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Grundlagen Physik BLF

17.3.2022

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1.1 Körper und Stoff.
1.1.1 Aufbau der Körper.
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Physik BLF Inhalt +1 Mechanik. 1.1 Körper und Stoff. 1.1.1 Aufbau der Körper. 1.1.2 Das Teilchenmodell. 1.2 Volumen und Masse von Körpern. 1.2.1 Das Volumen von Körpern - Volumenbestimmung. 1.2.2 Die Masse von Körpern 1.3 Die Dichte von Körpern ....... 1.3.1 Die Dichte als physikalische Größe. 1.3.2 Experimentelle Bestimmung der Dichte.. 1.4 Die Kraft.... 1.4.1 Die Kraft als physikalische Größe 1.4.2 Arten und Wirkungen von Kräften 1.4.3 Die Darstellung von Kräften 1.4.4 Die Gewichtskraft. 1.4.5 Reibungskräfte 1.4.6 Newtonsche Axiome... 1.4.7 Zusammensetzen und zerlegen von Kräften - Geneigte Ebene. 1.5 Die Bewegung von Körpern - Kinematik... 1.5.1 Bewegungsformen und Bewegungsarten 1.5.2 Die Geschwindigkeit als physikalische Größe.. 1.5.3 Geradlinige gleichförmige Bewegung.. 1.5.4 Geradlinige beschleunigte Bewegung. 1.5.5 Kreisbewegung und Radialkraft... 1.5.5 Der freie Fall 1.5.6 Zusammengesetzte Bewegungen.. 1.6 Mechanische Arbeit, Leistung und Energie. 1.6.1 Mechanische Arbeit.. 1.6.2 Mechanische Leistung. 1.6.3 Energie und Energieerhaltung.. 1.6.4 Energieumwandlung..... 2. Magnetische Felder.. 2.1 Wirkungen und Eigenschaften von Magneten 2.2 Das magnetische Feld. 3. Elektrizitätslehre.. 3.1 Das elektrische Feld. 3.1.1 Vergleich Elektrisches und Magnetisches Feld. 3.2 Der elektrische Strom.......... .4 4 5 .5 .6 .6 .6 .8 .8 .8 .9 .9 10 10 10 11 11 .12 .12 12 13 14 14 14 15 15 17 17 18 19 19 .19 19 3.2.1 Elektrische Stromstärke, Spannung & Wiederstand 3.3 Elektrische Energie. 3.3.1 Gleichstrommotor 4 Elektromagnetische Induktion 4.1 Das Induktionsgesetz..... 4.2 Anwendung zur elektromagnetischen Induktion. 4.2.1 Der Wechselstromgenerator. 4.2.2 Der Transformator..... 5 Optik... 5.1 Ausbreitung, Reflexion und Brechung des Lichts. 5.1.1 Ausbreitung von Licht.. 5.1.2 Reflexion des Lichtes. 5.1.3 Brechung des Lichtes. ..20 .21 ..21 22 22 .22 23 23 ..25 .25 ..25 26 .26 1 Mechanik 1.1 Körper und Stoff 1.1.1 Aufbau der Körper ● ● ● ● ● 1.1.2 Das Teilchenmodell Der Aufbau von Stoffen kann dem Teilchenmodell beschrieben werden. Alle Gegenstände, die uns umgeben nennt man Körper. Körper können in verschiedenen Aggregatzuständen auftreten. Jeder...

