Joachim Grehn Joachim Krause. Qualifikationsphase Grundkurs. Ausgabe Nordrhein-Westfalen

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1 Joachim Grehn Joachim Krause Qualifikationsphase Grundkurs Ausgabe Nordrhein-Westfalen Joachim Grehn, Joachim Krause, Georg Peters, Dr. Herbert Kurt Schmidt, Dr. Heiner Schwarze Schroedel

2 Qualifikationsphase Grundkurs Ausgabe Nordrhein-Westfalen herausgegeben von Joachim Grehn und Joachim Krause bearbeitet von Joachim Grehn Joachim Krause Georg Peters Dr. Herbert Kurt Schmidt Dr. Heiner Schwarze unter Mitarbeit von Gerhard Glas Joachim Gomoletz Prof. Dr. Rainer Müller Dr. Jenny Schlüpmann Michael Voß Karl-Heinz Zwittlinger mit Beratung durch Peter Goldkuhle Marc van der Schmidt 2015 Bildungshaus Schulbuchverlage Westermann Schroedel Diesterweg Schöningh Winklers GmbH, Braunschweig 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 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung gescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Druck A 1 / Jahr 2015 Alle Drucke der Serie A sind inhaltlich unverändert. Redaktion: Bernd Trambauer Grafik: newvision, Bernhard Peter; Birgit Schlierf; 2&3d. design, R. Diener, W. Gluszak; take five, J. Seifried Computergrafik: Dr. Joachim Bolz; Joachim Krause; Dr. Monika Scholz-Zemann; Dr. Heiner Schwarze Umschlaggestaltung: Janssen Kahlert Design & Kommunikation GmbH, Hannover Satz: Cross Media Solutions GmbH, Würzburg Druck und Bindung: westermann druck GmbH, Braunschweig ISBN

3 Vorwort Liebe Schülerin, lieber Schüler! Dieser Grundkursband der nordrhein-westfälischen Ausgabe der Metzler-Physik für die Qualifikationsphase soll Sie durch seine anschauliche Sprache und seine verständlichen Begriffsbildungen weiterhin in Ihrem Physikunterricht unterstützen und Ihnen auch das selbstständige Erarbeiten von Unterrichtsinhalten leicht machen. In der Einführungsphase wurden für die gesamte Physik grundlegende Begriffe und Arbeitsmethoden mit Betrachtungen über Kräfte und Bewegungen, über Energie und Impuls behandelt. In dem nicht nur historisch interessanten Thema Gravitation und Himmelsmechanik begegnete Ihnen der wichtige Begriff des Feldes und am Beispiel der mechanischen Schwingungen und Wellen haben Sie Phänomene kennengelernt, die sich ebenfalls in den nun zu behandelnden Themen wiederfinden. Im Zentrum der Qualifikationsphase steht die moderne Physik mit ihren konstituierenden Grundpfeilern, der Quantenphysik und der Relativitätstheorie, und deren Anwendungen in der Atom- und Kernphysik sowie in der Elementarteilchenphysik, die allesamt die Forschungen des 20. Jahrhunderts beherrschten und auch im 21. Jahrhundert die Physiker weiter beschäftigen werden. Die Quantenphysik macht heute in ihren technischen Anwendungen einen Großteilt der modernen Industrie und Arbeitswelt aus Stichworte Computer und Informationstechnologie; sie wirft darüber hinaus aber auch fundamentale philosophische Fragestellungen auf. In Verbindung mit ihr geben die Relativitätstheorie wie auch die Elementarteichenphysik Antworten auf die Frage, wie nach Meinung der Wissenschaft die Welt entstanden ist. Für dies alles ein Grundverständnis zu entwickeln ist Aufgabe dieses zweiten Oberstufenbandes. Daneben werden in diesem Buch teils wegen ihrer zum Verständnis der modernen Physik notwendigen Grundlagen, teils wegen ihrer Bedeutung für die moderne Technik auch die Bereiche Elektrodynamik und Atom- und Kernphysik behandelt. In grundlegenden Versuchen und Experimenten wird immer wieder deutlich gemacht, dass Beobachtungen und quantitative Auswertungen Grundlage des Erkenntnisprozesses sind. Ziel dieses Buches ist es, unsere komplizierte, von Naturwissenschaft und Technik geprägte Welt verstehen und neue Entwicklungen kompetent beurteilen zu können. Lassen Sie sich also ein auf das geistige Abenteuer mit der Physik, dieser höchst interessanten und faszinierenden Wissenschaft. Wir wünschen Ihnen dabei Freude und Gewinn. Zu diesem Buch Der Grundkursband der Metzler Physik für die Qualifikationsphase folgt in seiner didaktischen Konzeption weitgehend den Intentionen des Kernlehrplans des Landes Nordrhein-Westfalen. Dementsprechend werden nahezu alle Themen an Kontexten eingeführt, auf die rückblickend immer wieder Bezug genommen wird. Die zur Bearbeitung der grundlegenden Experimente notwendigen Kenntnisse werden soweit sie nicht vorhanden sind entweder mit Erläuterungen gegeben bzw. durch in Vertiefungen ausgegliederte Überlegungen verständlich gemacht, sodass der Blick auf die wesentlichen Aussagen nicht durch langwierige Herleitungen verstellt wird. Die Inhalte sind wie in der Metzler Physik üblich klar strukturiert: Die Grundgedanken der zu vermittelnden physi kalischen Kenntnisse und Sachverhalte sind in den Sachtexten dargestellt; die zu ihrer Erarbeitung notwendigen Verfahren finden sich in den Methoden. Besondere Betrachtungen über z. B. historische Sachverhalte, über Umweltphänomene oder über einen Vergleich unterschiedlicher Messmethoden sind in Exkursen enthalten. Diese Vorgehensweise wird beispielhaft am Inhaltsfeld Quantenobjekte deutlich: Die Welleneigenschaften des Lichts werden am Phänomen der Interferenz aufgezeigt, die Bestimmung von Wellenlängen wird als Methode erarbeitet. Die diskrete Ladung und die Masse zeigen die Teilcheneigenschaften von Elektronen, die zu ihrem Nachweis notwendigen Kenntnisse zur Lorentz-Kraft werden in einer Methode erläutert. Als Methode werden auch die Bestimmung der kinetischen Energie von Photoelektronen und die Simulation der Photonenverteilung hinter einem Doppelspalt dargestellt. In entsprechender Weise sind die Inhaltsfelder Elektrodynamik, Strahlung und Materie und Relativität von Raum und Zeit behandelt. Zur Einübung und Festigung der zu vermittelnden Kompetenzen dienen die in jedem Kapitel enthaltenen materialgestützten Aufgaben, das Grundwissen und die Wissenstests am Ende. Die umfangreicheren prüfungsorientierten Aufgaben am Ende des Buches dienen als Beispiele für Klausuraufgaben und sollen bei der Abiturvorbereitung helfen. Dank gilt dem Verlag für die intensive Betreuung und die hervorragende Ausstattung des Werkes. Dank gebührt ebenso allen, die mit Rat und Auskunft geholfen haben. Düsseldorf im Sommer 2014 Joachim Grehn und Joachim Krause 3

