Grundwissen, Jahrgangsstufe 10, Physik, Übersicht

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1 Lehrplan 10.1 Astronomische Weltbilder Entwicklung, geozentrisch, heliozentrisch, Kepler Gesetze (Mitteilung) Aspekte moderner Kosmologie Überblick, Urknall, Expansion, Struktur 10.2 Mechanik Newtons Newtons-Gesetze als Grundlage für Bewegungen ein einfaches numerisches Verfahren mit konstanter Kraft mit nicht konstanter Kraft (harmon. Schwingung) Impuls als Erhaltungsgröße Energie- und Impulserhaltungssatz Waagerechter Wurf Kreisbewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit Newtonsches Gravitationsgesetz Planeten Grenzen Newtonscher Mechanik (Kausalität) Kausalität Relativitätstheorie, Grundaussagen 10.3 Wellenlehre, Quantenphysik Wellenphänomene Longitudinal- und Transversalwellen Interferenz von Kreiswellen Wellencharakter des Lichts qualitative Experimente zur Interferenz von Licht qualitativer Photoeffekt Teilchencharakter von Elektronen Elektronenbeugung (Experiment) Diskussion des Doppelspaltexperiments bei Elektronen (Simulation) Photonen und Masseteilchen als Quantenobjekte Aufgabe der klass. Vorstellung von Ort, Zeit und Geschw. Unmöglichkeit der Vorhersage von Einzelereignissen Quantenphysik als Grundlage moderner Technologien 10.4 Profilbereich am NTG Probleme der Dynamik Physik am Computer Kosmologie Wellen und Quanten in der Technik Seite 1 von 6

2 1. Wichtige Naturkonstanten: Größe Temperatur Atomare Masseneinheit Neutronenmasse Protonenmasse Elektronenmasse Elektronenladung Lichtgeschwindigkeit im Vakuum Ortsfaktor Plancksche Konstante Gravitationskonstante Formelzeichen T u m n m p m e e c g h G; γ Wert 0 K = - 273,15 C; 0 C = 273,15 K 1, kg 1, kg 1, kg 9, kg 1, C 2, m/s 2 9,80665 m/s 2 ~ 9,81 m/s 2 6, Js 6, m 3 /(kg s 2 ) 2. Physikalische Größen Größe Aktivität Äquivalentdosis Arbeit / Energie Beschleunigung Dichte Drehmoment Drehzahl Druck Energiedosis Federkonstante Frequenz Geschwindigkeit Halbwertszeit Heizwert Kraft Ladung Längenausdehnungskoeffizient Lautstärke Leistung Masse Reibungszahl Schwingungsdauer Spannung Widerstand spez. Widerstand spez. Wärmekapazität Stromstärke Temperatur Wärme Wellenlänge Winkelgeschwindigkeit Wirkungsgrad Zeit Zeichen A H W a ρ D n p D D f v t H H F Q α L N P m µ T U R ρ c I T Q λ ω η t Einheit 1 Bq = 1/s (Bequerel) 1 Sv = 1 J/kg (Sievert) 1 J (Joule) 1 m/s 2 1 kg/m 3 1 Nm 1 /s 1 Pa (Pascal) 1 Gy (Gray) 1 N/m 1 Hz 1 m/s 1 s 1 J/kg 1 N 1 C (Coulomb) 1 1/K 1 db (Dezibel) 1 W (Watt) 1 kg 1 1 s 1 V (Volt) 1 Ω (Ohm) 1 Ω mm 2 /m 1 J/(kg K) 1 A (Ampere) 1 K (Kelvin) 1 C (Celsius) 1 J 1 m 1 /s 1 1 s wichtige Werte, Umrechnung 1 J = 1 Nm = 1 VAs = 1 Ws = 1 kg m 2 /s 2 1 m/s 2 = 1 N/kg 1 kg/m 3 = 1/1000 g/cm 3 1 Pa = 1 N/m 2 ; 1 Pa = 10-5 bar 1 Gy = 1 J/kg 1 Hz = 1 /s 1 m/s = 3,6 km/h 1 C = 1 As 1 db = 1 phon (1 khz) 1 W = 1 J/s = 1 VA = 1 Nm/s = 1 kg m 2 /s 3 1 J = 1 Ws Seite 2 von 6