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Körper besteht aus einem Stoff oder aus mehreren Stoffen. Jeder Stoff hat eine für ihn typische Kombination von Eigenschaften zB. Farbe, Leitfähigkeit für Wärme, Masse, Dichte, Siedetemperatur, Schmelztemperatur, elektrische Leitfähigkeit, Geruch. Alle Stoffe bestehen aus Teilchen, die man Atome oder Moleküle bezeichnet. 1. Alle Stoffe bestehen aus Teilchen. 2. Die Teilchen befinden sich in ständiger Bewegung. 3. Zwischen den Teilchen wirken Kräfte. Anordnung Bewegung Kräfte Form Volumen fest schmelzen erstarren Feste Körper Die Teilchen sind regelmäßig angeordnet, liegen dicht bei einander und haben einen bestimmten Platz Die Teilchen schwingen um ihren Platz hin und her Zwischen den Teilchen wirken starke Anziehungs- und Abstoßungskräfte Haben eine bestimmte Form Haben ein bestimmtes Volumen, sie lassen sich nicht zusammendrücken sublimieren flüssig resublimieren Flüssigkeit Die Teilchen sind unregelmäßig angeordnet, liegen dicht beieinander, haben aber keinen festen Platz -> leicht verschiebbar Befinden sich in ständiger Bewegung -> mehr als bei festen Körpern Zwischen den Teilchen wirken weniger Anziehungs- und Abstoßungskräfte Unbestimmte Form -> passt sich an Haben ein bestimmtes Volumen sieden kondensieren gasförmig Gase Die Teilchen sind sehr unregelmäßig angeordnet, der Abstand ist groß, ganz leicht verschiebbar, Abstand größer als bei festen Körpern oder Flüssigkeiten Bewegen sich schneller als bei Flüssigkeiten, bewegen sich frei Kräfte geringer als bei einer Flüssigkeit Unbestimmte Form -> passt sich an Haben ein unbestimmtes Volumen 1.2 Volumen und Masse von Körpern 1.2.1 Das Volumen von Körpern - Volumenbestimmung Bedeutung: Das Volumen eines Körpers gibt an, wie viel Raum ein Körper einnimmt. Formelzeichen: V Gleichung zur Berechnung: Vwürfel = a³ / VQuader = a*b*c Einheiten: 1m³, 1dm³, 1cm³, 1mm³ Messgerät: Lineal Für die Umrechnung zwischen den Einheiten gilt: 1m³= 1000dm³ 1dm³= 1000cm³ 1cm³= 1000mm³ 1m³= 10 hl 1000l 1hl = 1001 11 1dm³ = 1000ml 1 ml = 1cm³ Die Volumenbestimmung von regelmäßig geformten festen Körpern kann durch Berechnung erfolgen. Volumenbestimmung von Flüssigkeiten Erfolgt mit geeigneten Messzylindern und Messbechern. Vermeidung von Fehlerquellen Randkrümmung beachten ● In Augenhöhe ablesen ● Messzylinder auf ebene Fläche stellen. ● Skaleneinteilung beachten Randkrümmung beachten! Volumenbestimmung von unregelmäßig geformten festen Körpern Erfolgt nach zwei Methoden 1. Differenzmethode V1 ohne Körper in ml V2 mit Körper in ml Differenzmethode VKörper = V₂ - V₁ V= V2-V1 in ml und cm ³ umrechnen 2. Überlaufmethode Fehler kann man einteilen in: Persönliche Fehler Umrechnung: 1kg = 1000g 1K+ = 0,2g 1 Pfund = 500g 1dt = 100kg Messgerät: Waage 1.2.2 Die Masse von Körpern Bedeutung: Die Masse gibt an, wie schwer und wie träge ein Körper ist. Formelzeichen: m Einheiten: 1 kg, 1g, 1mg, 1 Pfund, 1t, 1 Zentner, 1dt, 1Karat (K+) Merken: 1g/cm³= 1000kg/m³ 1kg/m³ = 0,001g/cm³ Fehler des Messgerätes 1.3 Die Dichte von Körpern 1.3.1 Die Dichte als physikalische Größe Bedeutung: Die Dichte gibt an, welche Masse jeder cm³3 Volumen eines Stoffes hat. Sie kennzeichnet den Stoff, aus dem ein Körper besteht. (Sie ist eine Stoffkonstante) Formelzeichen: p (rho) Gleichung zur Berechnung: p= m/V Einheiten: 1g/ cm³= 1g * cm-³ 1kg/m³= 1kg m-³ Messgerät: Fehler der Experimentieranordnung ● Flüssigkeit = Aräometer (Dichtemesser) Feste Körper = muss man die Dichte aus Masse und Volumen berechnen Das Aräometer - der Dichtemesser Aufbau: Besteht aus einem beidseitig verschlossenen Glasrohr, dass mit etwas Bleischrott gefüllt ist. Skala Auftriebskörper Senkgewicht Wirkungsweise: Das Aräometer wird in den Behälter mit der Flüssigkeit, dessen Dichte bestimmt werden soll ,,gestellt". Steht das Aräometer nun in der Flüssigkeit, kann man die Dichte an einer Skalar ablesen. Sinkt das Glasrohr tief in die Flüssigkeit, so hat diese eine kleine Dichte, taucht das Aräometer nicht tief ein, so hat die Flüssigkeit eine größere Dichte. 