (Gewichtskraft N) um einen Meter hochhebt. kj 0³ J MJ 0 6 J GJ 0 9 J Energie E - Speichergröße Energie bezeichnet die Arbeitsfähigkeit eines Körpers infolge gespeicherter Arbeit. [E] J Wir kennen die Lageenergie ( potenzielle Energie), die Bewegungsenergie (kinetische Energie), die Spannenergie und die innere Energie eines Körpers. Der Energieerhaltungssatz besagt, dass die Gesamtenergie bei jedem physikalischen Vorgang konstant ist, Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, es wird nur eine Energieform in eine andere ungewandelt. Der Wirkungsgrad η Er ist ein Gütekriterium bei Energieumwandlungen und gibt den Quotienten aus der Nutzarbeit und der zugeführten Arbeit an. WNutz PNutz η woraus folgt η W P ZU F R µ F N Zu Die Leistung P (engl. Power) als abgeleite Größe Die Leistung gibt an, wie viel Arbeit pro Zeiteinheit verrichtet wird, sie kann deshalb auch als Energiestrom bezeichnet werden. W J Nm P mit [P] W ( Watt) t s s Ein Watt ist die Leistung, wenn ein Körper mit der Gewichtskraft Newton (z.b. eine 00 g Tafel Schokolade) in einer Sekunde um einen Meter gehoben wird.

5 Der Druck Der Druck in Flüssigkeiten und Gasen gibt an, wie groß der Betrag der Kraft ist, der pro Fläche wirkt. F N p mit [p] Pa ( Pascal) und bar 0 5 Pa A m² Der Druck herrscht in Flüssigkeiten und Gasen, er ist eine ungerichtete Größe, also ein Skalar. a) Der normale Luftdruck beträgt 03 hpa (Hektopascal) b) Schweredruck in Wasser ist direkt proportional zur Eintauchtiefe h. c) Die Auftriebskraft auf einen Körper in Wasser ist so groß, wie die Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit.

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