3 3. Vielfachheiten von Einheiten: Buchstabe Bedeutung Zehnerpotenz Kommazahl d: Dezi ,1 c: Centi ,01 m: Milli ,001 µ: Mikro , n: Nano , p: Piko , da: Deka h: Hekto k: Kilo M: Mega G: Giga T: Tera Bewegung (I) gleichförmige Bewegung: v = const.; x = v t (II) gleichförmige Beschleunigung einfache Formeln: a = const.; v = a t; x = 1/2 a t 2 Fromeln mit Anfangsbedingung: a = const.; v(t) = a t + v 0; x(t) = 1/2 a t 2 + v 0 t + x 0 (III) Kreisbewegung 5. Numerische Verfahren für Bewegungen f = n / t = 1 / T ω = ϕ / t = 2 π / T A(t) = A 0 sin(ω t) v = ω r Umlaufsfrequenz Winkelgeschwqindigkeit Wellengleichung (vereinfacht) Bahngeschwindigkeit (I) gleichförmige Bewegung: Vorgaben: t: Zeitintervall; v: Geschwindigkeit; x 0: Anfangsort Iteration: t neu = t alt + t Zeitachse x neu = x alt + v t Ortsachse (II) beschleunigte Bewegung: Vorgaben: t: Zeitintervall; a: Beschleunigung; v 0: Anfangsgeschwindigkeit; x 0: Anfangsort Iteration: t neu = t alt + t Zeitachse v neu = v alt + a t Geschwindigkeit v neu + v alt x neu = x alt + 2 t Ortsachse (II) harmonische Schwingung der Feder: Vorgaben: t: Zeitintervall; D: Federhärte; m: Masse v 0: Anfangsgeschwindigkeit; x 0: Anfangsort Iteration: t neu = t alt + t Zeitachse F neu = - D x neu negative, rückstellende Federkraft 1 a = m F neu momentane Beschleunigung der Masse v neu = v alt + a t Geschwindigkeit v neu + v alt x neu = x alt + 2 t Ortsachse Seite 3 von 6

4 6. Kräfte Gewichtskraft: Reibungskraft: Federkraft: Beschleunigungskraft: Zentralkraft: Gravitationskraft: elektrische Kraft --- magnetische Kraft: --- G = µ g F = µ G = µ m g F = - D x F = m a F = m$ v2 r F = G$ M$m r 2 7. Arbeit / Energie mechan. Arbeit: W = F x potentielle Energie: E pot = m g h kinetische Energie: E kin = 1/2 m v 2 Spannenergie der Feder: E Sp = 1/2 D x 2 elektrische Energie: E el = U I t = m$ 2 $ r 8. Leistung Grundgleichung: P = W t mechan. Leistung: P = F$x t elektrische Leistung: P = U I Wirkungsgrad: η = P Nutzen /P Aufwand (η < 1) 9. Impuls mechanischer Impuls: p = m v p = m v 10. Impuls und Eneergieerhaltung Impulserhaltung: Bei einem Stoßprozess ist die Summer aller Impulse Null, d.h. die Summe der Impulse vor dem Stoß ist gleich der Summe der Impulse nach dem Stoß: P 1v + P 2v + P 3v +... = P 1n + P 2n + P 3n +... Energieerhaltung: Bei physikalischen Prozessen ist die Energiesumme konstant. Dabei können sich die Energieformen wandeln: Bewegungsenergie - Wärmeenergie - Verformungsenergie - potenzielle Energie - elektr. Energie - Lichtenergie - Strahlungsenergie. 11. Kausalität Starke Kausalität: gleiche oder ähnliche Ausgangsvoraussetzungen führen zu gleichen oder ähnlichen Ergebnissen (Variation eines Problems/Versuchs) Schwache Kausalität: gleiche oder ähnliche Voraussetzungen führen zu unterschiedlichen Ergebnissen oder auch zufällig zu ähnlichen Ergebnissen. 12. Relativitätstheorie In der Mechanik Newtons sind die Grundgrößen Zeit, Masse und Länge unabhängig von der Art der Beobachtung. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten hängen die Aussagen über Zeit, Masse und Längen nach Einstein vom Standpunkt des Beobachters ab. Ein als ruhend anzusehender Beobachter trifft folgende Aussagen: Zeit: in schnell bewegten Objekten vergeht die Zeit langsamer (Zeitdilatiation / Zwillingsparadoxon). Masse: je mehr sich ein Körper mit seiner Geschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit annähert, desto größer wird seine Masse. Seite 4 von 6