1.3.2 Experimentelle Bestimmung der Dichte Man erhält im (V)m-Diagramm eine Ursprungsgerade, dh. Volumen und Masse verhalten sich proportional zueinander. Die Steigung der Geraden ist ein Ausdruck für die Dichte des Körpers. Je größer die Masse eines Körpers (bei gleichem Volumen) ist, umso größer ist die Dichte des Stoffes. Je kleiner das Volumen eines Körpers (bei gleicher Masse) ist, umso größer ist die Dichte des Stoffes. Je größer die Masse eines Körpers (bei gleicher Dichte) ist, umso größer ist das Volumen des Körpers. 1.4 Die Kraft 1.4.1 Die Kraft als physikalische Größe Bedeutung: Die Kraft gibt an, wie stark zwei Körper aufeinander einwirken. Sie ist eine Wechselwirkungsgröße. Formelzeichen: F Einheit: 1N (1N = 1kg*m/s²); 1kN; 1MN; 1mN Umrechnung: 1kN = 1.000N 1MN 1 000 000N 1mN = 1/1.000N = 0,001N Messgerät: Federkraftmesser Hooksches Gesetz: F ist proportional zu s, wenn D = konstant Federkonstante: D = F/s Der Quotient aus Kraft und Verlängerung ist konstant. Die Federkonstante ist ein Maß für die Härte der Feder. Je größer die Federkonstante ist, umso härter ist die Feder. Federspannkraft: F, = D*s Kräfte kann man Zusammensetzen und Zerlegen. 1.4.2 Arten und Wirkungen von Kräften Federspannkraft (gespannte Feder) Magnetische Kraft (wirkt zwischen Elektromagneten und Körpern aus Eisen) Elektrische Kraft (wirkt zwischen Styroporkugeln und einem Kamm) Gewichtskraft (Körper der von der Erde angezogen wird) Reibungskraft (Kräfte, die die Bewegung hemmen) Zugkraft (Lokomotive setzt Waggons in Bewegung) Windkraft (Rotoren werden durch Wind in Bewegung gesetzt) Wasserkraft (Wasserräder werden durch Wasser in Bewegung gesetzt) Schubkraft (Rakete wird durch Verbrennungsgase, die ausgestoßen werden in Bewegung gesetzt) Auftriebskraft (damit Körper schwimmen können) ● Radialkraft (wirken bei allen rotierenden Maschienenteilen) ● Druckkraft ● ● ● ● ● ● Gravitationskraft Beschleunigungskraft Kräfte kann man nur an seinen Wirkungen erkennen. Bewegungsänderung v. Körpern ● Schließen eines Fußballs Eine Schaukel anstoßen Kreisel drehen 1.4.3 Die Darstellung von Kräften Größe der Kraft Formänderungen v. Körpern Elastische Verformung Plastische Verformung Zerschlagen einer Richtung der Kraft ● Dehnen einer Feder Tafelschwamm drücken Gummi ziehen Angriffspunkt der Kraft Die Kraft ist eine vektorielle Größe. Man kann sie mit einem Vektor darstellen. Gleichung zur Berechnung: Fg=m*g Man nennt g auch Fallbeschleunigung, sie ist vom Ort abhängig. Einheit: 1kg* m/s² = 1N Messgerät: Federkraftmesser gErde (Ortsfaktor) = 9,81 m/s² Fensterscheibe ● Einen Tisch 1.4.4 Die Gewichtskraft Bedeutung: Die Gewichtskraft gibt an, wie stark ein Körper von der Erde angezogen wird bzw. wie stark ein Körper auf einer ruhenden Unterlage drückt oder an einer Aufhängung zieht. Formelzeichen: Fg zerhacken Einen Stift zerbrechen 1.4.5 Reibungskräfte Bedeutung: Wenn Körper aufeinander haften, gleiten oder rollen, tritt Reibung auf. Dabei wirken zwischen den Körpern Kräfte, die als Reibungskräfte bezeichnet werden. Reibungskräftesind immer so gerichtet, dass sie der Bewegung entgegenwirken und diese hemmen oder verhindern. Formelzeichen: FR Gleichung zur Berechnung: FR = μ*FN μ = Reibungszahl Je nach der Art der Bewegung der Körper aufeinander