Bewegungen und Kräfte im Straßenverkehr 10

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1 Inhaltsverzeichnis Bewegungen und Kräfte im Straßenverkehr 10 Offene Aufgaben: Unterschiedliche Bewegungen 12 Gleichförmige Bewegung 13 Hausversuch: Geänderte Geschwindigkeit - selbst gemessen 15 Die Momentangeschwindigkeit 16 Interessantes: Geschwindigkeitsmessung im Auto 17 Interessantes: Sensoren für Weg und Geschwindigkeit 18 Vertiefung: Ein Fahrrad-Fahrtenschreiber 19 Überholvorgang unter der Lupe 20 Interessantes: Überholvorgang 20 Beschleunigte Bewegungen 22 Vertiefung: Die Vorgeschichte spielt keine Rolle 24 Sonderfall - Bewegung aus der Ruhe 26 Methode - Auswertung mit dem GTR: Überprüfung der Gesetzmäßigkeit einer beschleunigten Bewegung 27 Kräfte zusammensetzen und zerlegen 28 actio und reactio im Straßenverkehr 30 Interessantes: Bremsvorgänge 32 Interessantes: Die Fahrschul-Faustformel 33 Interessantes: Kraft- und Beschleunigungssensoren 33 Modellbildung 34 Projekt: Modellbildung für nicht konstante Masse 35 Das ist wichtig 36 Das können Sie schon 37 Das schafft Überblick 37 Kennen Sie sich aus? 38 Projekt: Newtonsche Grundgleichung am Fahrrad 39 Erhaltungssätze im Straßenverkehr 40 Methode: Die Berechnung der Geschwindigkeiten nach einem elastischen Stoß Offene Aufgaben: Energie und Impuls 42 Höhenenergie und Arbeit 43 Bewegungsenergie und Spannenergie 44 Methode: Kausale Strategie 44 Erhaltungssatz der Mechanik 46 Projekt: Mechanische Energieterme im Experiment 46 Methode: Messgenauigkeit 47 Ein Kraftstoß ändert den Impuls 48 Unelastischer Stoß zweier Körper 50 Elastische Stöße zweier Körper 52 Vertiefung: Der Unterschied von Bewegungsenergie und Impuls 55 Interessantes: Schiefe Stöße 55 Methode - Stationenlemen: Experimente und Theorie zum Impuls- und Energieerhaltungssatz 56 Unfälle im Straßenverkehr 58 Physik und Technik: CRASH - Bilanzstrategie und Kausalstrategie 58 Das ist wichtig 60 Das können Sie schon 61 Das schafft Überblick 61 Kennen Sie sich aus? 62 Projekt: Impuls und Bewegungsenergie 63

2 Fall- und Wurfbewegungen im Sport 64 Offene Aufgaben: Alles fällt nach unten 66 Fallbewegungen 67 Vertiefung: Masse - sowohl schwer wie träge 67 Vertiefung: Energiebilanz beim freien Fall 68 Methode - Stationenlernen: Fallbewegung 70 Fallschirmsprung im Rechenmodell 72 Methode - Abschätzungen: Prüfen einer Werbebotschaft 72 Vertiefung: Bewegungen mit Luftwiderstand 74 Auf der schiefen Ebene 76 Physik und Geschichte: Freier Fall und schiefe Ebene bei Galileo GALILEI 77 Waagerechter Wurf 78 Vertiefung: Beschleunigter Beobachter 78 Schiefer Wurf 80 Vertiefung: Energie und Impuls bei Wurfbewegungen 83 Methode - Berechnen mit kleinen Schritten: Modellierung mit dynamischer Geometrie 83 Vertiefung: Schiefer Wurf mit Luftwiderstand 84 Das ist wichtig 86 Das können Sie schon 87 Das schafft Überblick 87 Kennen Sie sich aus? 88 Projekt: Auf Physik kann man sich verlassen 89 Unser Planetensystem 90 Offene Aufgaben: Himmelskörper 92 Kreisbewegung und Zentripetalkraft 93 Eine Formel für die Zentripetalkraft 94 Vertiefung: Zentripetalkraft oder Zentrifugalkraft? 95 Kreisbewegungen auch auf der Kirmes 96 Interessantes: Nicht immer ist die Kreisbahn sinnvoll 97 In drei Schritten zum Gravitationsgesetz 98 Vertiefung: Vermessung von Erde und Mond 98 Interessantes: Unser Planetensystem 99 Vertiefung: Der Versuch von CAVENDISH 101 Die KEPLER-Gesetze 102 Methode - Bahnberechnung in kleinen Schritten: Mit dem PC auf den Spuren KEPLERS 104 Energie im Gravitationsfeld 106 Vertiefung: Herleitung der Formel für die Energieberechnung im Gravitationsfeld 107 Vertiefung: Festlegung des Nullniveaus 108 Interessantes: Völlig losgelöst von der Erde 109 Von ARISTOTELES bis NEWTON 110 Das ist wichtig 112 Das können Sie schon 113 Das schafft Überblick 113 Kennen Sie sich aus? 114 Projekt: Planetenbeobachtung 115