4 Inhaltsverzeichnis STAND: september Quantenobjekte 1.1 Wellenoptik Wellenphänomene Interferenz am Doppelspalt 12 Methode: Berechnung von Lichtwellenlängen mittels kleinster Wegdifferenzen 14 Exkurs: Berechnung von Wegdifferenzen ohne Näherungen Lichtwellenlänge und Farbe Interferenz am Gitter Wellenlängenmessung mit dem Gitter Leuchtdioden und Wellenlängen Bestimmung kleinster Wegdifferenzen Das Huygens sche Prinzip 24 Wellenlängenmessung mit der Kamera 28 Wellentheorie und Korpuskeltheorie des Lichts 28 Spektren von nahezu weiß leuchtenden LEDs 29 Farben hinter einer CD Elektronen Quantelung der Ladung Geladene Teilchen im elektrischen Feld Die elektrische Kraft und die Energie 34 Exkurs: Das Laborbuch von R. A. Millikan Auswertung des Millikan-Versuchs Das Elektron im Fadenstrahlrohr 38 Vertiefung: Fadenstrahlrohr und elektrisches Feld Die Masse des Elektrons 40 Vertiefung: Ablenkung und Masse 44 Vertiefung: Fadenstrahlrohr und magnetisches Feld 42 Exkurs: Polarlicht und Van-Allen scher Strahlungsgürtel 44 Das Elektron auf der Kreisbahn im Modell 46 Bewegung des Eelektrons im Fadenstrahlrohr 46 Präsentation der Massenabhängigkeit 47 Teilchenbeschleuniger Photonen Der lichtelektrische Effekt Energiemessung bei Fotoelektronen 50 Methode: Messung der Bewegungsenergie von Elektronen E = h f Umkehrung des lichtelektrischen Effekts Licht und Photonen Welleneigenschaften der Elektronen De-Broglie-Wellen 56 Vertiefung: Bestätigung der De-Broglie- Gleichung Das Elektron kein klassisches Teilchen 58 Exkurs: Interferenzen von Neutronen Quantenphysik und klassische Physik Die Photonenverteilung hinter dem Doppelspalt 60 Methode: Simulation der Photonenverteilung hinter dem Doppelspalt Das Elektron als Quantenobjekt Interpretationsprobleme der Quantenphysik 66 Exkurs: Verschränkte Zustände und spukhafte Fernwirkung 68 Sonnenbrand und Wirkungsquantum 70 Intensität des Lichts beim lichtelektrischen Effekt 70 Welleneigenschaften großer Moleküle 71 Erkenntnistheoretische Aussagen 71 Grundwissen 72 Wissenstest 74 4