unterscheidet man drei Arten von Reibung: ● FN Normalkraft Gleitreibung liegt vor, wenn ein Körper auf einem anderen gleitet, die Körper also relativ zueinander in Bewegung sind. Bei einer Person, die sich eine Rutsche hinunterbewegt, tritt Gleitreibung auf. Rollreibung liegt vor, wenn ein Körper auf einem anderen abrollt. Bei einem Radfahrer tritt Rollreibung auf. Die Reibungskraft ist abhängig von: Haftreibung liegt vor, wenn ein Körper auf einem anderen haftet, die Körper also relativ zueinander in Ruhe sind. Bei einem mit angezogener Bremse stehenden Auto tritt Haftreibung zwischen Bremse und Rad sowie zwischen Reifen und Straße auf. ● Der Gewichtskraft, mit dem der Körper auf seine Unterlage drückt Der Art der Oberfläche, je rauer die Oberfläche, desto größer die Reibungskraft Haftreibungskraft > Gleitreibungskraft > Rollreibungskraft Die Reibungskraft kann Verringert werden Durch Glätten der Oberfläche, Durch verkleinern der Kraft, mit der ein Körper auf seine Unterlage drückt, Durch ein ,,Luftkissen" Vergrößert werden ● Durch Aufrauen der Oberfläche, Durch vergrößern der Kraft, mit der ein Körper auf seine Unterlage drückt 1.4.6 Newtonsche Axiome 1. Newtonsches Grundgesetz (Aktionsprinzip): F = m*a Wirkt auf einen Körper der Masse m die Kraft F, so erfährt er die Beschleunigung a. Dabei gilt: F = m*a 2. Trägheitsgesetz Ein Körper bleibt in Ruhe oder gleichförmiger geradliniger Bewegung solange die Summe der auf ihn wirkende Kräfte null ist. F=0 → a=0 v= konstant 3. Wechselwirkungsprinzip ...bedeutet, dass Kräfte immer paarweise aufeinander wirken und somit zu jeder Kraft eine Gegenkraft gehört. Die Kräfte sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet. Die Gegenkraft greift immer einen anderen Körper an, als die Kraft selbst. 1.4.7 Zusammensetzen und zerlegen von Kräften - Geneigte Ebene α FG = m.g FH = m.g.sin(a) FN = m.g.cos(a) Eine Kraft (Fg) kann in zwei Teilkräfte (FH, FN) zerlegt werden. Die Hangabtriebskraft verläuft parallel zur geneigten Ebene und die Normalkraft steht senkrecht zur geneigten Ebene. sin(a)= GK/H FH = sin(a)*Fg cos(a) = AK/H → FN = cos(a) *Fg Mit den beiden Gleichungen berechnet man die Teilkräfte. 1.5 Die Bewegung von Körpern - Kinematik Begriff der Bewegung: Unter einer Bewegung versteht man die Änderung der Position (Standort) eines Körpers bezüglich eines anderen Körpers. Bewegungen sind immer relativ. Beispiel: Ein Kind steht auf einer fahrenden Rolltreppe. Bezüglich der Rolltreppe ist das Kind in Ruhe, bezüglich eines anderen Körpers bewegt es sich. Ein Körper ist in Ruhe, wenn er seine Lage gegenüber einem anderen Körper (Bezugskörper) nicht ändert. Man unterscheidet zwischen Bewegungsformen und Bewegungsarten 1.5.1 Bewegungsformen und Bewegungsarten Bewegungsformen Geradlinige Bewegung Körper bewegt sich auf einer geraden Bahn ● Fahrzeuge ● Fall eines Apfels o. einen Lichtstrahl ● Dartpfeil werfen Kreisbewegung Kreisbahn ● Gondel im Riesenrad o. Karussell Zeigerspitze einer Uhr ● Ventil eines Rades Schwingung Hin und her ● Fadenpendel Schiffschaukel Federschwinger bewegt sich hin und. her ● Bewegungsarten Gleichförmige Bewegung Die Geschwindigkeit ist konstant ● ● ● ● Die Luftblase in einem mit Wasser gefüllten Glasrohr Fahrzeug bei gleichbleibender Geschwindigkeit auf einer geraden Strecke ● (Geschwindigkeitsmesser -> ablesen der Momentangeschwindigkeit) Ungleichförmige Bewegung Beschleunigte Bewegung Die Geschwindigkeit nimmt zu ● 1.5.2 Die Geschwindigkeit als physikalische Größe Bedeutung: gibt an, wie schnell bzw. wie langsam sich ein Körper bewegt. Die Geschwindigkeit gibt an, welcher Weg in jeder Sekunde bzw. jeder Stunde zurückgelegt wird. Formelzeichen: v Gleichung zur Berechnung: v = s/t Einheiten: 1m/s; 1km/h; 1km/s; 1cm/s Messgerät: Tachometer/ Tacho Weg-Zeit-Gesetz: s = v*t Geschwindigkeit-Zeit-Gesetz: v=s/t Anfahren eines Fahrzeuges Herabrollen eines Körpers on einer schiefen Ebene Starten einer Rakete Umrechnung: 1m/s = 3,6 km/h 1km/h 1m/3,6s (rund 0,28m/s) Merkhilfe: m/s *3,6 -> km/h km/h: 3,6-> m/s Verzögerte Bewegung 1.5.3 Geradlinige gleichförmige Bewegung Wenn man die Geschwindigkeit eines gleichförmig beschleunigten Körpers in regelmäßigen Zeitabständen misst, so steigt dieser konstant. Merkmale: Im s(t)-Diagramm liegen die Messwerte auf einer Ursprungsgeraden Geschwindigkeit ist konstant (v = konstant) Im v(t)-Diagrammliegen erhält man eine Parallele zur t-Achse Wenn der Körper in gleichen Zeiten gleiche Wege zurücklegt Im a(t)-Diagramm liegt die Gerade auf der t-Achse (a = 0) Die Geschwindigkeit nimmt ab ● Abbremsen eines Fahrzeuges Landes eines Flugzeuges 1.5.4 Geradlinige beschleunigte Bewegung Man erkennt beschleunigte Bewegung daran, dass v zunimmt und a konstant bleibt Bedeutung: Die Beschleunigung gibt an, wie schnell sich der Betrag oder die Richtung der Geschwindigkeit ändert. Formeleichen: a Gleichung zur Berechnung: a=A v/At a = Geschwindigkeitsänderung/Zeitintervall Einheit: 1m/s2 Messgerät: Beschleunigungsmesser Weg-Zeit-Gesetz: s = a/2 *t² Geschwindigkeit-Zeit-Gesetz: v = a*t Merkmale: ● Im s(t)-Diagramm entsteht ein Parabelast (s proportional t², wenn a = konstant) Im v(t)-Diagramm entsteht eine Ursprungsgerade (v proportional t, wenn a = konstant) Im a(t)-Diagramm entsteht eine Gerade, die parallel zur t-Achse verläuft (a = konstant) in gleichen Zeiten werden größere Wege zurückgelegt die Geschwindigkeit nimmt gleichmäßig zu ● ● ● Merke Für gleichmäßig beschleunigte Bewegung ohne Anfangsweg und Anfangsgeschwindigkeit gelten folgende Beziehungen: Weg s = v*t/2 s=v²/2a a = v/t ● Weg-Zeit-Gesetzt: s= a/2 *t² -> s=g/2 *t² ● Geschwindigkeit-Zeit-Gesetz: v= a*t -> v= g*t Beschleunigung: a = konstant -> g = konstant Merke Weg Geschwindigkeit v = 2s/t v = √2a*s 1.5.5 Kreisbewegung und Radialkraft Eine Kreisbewegung liegt vor, wenn sich ein Körper auf einer Kreisbahn bewegt. Die Bahngeschwindigkeit ist stets tangential zur Kreisbahn gerichtet und ändert ständig ihre Richtung. Die Beschleunigung längs der Bahn ist null. Es ist aber eine Beschleunigung in Richtung Kreismittelpunkt vorhanden, damit liegt eine beschleunigte Bewegung vor. 1.5.5 Der freie Fall Definition: ist eine Fallbewegung eines Körpers im Vakuum bzw. bei vernachlässigbarem Luftwiederstand. Er ist eine gleichmäßig beschleunigte geradlinige Bewegung ohne Anfangsgeschwindigkeit und ohne Anfangsweg. Die auftretende Beschleunigung nennt man Fallbeschleunigung. Die mittlere Fallbeschleunigung auf der Erdoberfläche beträgt 9,81m/s². Fallbeschleunigung ist vom Ort (Ortsfaktor) g abhängig. Fallgesetze: wenn man a = g setzt |S=g/2*t² s=v²/2g Beschleunigung a = v/t a = √²/2s Geschwindigkeit v=g*t v = √2g*s Beschleunigung g=v/t g=v²/2s 1.5.6 Zusammengesetzte Bewegungen Führt ein Körper gleichzeitig mehrere Teilbewegungen aus, so überlagern sich diese Bewegungen unabhängig voneinander zu einer resultierenden Gesamtbewegung. Man unterscheidet zwischen: In gleiche Richtung Überlagerung gleichförmiger geradliniger Bewegungen In entgegen- gesetzte Richtung Vges = V1₁-V₂ (V₁>V₂) Vges= V₁+V₂ gleiche Richtung Eine Person läuft in Fahrtrichtung in einem fahrenden Zug. V₁ V V=V₁ + V₂ entgegengesetzte Richtung Eine Person läuft entgegen der Fahrtrichtung in einem fahrenden Zug. Vo VF=g.t Resultierende Geschwindigkeit V = -Vo-g*t Ein Ball wird senkrecht nach unten geworfen