Tutorien Physik Arbeitsblätter

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2 Tutorien Physik Arbeitsblätter Gymnasiale Oberstufe Lillian C. McDermott Peter S. Shaffer In Zusammenarbeit mit der Physics Education Group University of Washington ein Imprint von Pearson Education München Boston San Francisco Harlow, England Don Mills, Ontario Sydney Mexico City Madrid Amsterdam

3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Die Informationen in diesem Produkt werden ohne Rücksicht auf einen eventuellen Patentschutz veröffentlicht. Warennamen werden ohne Gewährleistung der freien Verwendbarkeit benutzt. Bei der Zusammenstellung von Texten und Abbildungen wurde mit größter Sorgfalt vorgegangen. Trotzdem können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag, Herausgeber und Autoren können für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Für Verbesserungsvorschläge und Hinweise auf Fehler sind Verlag und Herausgeber dankbar. Authorized translation from the English language edition, entitled TUTORIALS IN INTRODUCTORY PHYSICS, 1st Edition by MCDERMOTT, LILLIAN C.; SHAFFER, PETER S.;, published by Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley, Copyright All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc. GERMAN language edition published by PEARSON EDUCATION DEUTSCHLAND GMBH, Copyright [2009]. Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Medien. Die gewerbliche Nutzung der in diesem Produkt gezeigten Modelle und Arbeiten ist nicht zulässig. Fast alle Hardware- und Softwarebezeichnungen und weitere Stichworte und sonstige Angaben, die in diesem Buch verwendet werden, sind als eingetragene Marken geschützt. Da es nicht möglich ist, in allen Fällen zeitnah zu ermitteln, ob ein Markenschutz besteht, wird das -Symbol in diesem Buch nicht verwendet ISBN by Pearson Studium, ein Imprint der Pearson Education Deutschland GmbH, Martin-Kollar-Straße 10 12, D München Alle Rechte vorbehalten Programmleitung: Birger Peil, bpeil@pearson.de Fachlektorat Schultutorien: Christian Koch, Jan Mandler, Michael Sach Übersetzung: Christian H. Kautz, Ph. D., Daniel Gloss, Oliver Liebenberg Einbandgestaltung: Thomas Arlt, tarlt@adesso21.net Herstellung: Philipp Burkart, pburkart@pearson.de Satz: Kösel, Krugzell Printed in Germany

4 Inhaltsverzeichnis Vorwort 8 I Mechanik 9 Kinematik 10 Geschwindigkeit Grafische Darstellung von Bewegung Beschleunigung bei eindimensionaler Bewegung Newton sche Gesetze 23 Kräfte Zweites und drittes Newton sches Gesetz Energie 34 Arbeit Energieerhaltung Änderungen von Energie und Impuls Impulserhaltung bei eindimensionaler Bewegung Rotation 52 Rotationsbewegung Dynamik des starren Körpers Gleichgewicht des starren Körpers Drehimpulserhaltung II Hydrostatik und Thermodynamik 66 Thermodynamik 67 Ideales Gasgesetz Das Teilchenmodell des idealen Gases Erster Hauptsatz der Thermodynamik Wärmekraftmaschinen und zweiter Hauptsatz

5 III Elektrizität und Magnetismus 85 Elektrostatik 86 Ladung Elektrisches Feld und Fluss Gauß scher Satz Potentialdifferenz Kapazität Elektrische Stromkreise 106 Ein Modell für Stromkreise Teil 1: Strom und Widerstand Ein Modell für Stromkreise Teil 2: Spannung Ein Modell für Stromkreise Teil 3: Mehrere Batterien Magnetismus 124 Magnete und magnetische Felder Magnetische Wechselwirkungen Elektromagnetismus 134 Induktion und Lenz sche Regel Faraday sches Gesetz und Anwendungen IV Schwingungen und Wellen 144 Schwingungen und Wellen 145 Harmonische Schwingungen Überlagerung und Reflexion von Wellen Reflexion und Transmission Ausbreitung und Brechung periodischer Wellen Elektromagnetische Wellen V Optik 171 Wellenoptik 172 Interferenz zweier Wellen Welleneigenschaften von Licht Interferenz mehrerer Wellen Ein Modell für die Beugung am Spalt Zusammenwirken von Beugung und Interferenz Grenzen der Gültigkeit von geometrischer und Wellenoptik Interferenz an dünnen Schichten Polarisation

6 VI Ausgewählte Themen der modernen Physik 210 Spezielle Relativitätstheorie 211 Ereignisse und Bezugssysteme Messungen Gleichzeitigkeit Quantenphysik 223 Welleneigenschaften von Materie Photoelektrischer Effekt Welle-Teilchen-Dualismus VII Übungen zu Mechanik 237 Kinematik 238 Geschwindigkeit Grafische Darstellung von Bewegung Beschleunigung bei eindimensionaler Bewegung Zweidimensionale Kinematik Relativbewegung Newton sche Gesetze 265 Kräfte Zweites und drittes Newton sches Gesetz Seilkräfte Energie 274 Arbeit Energieerhaltung Änderungen von Energie und Impuls Impulserhaltung Rotation 289 Rotationsbewegung Dynamik des starren Körpers Gleichgewicht des starren Körpers Drehimpulserhaltung

7 VIII Übungen zu Hydrostatik und Thermodynamik 300 Thermodynamik 301 Ideales Gasgesetz Das Teilchenmodell des idealen Gases Erster Hauptsatz der Thermodynamik Wärmekraftmaschinen und zweiter Hauptsatz IX Übungen zu Elektrizität und Magnetismus 308 Elektrostatik 309 Ladung Elektrisches Feld und Fluss Der Gauß sche Satz Potentialdifferenz Kapazität Laden und Entladen von Kondensatoren Magnetismus 324 Magnete und magnetische Felder Magnetische Wechselwirkungen Elektromagnetismus 328 Induktion und Lenz sche Regel Faraday sches Gesetz und Anwendungen X Übungen zu Schwingungen und Wellen 332 Schwingungen und Wellen 333 Harmonische Schwingungen Überlagerung und Reflexion von Wellen Ausbreitung und Brechung periodischer Wellen Elektromagnetische Wellen XI Übungen zu Optik 345 Wellenoptik 346 Interferenz zweier Wellen Welleneigenschaften von Licht Interferenz mehrerer Wellen Ein Modell für die Beugung am Spalt Zusammenwirken von Beugung und Interferenz Unterschied zwischen geometrischer und Wellenoptik Interferenz an dünnen Schichten Polarisation

8 XII Übungen zu ausgewählten Themen der modernen Physik 366 Spezielle Relativitätstheorie 367 Ereignisse und Bezugssysteme Messungen Gleichzeitigkeit Quantenphysik 375 Welleneigenschaften von Materie Photoelektrischer Effekt Welle-Teilchen-Dualismus