3 Schwingungen und Wellen bei Musikinstrumenten 116 Offene Aufgaben: Überall Schwingungen und Wellen 118 Mechanische Schwingungen 119 Ursache und Beschreibung von Schwingungen 120 Methode - Mathematik in der Physik: Gesetze der harmonischen Schwingung Energie einer Schwingung 122 Schwingungen und Eigenschwingungen 124 Methode - Stationenlernen: Experimente und Theorie zu Schwingungen und Wellen 124 Fortschreitende Welle 126 Die Schallgeschwindigkeit in Luft 128 Projekt: Abschätzung der Schallgeschwindigkeit 129 Projekt: Präzisionsmessung der Schallgeschwindigkeit 129 Töne und Klänge 130 Stehende Wellen 132 Vertiefung: Wellen werden am Rand reflektiert 132 Das ist wichtig 134 Das können Sie schon 135 Das schafft Überblick 135 Kennen Sie sich aus? 136 Projekt: Eigenschwingungen beim HELMHOLTZ-Resonator 137 Quantenobjekte 138 Erforschung des Photons 140 Offene Aufgaben 140 Physik in Bewegung 141 Interessantes: Ende der Physik 141 Physik und Geschichte: Einsteins Nobelpreis 143 Interessantes: Worte zur Quantenphysik 143 Geometrische Optik - und ihre Grenzen 144 Wellenmodell - Wellenwanne 146 Beugung, Brechung und Reflexion im Wellenmodell 148 Doppelspaltversuch 150 Vertiefung: Aufteilung der Wellenfront 151 Physik und Geschichte: Geniale Idee mit Anlaufschwierigkeiten 151 Interessantes: Polarisation 153 Gitter 154 Vertiefung: Amplitude und Intensität 155 Vertiefung: Einzelspalt 156 Vertiefung: CD als Reflexionsgitter 157 Fotoeffekt I 158 Physik und Geschichte: Geschichte des Fotoeffekts 158 Vertiefung: Äußerer und innerer Fotoeffekt 159 Vertiefung: Klassisches Wellenmodell 159 Interessantes: Von PLANCK zu PLANCK 160 Das elektrische Feld 162 Vertiefung: Probeladung im Kondensatorfeld 163 Fotoeffekt II 166 Vertiefung: Kontaktspannung 167 Masse und Impuls von Photonen 168 Interessantes: Heikle Physik - die Lichtmühle 169