V=V₁-V₂ 10 Senkrecht zueinander V₁=g.t Vges = V V₁²+V₂² Satz des Pythagoras V = Vo-g*t Ein Ball wird senkrecht nach oben geworfen Vo im rechten Winkel zueinander Ein Boot fährt senkrecht zur Richtung der Strömung über einen Fluss. V₁ v=√ √ √² + √²/ V₁ in einem beliebigen anderen Winkel a zueinander Ein Flugzeug fliegt unter einem beliebigen Winkel a zur Windrich- tung. Überlagerung einer gleichförmigen geradlinigen Bewegung und einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung Senkrechter Wurf nach Senkrechter Wurf Waagerechter Wurf Schräger Wurf unten nach oben V₂ V Bahnkurve In beliebige Richtung zueinander h Höhe des Abwul SWurfweite |Vges = V V₁²+V₂²-2* V₁ V₂*cos(a) Kosinussatz V = V V₁² + g² *+² Ein Ball wird waagerecht abgeorfen V= √√√² + √² + 2V₁ V₂ · cos a Wurfweite S Bahnkurve v = √ Vo² + g² *+²-2vo*g*t*sina Ein Ball wird senkrecht abgeworfen 1.6 Mechanische Arbeit, Leistung und Energie 1.6.1 Mechanische Arbeit Bedeutung: Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn ein Körper durch eine Kraft bewegt oder verformt wird. Arbeit ist die durch Kraft übertragene Energie. Formelzeichen: W Gleichung zur Berechnung: W = F*S W = AE Jede Arbeit, die verrichtet wird an einem Körper führt zur Änderung der Energie. Einheit: 1Nm (1Nm = 1J) Man unterscheidet zwischen mehreren Mechanischen Arbeiten: Hubarbeit Wird beim Heben eines Körpers v errichtet. W = Fg *h ● Heben eines Körpers Spannarbeit Wird beim Verformen eines Körpers verrichtet. W = ½ FE *S Verformen (Spannen) einer n = Enutz/Eauf n = Wnutz/ Wauf n = Pnutz/ Pauf Beschleunigungsarbeit Wird beim Beschleunigen eines Körpers verrichtet. W = F*S ● Anfahren eines Autos Reibungsarbeit Wird immer verrichtet, wenn Reibung auftritt. W = FR *S Feder Die mechanische Arbeit ist umso größer, je größer die in Wegrichtung wirkende Kraft F, und je größer der Weg s ist. 1.6.2 Mechanische Leistung Bedeutung: Mechanische Leistung gibt an, wie viel Arbeit in jeder Sekunde verrichtet wird. Formelzeichen: Pmech immer kleiner als 1 oder 100% keine Einheit Fahren eines Schiffes Gleichung zur Berechnung: Pmech = W/t Einheit: 1Nm/s = 1W = 1J/s = 1kg*m²/s³ Weitere Einheiten: 1mW; 1kW (1.000W); 1MW (1.000kW) Messgerät: Leistungsmesser Wirkungsgrad Definition: Wirkungsgrad eines Gerätes, einer Anlage oder eines Lebewesens gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie in Nutzbringende umgewandelt wird. Maß für die Energieumwandlung. Formelzeichen: n (eta) Gleichung zur Berechnung: 1.6.3 Energie und Energieerhaltung Bedeutung: Ist die Fähigkeit eines Systems mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszusenden. Formelzeichen: E Einheit: 1J Weitere Einheiten: kJ, MJ (Umrechnung 1.000) Merke: 1J = 1Nm = 1 kg*m²/ s² = 1Ws = 1VAS ● ● Energie ist eine Zustandsgröße dh. Sie kennzeichnet einen Zustand eines abgeschlossenen Systems Energie kann gespeichert werden ● Kann von einem System auf ein anderes System übertragen werden Kann von einer Form in eine andere Form umgewandelt werden Bei allen Prozessen der Umwandlung und Übertragung von Energie gilt der Energieerhaltungssatz: In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energien stet konstant. Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, sondern nur von einer Form in die andere Form umgewandelt werden. Energieformen: Elektrische Energie (Eel) Wärmeenergie (Etherm) Mechanische Energie (Emech) Chemische Energie (Echem) ● Kernenergie (Ekern) Magnetische Energie (Emag) Mechanische Energie kann man unterscheiden in: Potenzielle Energie (Lageenergie) Epot = Fg*h Ein Körper wird auf eine Plattform gehoben Gebogener Stab eines Stabhochspringers ● Gespannte Feder ● ● Espann = 1/2D*s² → gilt für eine gespannte Feder (D = Federkonstante, s = Dehnung/Verlängerung der Feder) Epot Ekin Kinetische Energie (Bewegungsenergie) Ekin = 1/2*m*v² 1.6.4 Energieumwandlung Fadenpendel: Epot Ekin (ideal), sowie Etherm bei Vernachlässigung von Etherm gilt Epot = Ekin = konstant 1 Max. 0 Rollen eines Balles entlang einer geneigten Ebene Fallender Stein Fahrendes Auto 2 nimmt ab nimmt zu 1,5 = Umkehrpunkt 3 Gleichgwichts - Lage 3 0 Max. 4 nimmt zu nimmt ab 5 Max. 0 Vertikaler Federschwinger: Epot Ekin, sowie Etherm Gleichgewichts -lage 145 Energieumwandlung wie beim Fadenpendel Geneigte Ebene: 1. Hubarbeit → Epot in Ekin -> Etherm Achterbahn: -00000 Arbeiten: ● Hubarbeit ● Beschleunigungsarbeit Verschiebungsarbeit (Verformungsarbeit, wenn Sand) a FG Hubarbeit wird verrichtet → Epot → Beschleunigungsarbeit → Ekin → Wiederholung durch Loopings → Reibungsarbeit zum Abbremsen 2. Magnetische Felder 2.1 Wirkungen und Eigenschaften von Magneten Magnete sind Körper, die andere Körper in ihrer Umgebung (Körper aus Eisen, Nickel, Cobalt und Stromdurchflossene Leiter) magnetisch beeinflussen. Beispiele für magnetische Beeinflussung: Anziehung von metallischen Körpern ● Abstoßung zwischen 2 Magneten ● Ausrichtung von kleinen Magnetnadeln ● Ausrichten und Anziehen von Eisenfeilspänen Dauermagnet Besitzt über einen längeren Zeitraum die magnetische Wirkung Scheibenmagnet, Stabmagnet, Hufeisenmagnet Jeder Dauermagnet besitzt 2 Pole (Nord- u. Südpol) Vorteil Elektromagnet: ● Ein und ausschalten Stärke regulieren (Stromstärke, Windungen) Polung ändern Dauermagnete bestehen meist aus Legierung (Barium- u. Eisenoxid, Neodym) und Oxidwerkstoffen. Elektromagnete bestehen meist aus einer Spule mit Eisenkern. Körper, die von Magneten angezogen werden, können magnetisiert werden dh. sie werden selbst zu Magneten. Wenn man mit einem Magnet über einen Nagel (in eine Richtung) streicht wird der vorige noch nicht megnetische Nagel magnetisiert und kann zB. Kleine Büroklammern anziehen. Magnetisierbare Stoffe bestehen aus winzigen Bereichen (Elementarmagnete), die völlig ungeordnet sind. Durch das Streichen des Magneten (in eine Richtung) richten sich die Elementarmagnete aus, sind geordnet und werden selbst zu Magneten. Man unterscheidet zwischen magnetisch harten und magnetisch weichen Werkstoffen: ● Magnetisch weich ● ● ● ● ● Elementarmagnete lassen sich leicht ausrichten Magnetische Wirkung geht leicht verloren Bleibt meist ein geringer Restmagnetismus übrig Elektromagnet Magnetische Wirkung nur wenn durch einen elektrischen Leiter Strom fließt Weicheisen für die Herstellung von Transformatoren, Elektromotoren und Generatoren, Eisenkerne von Elektromagneten Magnete wirken auch durch andere Stoffe hindurch zB. Papier. Sie wirken durch Stoffe hindurch, weil sie von einem magnetischen Feld umgeben werden. Eigenschaften Magnete: Kräfte auf stromdurchflossene Leiter Befindet sich ein gerader stromgeflossener Leiter senkrecht zu den Feldlinien in einem Magnetfeld, so wirkt auf ihn eine Kraft → Lorentzkraft F₁ Magnetisch hart ● Elementarmagnete lassen sich nur unter Einfluss starker Magnete ausrichten ● Magnetische Wirkung hält lange an ● Herstellung von Dauermagneten Die Anziehung ist an den Polen am größten und in der Mitte geringer ● Gleiche Pole stoßen einander ab Ungleiche Pole ziehen einander an Jeder Magnet ist von einem Magnetfeld umgeben Jeder Magnet hat 2 Pole (Nord- und Südpol) O Auch wenn Magnet zerteilt wird hat er 2 Pole (wegen der Elementarmagneten) 2.2 Das magnetische Feld Das magnetische Feld ist der Zustand des Raumes um einen Magneten, indem auf andere Magneten bzw. Körper aus ferromagnetischen Stoffen