Bruno Putz FaszinationPhysik 3+4 Das Lehrerbegleitheft können Sie auf unserer Website (www.veritas.at) gratis downloaden! www.veritas.at
Liebe Schülerin, lieber Schüler! Auch der zweite Teil von Faszination Physik besteht aus Buch und darauf abgestimmter CD-ROM. Das Buch Im Buch sind die physikalischen Gesetze und Zusammenhänge dargelegt. Linke und rechte Seite bilden jeweils eine Einheit. Die rechten Seiten enthalten den erklärenden Text, die linken Seiten dazupassende, auf die zentralen Aussagen des Textes abgestimmte, Grafiken und gelegentlich Tabellen und mathematische Ableitungen. Durch die kompakte Darstellung wird eine bessere Übersichtlichkeit erreicht. Sie können immer wieder nachschlagen und die gesuchten Inhalte rasch finden. Das kleine Buchformat ist v. a. beim Arbeiten mit dem Computer oder beim Experimentieren von Vorteil. Die CD-ROM Der Aufbau der CD-ROM orientiert sich an den Buchkapiteln. Bilder, Grafiken, Animationen und Videos machen den behandelten Lehrstoff anschaulicher und dadurch leichter verständlich und sie bringen eine größere Nähe zum täglichen Leben und zur uns umgebenden Technik. Die Rechenbeispiele werden mit Bildern oder Grafiken veranschaulicht. Dadurch lassen sich die Aufgabenstellungen leichter verstehen. Auf Knopfdruck sind die Ergebnisse abrufbar. Laborexperimente sind mit umfangreichen Anleitungen, Grafiken, Bildern und teilweise Animationen und Videos aufbereitet. Damit können Sie sich selbst auf Experimente vorbereiten oder sich deren Aufbau, Ablauf undaussagen in Erinnerung rufen. In den Kapiteln Kernphysik, Relativitätstheorie und Astrophysik werden zusätzlich interessante bzw. gesellschaftlich relevante Fragen behandelt, die den Umfang eines reinen Schulbuches sprengen würden. Sie können als Ausgangsbasis für weitere, eigenständige Recherchen dienen. ErfolgreichesArbeiten mit Faszination Physik wünscht Ihnen B. Putz INHALTSVERZEICHNIS TEIL A Elektrizität II... 7 1. Elektrostatik 1.1 Elektrische Ladung und elektrische Kraft... 9 Elektrische Ladung, Reibungselektrizität Die elektrische Influenz Das Coulomb sche Gesetz 1.2 Das elektrische Feld... 13 Der Feldbegriff Arbeit, Spannung und Energie im homogenen elektrischen Feld Arbeit, Spannung und Energie im inhomogenen elektrischen Feld 1.3 Anwendungsbeispiele zur Elektrostatik... 19 Bestimmung der Elementarladung durch Robert Millikan Das Elektronvolt Der Faraday sche Käfig Die Spitzenwirkung Das Elektronenstrahloszilloskop Der Bandgenerator Der Nachweis radioaktiver Strahlung Die Leuchtstofflampe 2
1.4 Der Kondensator... 27 Die Kapazität Energie im Kondensator Möglichkeiten zur Erhöhung der Kapazität Laden und Entladen von Kondensatoren Schaltung mehrerer Kondensatoren 2. Der Elektromagnetismus 2.1 Der Permanentmagnetismus... 33 Die magnetische Kraft Das Modell der Elementarmagnete Das magnetische Feld 2.2 Der Elektromagnet; Die Theorie des Magnetismus... 37 Das Oersted-Experiment Das Magnetfeld eines Leiters und einer Spule Der Elektromagnet Die Theorie des Magnetismus 2.3 Die Lorentzkraft... 43 Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter Kraft zwischen stromdurchflossenen Leitern Kraft auf einzelne bewegte elektrische Ladungen 2.4 Beispiele zur Lorentzkraft... 45 Zirkularbeschleuniger Der Massenspektrograf Die Hallsonde Die magnetische Flasche Der elektrodynamische Lautsprecher Der Elektromotor 2.5 Die elektromagnetische Induktion... 53 Die Induktion in einem bewegten Leiter Die Lenz sche Regel Induktion in einer rotierenden Leiterschleife 2.6 Beispiele zur Induktion... 57 Der Generator Das elektrodynamische Mikrofon Die elektromagnetische Datenspeicherung 2.7 Die Selbstinduktion... 59 3. Das technische Stromnetz 3.1 Wechselstromeffekte... 61 Effektiv- und Spitzenwerte Spule im Wechselstromkreis Kondensator im Wechselstromkreis Ohm scher Widerstand, Spule und Kondensator im Wechselstromkreis 3.2 Das Drehstromnetz... 67 Vorteile des Drehstromes Das Verbundnetz 3.3 Der Transformator... 71 Der unbelastete Transformator Der belastete Transformator 3.4 Sicherheitseinrichtungen im Stromnetz... 73 Leitungssicherungen Wirkungen des Stromes auf den Menschen Der Erdungsleiter Der FI-Schalter 4. Halbleiter und Halbleiterbauteile 4.1 Der Halbleiter... 77 Der reine Halbleiter Die Eigenleitung eines reinen Halbleiters Der dotierte Halbleiter 4.2 Die Halbleiterdiode... 81 Die Diode ohne äußere Spannung Die Diode, in Sperrrichtung gepolt Die Diode, in Durchlassrichtung gepolt Die Kennlinie einer Diode Die Einweg- Gleichrichtung Die Zweiweg-Gleichrichtung Hinweise für den Einsatz von Dioden 3