4 Erforschung des Elektrons 170 Offene Aufgaben 170 Das Elektron - ein alter Bekannter!? 171 Millikan-Versuch 172 Vertiefung: Der Millikan-Versuch - Würdigung und Kritik 174 Interessantes: Elektrolyse-Versuch von FARADAY 174 Vertiefung: Die Sinkmethode des Millikan-Versuchs 175 Fadenstrahlrohr I 176 Interessantes: Wie groß ist ein Elektron? 176 Vertiefung: Wie schnell sind die Elektronen? 177 Das Magnetfeld 178 Projekt: Dynamischer Lautsprecher 179 Interessantes: Hallsonden 180 Vertiefung: Ein Drahträhmchen im Magnetfeld 181 Fadenstrahlrohr II 182 Vertiefung: Kräfte im Fadenstrahlrohr 182 Projekt: Modellierung der Bewegung im Fadenstrahlrohr 183 Elektronen in Natur, Forschung und Technik 184 De-Broglie-Wellen und Elektronenbeugung 186 Physik und Geschichte: Wer war DE BROGLIE? 186 Vertiefung: Wie groß ist der Elektronenabstand? 186 Vertiefung: Interferenz mit großen Molekülen 187 Wellig und körnig 190 Offene Aufgaben 190 Wahrscheinlichkeitsinterpretation 191 Vertiefung: Taylor-Experiment von Modelle in der Physik 194 Interessantes: Realität und Quantenphysik 194 Interessantes: De-Broglie-Wellen sichtbar gemacht 195 Unbestimmtheitsrelation 196 Deutungen der Quantentheorie 198 Vertiefung: Schrödingers Katze 198 Vertiefung: Das Messpostulat 199 Vertiefung: Dekohärenz 199 Interessantes: Auch Experten sind sich nicht einig 200 Vertiefung: Verschränkte Zustände und Nichtlokalität 200 Vertiefung: Anwendungen der Quantenverschränkung 201 Das ist wichtig 202 Das können Sie schon 203 Das schafft Überblick 203 Kennen Sie sich aus? 204 Projekt: Umkehrung des Fotoeffekts - h-abschätzung mit Leuchtdiode 205 Elektrodynamik 206 Elektrische Energie gewinnen und verteilen 208 Offene Aufgaben 208 Induktion bei der Leiterschaukel 209 Induktion bei der Leiterschleife 210 Vertiefung: Der magnetische Fluss 213 Vertiefung: Ein glücklicher mathematischer Umstand 213 Lenzsches Gesetz und thomsonscher Ringversuch 214 Wirbelströme 216 Physik und Technik: Technische Anwendungen von Wirbelströmen 217

5 Der Generator 218 Vertiefung: Merkt man an Generatoren, dass ein starker Verbraucher angeschlossen ist? Oszilloskop und Messwerterfassungssystem 220 Vertiefung: Der Effektivwert einer Wechselspannung 221 Vertiefung: So funktioniert ein Oszilloskop 221 Der Transformator 222 TYansport elektrischer Energie 224 Vertiefung: Das deutsche Stromnetz 224 Das ist wichtig 226 Das können Sie schon 227 Das schafft Überblick 227 Kennen Sie sich aus? 228 Projekt: Funktionsmodell eines Fahrradtachometers 229 Strahlung und Materie 230 Erforschung des Mikro- und Makrokosmos 232 Offene Aufgaben 232 Das elektromagnetische Spektrum 233 Vertiefung: Was schwingt denn da? 233 Franck-Hertz-Versuch 236 Physik und Geschichte: James FRANCK und Gustav HERTZ 237 Interessantes: Elastische und unelastische Stöße 237 Vertiefung: Zum Franck-Hertz-Versuch 238 Interessantes: Leuchterscheinungen - nicht nur bei Atomen 239 Flammenfärbung und Linienspektrum 240 Interessantes: Spektralanalyse von Flammenfarben 241 Interessantes: Spektrometer 241 Sonnenspektrum 242 Praktikum: Fraunhoferlinien selbst beobachten 242 Physik und Geschichte: Joseph von FRAUNHOFER 243 Atommodelle 244 Untersuchung der Röntgenstrahlung 246 Interessantes: Bestimmung der Wellenlänge von Röntgenstrahlung 246 Charakteristische Röntgenlinien 248 Interessantes: Röntgenbremsspektrum 249 Mensch und Strahlung 250 Offene Aufgaben 250 Grundlagen: Atomkern und die Strahlung radioaktiver Stoffe 251 Vertiefung: Kemkräfte 251 Das Geiger-Müller-Zählrohr 252 Interessantes: Der Halbleiterzähler ist ein weiteres Nachweisgerät für die Strahlung radioaktiver Stoffe 252 Lernen an Stationen: Strahlung verschiedener Materialien untersuchen 253 Die 'feilchen der Strahlung radioaktiver Stoffe - Absorptionsexperimente 254 Vertiefung: Die Absorption der Strahlung ist energieabhängig 255 Radioaktiver Zerfall - Nuklidkarte 256 Vertiefung: Zum a-, ß- oder y-zerfall eines Nuklids 256 Interessantes: Die radioaktiven Zerfallsreihen 257 Halbwertszeit 258 Interessantes: Aktivität verrät das Alter 259 Biologische Wirkung ionisierender Strahlung 260 Vertiefung: Grundlagen der Strahlenbiologie 260