5 2 Elektrodynamik Exkurs: Ampacity Energietransport mit supraleitendem Stromkabel Induktionsphänomene Magnetfeld und Lorentzkraft Anwendungen der Induktion und Experimente Lorentzkraft 80 Methode: B als zeitliche Änderung der Magnetfeldstärke B Magnetfeld von Leiter und Spule Induktion an der Leiterschaukel Das Induktionsgesetz 88 Methode: Parameter der Induktionsspannung im Modell 92 Spannung an der Fallröhre 94 Spannung am Fahraddynamo 94 Spannung der Lichtmaschine 95 Der bessere Nabendynamo Energietransport mit Gleichspannung Energie, Energiestrom und Leistung Energie und Spannung Wirbelströme Die Lenz sche Regel Vertiefung: Felder als Energiespeicher 104 Exkurs: Stromversorgung eines Prozessors 107 Bremsen durch Induktion 108 Energieumsatz eines Elektroautos 108 Energie vom Nabendynamo 109 Wirkungsgrad eines Schaltwandlers Energietransport mit Wechselspannung Rotierende Spule im Magnetfeld 110 Vertiefung: Induktionsspannung und Induktionsstrom Energietransport im Wechselstromkreis 112 Exkurs: Der Stromkrieg Entscheidung zwischen zwei Systemen Der Transformator 114 Vertiefung: Funktionsweise des Transformators Energietransport über Freileitungen 116 Exkurs: Die öffentliche Versorgung mit elektrischer Energie Energieübertragung mit Gleichstrom 120 Exkurs: Entwicklung der Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung 122 Exkurs: Die Anfänge der Stromversorgung 123 Messung des Erdmagnetfelds 124 Wirkungsgrad eines realen Transformators 124 Kabellose Aufladung eines Elektroautos 125 Grundwissen 126 Wissenstest Strahlung und Materie 3.1 Linienspektren Quantenhafte Emission und Absorption Der Franck-Hertz-Versuch Atomspektren 136 Fraunhofer-Linien 137 Fraunhoferlinien experimentell 137 Sternspektren Physik der Atomhülle Diskrete Energieniveaus Zustände des Wasserstoffatoms Vertiefung: Stationäre Zustände und stehende Wellen 142 Farbstoffmoleküle 143 Das He + -Ion 143 Historische Atommodelle Röntgenstrahlung 146 Exkurs: Röntgenstrahlung 147 Röntgenstrahlung Ionisierende Strahlung Radioaktivität Kernreaktionen 150 Methode: Umgang mit der Nuklidkarte 152 Exkurs: Auf der Suche nach neuen Elementen 153 Exkurs: Positronen-Emissions-Tomografie Das Zerfallsgesetz 154 Methode: Von Messwerten zur e-funktion 155 Altersbestimmung 156 Radioaktive Abfälle Abschirmung von Strahlung 158 Reichweite von α- und β-strahlung 159 Absorption von Strahlung 159 Radionuklidbatterien Strahlungsdetektoren Dosimetrie und Biologische Strahlenwirkungen Strahlenschutz 164 Das Handy als Strahlungsdetektor 165 Strahlendosen Aufbau der Materie Die Bausteine des Standardmodells Die Austauschteilchen im Standardmodell Teilchenreaktionen Was sind Teilchen und Kräfte?? Grundwissen 174 Wissenstest 176 5

6 4 Relativität von Raum und Zeit 4.1 Die relativistische Kinematik Äther und absoluter Raum Die Relativitätspostulate 184 Exkurs: Navigation mit Satelliten Lichtgeschwindigkeit als Grenze Myonen in der Atmosphäre Eigenzeit und Zeitdilatation Zeitdilatation und Längenkontraktion Vertiefung: Zeitdilatation durch Gravitation 192 Exkurs: Das Hafele-Keating-Experiment Atomuhren mesen erstmals die Zeitdilatation Die relativistische Dynamik Die Massenzunahme Masse und Energie Kernenergie Kernfusion in der Sonne 198 Exkurs: Kerfusion eine Vision? Energie der Kernspaltung 202 Das Fizeau-Experiment 204 Exkurs: Die allgemeine Relativitätstheorie: Grundlagen der Theorie 205 Exkurs: Die allgemeine Relativitätstheorie: Experimentelle Tests der Theorie 206 Grundwissen 208 Wissenstest Geschichte Quantenphysik 210 Elementarteilchenphysik 213 Astrophysik und Kosmologie 214 Relativitätstheorie 215 Moderne Anwendungen und wirtschaftliche Bedeutung Anhang Musteraufgaben mit Lösungen 218 Prüfungsorientierte Aufgaben 224 Sachverzeichnis 236 Namenverzeichnis 239 Physikalische Konstanten 239 Spektraltafel 240 Atommassen einiger Nuklide 240 Periodensystem der Eelemente 242 (hinterer Nuklidkarte 243 Buchdeckel) 6

7 bildquellenverzeichnis Es war nicht in allen Fällen möglich, die Inhaber der Bildrechte ausfindig zu machen und um Abdruckgenehmigung zu bitten. Berechtigte Ansprüche werden selbstverständlich im Rahmen der üblichen Konditionen abgegolten. 7