5 Geschwindigkeit: die Lichtgeschwindigkeit ist eine Grenzgeschwindigkeit: v < c. Längen: bei je mehr sich die Geschwindigkeit eines Objekts der Lichtgeschwindigkeit nähert, desto kürzer wird seine Länge. Lichtgeschwindigkeit: die Lichtgeschwindigkeit hängt nicht vom Standpunkt des Beobachters ab. Sie ist als einzige Größe als Konstant anzunehmen. 13. Wellen Longitudinalwellen: Schall Transversalwellen: Seilwellen, (Wasserwellen), elektromagnetische Wellen, Licht. Wellen zeigen Reflexion, Brechung, Beugung und Interfernez. Gleichung: v = λ f; v: Wellengeschwindigkeit, f: Wellenfrequenz, λ: Wellenlänge. Interferenz: Überlagern sich die Wellenzweier Wellenquellen (Q1, Q2), so können ortsfeste, ausgezeichnete Punkte im Wellenfeld entstehen: Maximum: Wellen überlagern sich Konstruktiv (Berg zu Berg und Tal zu Tal) Bedingung: Wegunterschied: k λ (ganzzahliges vielfaches der Wellenlänge Minimum: Wellen überlagern sich destruktiv (Berg zu Tal) Q1 M (1λ) Hauptachse Maximum Q2 λ M (1λ) 14. Interferenz von Licht Doppelspalt Laser Schirm Seite 5 von 6

6 15. Welle, Teilchen und Quanten Welle und bewegtes Teilchen sind untrennbar miteinander verbunden (Dualismus). Mit Wellen (Licht) kann man auch Teilchenexperimente machen (Lichtelektrischer Effekt). Mit schnellen Teilchen (Elektronen) kann man auch Wellenexperimente machen (Elektronenbeugung). Unvorhersehbarkeit der Teilchen beim Doppelspaltversuch mit Elektronen: Es lässt sich weder eindeutig sagen, wie das Teilchen durch den Doppelspalt glangt, noch wo genau es auf dem Schirm landet. Statistisch, bei sehr vielen Teilchen, gehorchen diese der Vorhersage, wie sei für ein Wellenexperiment gemacht werden kann. 16. Ort, Zeit und Geschwindigkeit Die einem Teilchen (punktförmiges Objekt) zugeordnete Welle hat eine Längenausdehnung (Wellenzug). Einem Teilchen kann man einen Ort mehr oder weniger genau zuordnen (Ortsunschärfe). Je länger der Wellenzug ist, desto genauer ist die Wellenlänge des Wellenzuges bestimmt und damit der Impuls der Welle (Impuls-Unschärfe). Je kürzer der Wellenzug ist, desto weniger genau kann der Impuls der Welle bestimmt werden; dafür ist der Ort des zugeordneten Teilchens genauer definierbar. Für Wellen gilt: das Produkt aus dem Betrag der Ortsunschärfe und dem Betrag der Impulsunschärfe ist in der Größenordnung der Planckschen Konstante: x $ p l h Interpretation: Je genauer man den Ort eines Teilchens kennt, desto weniger genau weiß man seinen Impuls (Energie). Beispiel des Atom-Elektrons: Energie und Impuls des sich in einem Orbital befindenden Elektrons ist nur relativ genau (Lichtemission: verbreiterte Emissionslinie). Auch der Ort des Elektrons ist nur bedingt anzugeben. Das Elektron nimmt statistisch einen Raum ein. Eine absolut exakte Aussage über den momentanen Ort und den Impuls (Energie) des Elektrons ist nicht möglich. Orbital Kern x Seite 6 von 6