6 Natürliche und zivilisatorische Strahlenexposition 262 Projekt: Radon 263 Wirkung elektromagnetischer Strahlung auf Menschen 264 Interessantes: Vorsorge 265 Strahlenschäden - Strahlenschutz 266 Vertiefung: Kleine Dosen 267 Strahlennutzen 268 Methode - selbstständig bewerten 269 Vertiefung: Kernreaktionen 270 Elementarteilchenphysik 272 Offene Aufgaben 272 Ordnung im Teilchenzoo - das Standardmodell 273 Vertiefung: Quarkfamilien 274 Vertiefung: Farbe 275 Was Teilchen zusammenhält - Wechselwirkungen im Standardmodell 276 Vertiefung: Feynman-Diagramme 277 Starke und schwache Wechselwirkung 278 Vertiefung: Die elektroschwache Wechselwirkung 279 Vertiefung: Nicht nur elektrische Ladungen 280 Vertiefung: Der Spin 281 Riesige Maschinen für kleinste Teilchen 282 Vertiefung: Das Higgs-Tfeilchen 284 Interessantes: Und die Gravitation? 284 Von RUTHERFORD bis HIGGS 286 Physik und Geschichte: Physikerinnen ohne Nobelpreis 286 Interessantes: Schönheit in der Physik 287 Interessantes: Woher die Quarks ihren Namen haben 289 Das ist wichtig 290 Das können Sie schon 291 Das schafft Überblick 291 Kennen Sie sich aus? 292 Projekt: Radioaktivität von Lebensmitteln 293 Spezielle Relativitätstheorie 294 Das Denken übersteigt die sinnliche Erfahrung 296 Offene Aufgaben 296 Hat Licht eine Geschwindigkeit? 297 Messung der Lichtgeschwindigkeit 298 Projekt: Die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen 299 Physik und Geschichte: Lichtgeschwindigkeit 299 Zeit und Ort werden hinterfragt 300 Das Experiment von MICHELSON und MORLEY 302 Vertiefung: Michelson-Morley quantitativ 302 Projekt: Michelson-Morley-Experiment mit Ultraschall 303 Die Lichtuhr 304 Vertiefung: Zeitdilatation 305 Myonenzerfall - Längenkontraktion 306 Vertiefung: Myonenzerfall aus zwei Perspektiven 307 Die Addition von Geschwindigkeiten 308 Vertiefung: Das Additionstheorem für Geschwindigkeiten 309 Dynamische Masse und Zyklotron 310 Vertiefung: Herleitung der dynamischen Masse 310 Äquivalenz von Energie und Masse 312

7 Vertiefung: \mv 2 als Grenzfall von Am c Vertiefung: Herleitung von W = m c 2 /Bertozzi-Experiment 313 Moderne Teilchenbeschleuniger 314 Vertiefung: Vom Zyklotron zum LHC 314 Der Massendefekt 316 Vertiefung: W = m c 2 in der Hochenergiephysik 317 Vertiefung: Was bedeutet die Äquivalenz von Energie und Masse? 317 Paradoxien 318 Vertiefung: Ein alter Zankapfel 318 Interessantes: Uhren als Zwillinge 319 Schlüsselstationen der Speziellen Relativitätstheorie 320 Vertiefung: Energie und Impuls des Photons 321 Bedeutung der Speziellen Relativitätstheorie 322 Physik und Technik: Global Positioning System - GPS 323 Das ist wichtig 324 Das können Sie schon 325 Das schafft Überblick 325 Kennen Sie sich aus? 326 Projekt: 100 Jahre nach dem annus mirabilis" der Physik - das Einsteinjahr Anhang 328 Tabellen und Notation 328 Spektraltafel 332 Periodensystem 333 Ausschnitt aus der Nuklidkarte 334 Bildquellenverzeichnis 336 Stichwortverzeichnis 338