Physik Formelsammlung für Schüler

Mechanik - Die Grundlagen der Bewegung

Mechanik ist das Fundament der Physik und beschäftigt sich mit allem, was sich bewegt. Die wichtigsten Größen sind Geschwindigkeit $v = s/t$ und Beschleunigung (a = Δv/Δt).

Bei der gleichförmigen Bewegung bleibt die Geschwindigkeit konstant: s = vt. Viel interessanter wird's bei der gleichmäßig beschleunigten Bewegung: Hier gilt s = ½at² und v = at (wenn du bei null startest).

Spezialfälle wie der senkrechte Wurf $v = v₀ - gt$ oder waagerechte Wurf haben ihre eigenen Formeln. Die Kräfte spielen eine zentrale Rolle: F = ma ist die Grundgleichung der Mechanik.

Merktipp: Bei Bewegungsaufgaben immer zuerst klären, ob die Bewegung gleichförmig oder beschleunigt ist!

Energie und Arbeit sind austauschbare Größen $W = ΔE$. Die wichtigsten Energieformen sind kinetische Energie (E_kin = ½mv²), Höhenenergie $E_h = mgh$ und Federenergie (E_sp = ½Ds²).

Schwingungen und Wellen - Alles in Bewegung

Kreisbewegungen sind überall: von der Waschmaschine bis zu Planeten. Die Periode T ist die Zeit für eine komplette Umdrehung, die Frequenz f gibt an, wie oft pro Sekunde etwas passiert $f = 1/T$.

Die Bahngeschwindigkeit v = 2πr/T zeigt, wie schnell sich ein Punkt auf dem Kreis bewegt. Die Zentripetalkraft F_z = mv²/r sorgt dafür, dass alles schön im Kreis bleibt.

Mechanische Schwingungen folgen dem Zeit-Elongation-Gesetz s$t$ = s₀sin(ωt). Beim Federpendel gilt T = 2π√(m/D), beim Fadenpendel T = 2π√(l/g).

Praxistipp: Schwingungen und Kreisbewegungen haben viele gemeinsame Formeln - die Kreisfrequenz ω taucht überall auf!

Mechanische Wellen transportieren Energie, ohne dass Teilchen mitreisen. Die Wellengleichung λ = c/f verknüpft Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Frequenz.

Felder - Unsichtbare Kräfte verstehen

Gravitationsfelder kennt jeder: Sie sorgen dafür, dass du auf dem Boden bleibst. Die Feldstärke g = F_g/m beschreibt, wie stark das Feld an einem Ort ist. Das Gravitationsgesetz F = γ(m₁m₂)/r² zeigt: Doppelte Entfernung = viertel Kraft.

Elektrische Felder funktionieren ähnlich, nur mit Ladungen statt Massen. Die elektrische Feldstärke E = F_el/q gibt die Kraft pro Ladung an. Das Coulombsche Gesetz beschreibt Kräfte zwischen Ladungen.

Spannung U ist der Energieunterschied pro Ladung zwischen zwei Punkten. Das Ohmsche Gesetz U = RI verbindet Spannung, Stromstärke und Widerstand - eine der wichtigsten Formeln der Elektrik.

Alltagsbezug: Dein Handy-Akku speichert elektrische Energie in einem Kondensator mit der Formel W = ½CU²!

Kondensatoren speichern elektrische Energie. Ihre Kapazität C = Q/U bestimmt, wie viel Ladung sie bei gegebener Spannung aufnehmen können.

Magnetismus und Elektromagnetismus - Kräfte durch Bewegung

Die Braunsche Röhre (wie in alten Fernsehern) nutzt elektrische Felder zur Elektronenablenkung. Elektronen werden mit der Energie E = q_e·U_a beschleunigt und dann durch ein Querfeld abgelenkt.

Magnetfelder entstehen um stromführende Leiter. Die magnetische Flussdichte B beschreibt die Feldstärke. In einer Spule gilt B = μ₀(n/l)I - mehr Windungen oder höherer Strom bedeuten stärkeres Feld.

Die Lorentzkraft F = B·I·s wirkt auf stromführende Leiter im Magnetfeld. Sie ist das Prinzip hinter Elektromotoren und Lautsprechern.

Elektromagnetische Induktion erzeugt Spannung durch sich ändernde Magnetfelder: U_ind = -n·ΔΦ/Δt. Das Minuszeichen kommt vom Lenzschen Gesetz - die Natur wirkt Änderungen entgegen.

Technik-Connection: Generatoren in Kraftwerken und Dynamos am Fahrrad funktionieren alle nach dem Induktionsprinzip!

Schwingkreise mit der Thomsonschen Gleichung f = 1/(2π√LC) sind die Basis für Radio und WLAN.

Quantenphysik - Die Welt der kleinsten Teilchen

Photonen sind Lichtteilchen mit der Energie E = hf. Das war Einsteins geniale Erkenntung: Licht verhält sich manchmal wie Teilchen, manchmal wie Wellen.

Der Fotoeffekt zeigt diese Teilchennatur: E = hf = W_A + E_kin. Erst ab einer Mindestfrequenz werden Elektronen aus Metallen herausgeschlagen - egal wie hell das Licht ist!

De-Broglie-Wellenlänge λ_B = h/p beweist: Auch Teilchen haben Welleneigenschaften. Elektronen können gebeugt werden wie Licht - das zeigt die Elektronenbeugung mit 2d·sin(θ) = nλ.

Mind-Blowing-Fakt: Ein fliegender Fußball hat auch eine De-Broglie-Wellenlänge - sie ist nur unvorstellbar klein!

Das Franck-Hertz-Experiment zeigt, dass Atome nur bestimmte Energien aufnehmen können. Die wichtigen Konstanten wie die Elementarladung e = 1,602·10⁻¹⁹ C und das Plancksche Wirkungsquantum h = 6,626·10⁻³⁴ Js brauchst du für fast alle Quantenphysik-Aufgaben.

Das Elektronenvolt $1 eV = 1,602·10⁻¹⁹ J$ ist eine praktische Energieeinheit in der Atomphysik - viel handlicher als Joule bei so winzigen Energien.