4.3 Der Transistor... 87 Der Flächentransistor Der Feldeffekttransistor (FET) Hinweise für den Einsatz von Transistoren 4.4 Weitere Halbleiterbauteile... 91 Der Heißleiter (NTC-Widerstand) Der Fotowiderstand Die Fotodiode Die Solarzelle Die Leuchtdiode (LED) 4.5 Schaltungsbeispiele... 95 Messung der Beleuchtungsstärke Temperaturmessung Alarmanlage Automatische Beleuchtungsanlage Elektrisches Thermometer mit hoher Empfindlichkeit Der Kondensator als Zeitglied Spannungsstabilisierung Die bistabile Kippstufe Die monostabile Kippstufe 5. Elektromagnetische Wellen 5.1 Der elektrische Schwingkreis... 103 Freie elektrische Schwingungen Ungedämpfte Schwingungen Rückkopplungsschaltungen Hochfrequenz-Schwingkreis Offener Schwingkreis Dipolantenne 5.2 Informationsübertragung mit elektromagnetischen Wellen... 109 Sende- und Empfangsantennen Sender und Empfänger 5.3 Die Maxwell sche Feldtheorie... 113 5.4 Das elektromagnetische Spektrum... 115 TEIL B Mikrophysik... 119 6. Strahlungs- und Wellenoptik 6.1 Emission und Absorption von Licht... 121 Quantensprünge im Atom Das Wasserstoffspektrum Spektralanalyse 6.2 Wellenoptik... 127 Strahlen und Wellenmodell im Vergleich Beugungs- und Interferenzerscheinungen Polarisiertes Licht Optische Aktivität 6.3 Der Laser... 137 Spontane und induzierte Emission Das Laserprinzip Lasertypen 7. Atom- und Quantenphysik 7.1 Der Welle/Teilchen-Dualismus... 143 Der Photoeffekt Der Compton-Effekt Der Doppelspaltversuch Materiewellen Der Doppelspaltversuch mit Teilchen Das Elektronenmikroskop 7.2 Die Heisenberg sche Unschärfe... 149 Nullpunktsenergie Tunneleffekt 7.3 Die Schrödinger-Gleichung... 153 8. Kernphysik 8.1 Die Erforschung atomarer und subatomarer Strukturen... 157 Streuexperimente Teilchenbeschleuniger 8.2 Kernkraft und Kernenergie... 161 Der Atomkern Energiefreisetzung durch Kernfusion Energiefreisetzung durch Kernspaltung 8.3 Radioaktivität... 173 Das Radioaktive Zerfallsgesetz Strahlenwirkung Strahlenschutz 8.4 Kernwaffen... 179 8.5 Elementarteilchenphysik... 181 4
TEIL C Relativität Astrophysik Chaos... 187 9. Relativitätstheorie 9.1 Von der Newton schen Mechanik zur Einstein schen Relativitätstheorie... 189 Das Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik Die Ätherhypothese Das Michelson-Morley-Experiment Einsteins Postulate 9.2 Raum-Zeit-Effekte der Speziellen Relativitätstheorie... 197 Die Zeitdilatation Die Lorentzkontraktion Myonen in der kosmischen Höhenstrahlung Das Zwillingsparadoxon Scheinbare Verzerrungen Scheinbare Überlichtgeschwindigkeit Die Relativität der Gleichzeitigkeit 9.3 Masse und Energie... 207 Die Dynamische Masse Masse-Energie-Äquivalenz 9.4 Raum-Zeit-Transformationen und Raum-Zeit-Diagramme... 211 Galilei-Transformation Lorentz-Transformation Raum-Zeit-Diagramme 9.5 Allgemeine Relativitätstheorie... 217 Das allgemeine Äquivalenzprinzip Uhren und Maßstäbe im Gravitationsfeld Das Konzept der Raumkrümmung 10. Astrophysik 10.1 Geschichte der Astronomie und Astrophysik... 223 Die Anfänge Die scheinbare Bewegung der Himmelskörper Das geozentrische Weltbild Die kopernikanische Wende Das heliozentrische Weltbild 10.2 Himmelsmechanik... 231 Rotation der Erde um ihre Achse Bewegung der Erde um die Sonne 10.3 Newton sches Gravitationsgesetz... 235 10.4 Gravitationsfelder... 239 Beschreibung von Gravitationsfeldern Arbeit im Gravitationsfeld Die zweite kosmische Geschwindigkeit 10.5 Aufbau und Funktionsweise der Sonne... 245 Der thermonukleare Kern Die Strahlungszone Die Konvektionszone Die Sonnenatmosphäre 10.6 Zustandsgrößen von Sternen Datengewinnung... 251 Astronomische Entfernungsbestimmung Temperatur, Leuchststärke und Größe Chemische Zusammensetzung, Radialgeschwindigkeit 10.7 Geburt, Leben und Tod der Sterne... 257 Die Entstehung der Sterne Entwickelte Sterne Altersphase und Endstadium Endstadium massereicher Sterne Das Hertzsprung-Russel-Diagramm 10.8 Die großen Strukturen im Universum... 265 Die Milchstraße Außergalaktische Systeme Kosmologie Anfang und Ende des Universums 11. Chaostheorie 11.1 Ordnung und Chaos... 275 11.2 Der Weg ins Chaos... 277 11.3 Chaos und fraktale Geometrie... 279 11.4 Deterministisches Chaos... 283 Anhang Größen, Formeln, Einheiten... 284 Stichwortverzeichnis... 290 5