Kräfte ausgeübt werden. Magnetische Felder sind nur an seinen Wirkungen erkennbar und nachweisbar. Magnetische Felder können dargestellt werden durch Feldlinienbilder. Ein Feldlinienbild ist ein Modell des real existierenden Feldes und macht Aussagen über die Kräfte auf Probekörper zB. Eisenfeilspäne werden angezogen. Feldlinienbild eines Stabmagneten Feldlinienbild eines Hufeisenmagnetes Feldlinienbild der Erde In der Nähe des geografischen Südpols liegt der magnetische Nordpol und in der Nähe des geografischen Nordpols liegt der magnetische Südpol. Stromdurchflossener gerader Leiter: 198 & Feldlinienbild einer Spule: ● Die Richtung der Feldlinien wird durch die Linke-Hand- Regel festgelegt. Linke-Hand-Regel: zeigt der Daumen der linken Hand in Richtung der Elektronen (vom - →+) dann geben die gekrümmten Finger die Richtung der Feldlinie an. Innen: homogenes Feld Außerhalb: inhomogenes Feld Vergleich Dauermagnet und Spule: N ● ● Dauermagnet: keine Stromquelle, Feldlinien ohne Start- und Endpunkt Spule: Stromquelle, Feldlinien geschlossen mit Start- und Endpunkt Aussagen, die man Feldlinien entnehmen kann: Stärke des Feldes (je dichter die Linien, desto stärker das Feld) Art der Ladung Homogen oder inhomogen Grenze des Modells: Den Raum darstellen (der gesamte Raum kann nur in eine Ebene projiziert werden -> verebnet) Die exakte Angabe oder Stärke ist nicht möglich -> nur qualitative Angabe (an Polen stärker, Mitte schwächer) Magnetfeld existiert auch zwischen den Feldlinien 3. Elektrizitätslehre Durch inniges Berühren bzw. reiben zweier Körper aneinander entstehen elektrisch geladene Körper, weil Elektronen von dem einen Körper auf den anderen übergehen. Elektronenüberschuss kann man mit dem Elektronenmesser nachweisen. 3.1 Das elektrische Feld Def: Ein elektrisches Feld existiert im Raum um elektrisch geladene Körper, in dem auf andere elektrisch geladene Körper Kräfte ausgeübt werden. Gleichartig geladene Körper stoßen sich ab, ungleich geladene Körper ziehen sich an. Merkmale: ● ● das elektrische Feld existiert real das elektrische Feld speichert Energie es lässt sich mit Feldlinien veranschaulichen →Feldlinienbild: Modell des real existierenden Feldes * positiv Radialfeld inhomogen * 3.1.1 Vergleich Elektrisches und Magnetisches Feld Elektrisches Feld Existiert um elektrisch geladene Körper -> ruhende Ladung Kann mithilfe von Feldlinienbildern (Modell) beschrieben werden Die Feldlinien beginnen und enden an Ladungen Vom + zum - Pol Die elektrische Feldstärke kann mit einem Feldstärkemesser gemessen werden negativ Magnetisches Feld Existiert um: Dauermagneten, stromdurchflossene Leiter und Spulen -> bewegte Ladung bei stromdurchflossen Leiter und Spulen Kann mithilfe von Feldlinienbildern (Modell) beschrieben werden Die Feldlinien sind geschlossene Linien Vom Nord- zum Südpol Die magnetische Feldstärke kann man mit Teslameter messen 3.2 Der elektrische Strom Wärmewirkung, Lichtwirkung, chemische Wirkung, magnetische Wirkung Der elektrische Strom ist nicht sichtbar, man erkennt ihn an seinen Wirkungen. Metall ohne elektrisches Feld homogen freibewegliche Elektronen Metall mit elektrischem Feld G/U U G U U U Elektronen bewegen sich gerichtet vom -pol zum +pol, weil gleiche Ladungen sich abstoßen und vom +pol angezogen werden. Auf diesem Weg stoßen sie mit den positiven Metallionen zusammen und werden behindert. Voraussetzungen: ● elektrisches Feld und wanderungsfähige Elektronen geschlossener Stromkreis 3.2.1 Elektrische Stromstärke, Spannung & Wiederstand Physikalische Bedeutung Formelzeichen Einheit/ weitere Einheiten Gleichung zur Berechnung Messgeräte Schaltungsart Stromstärke: I Windungszahl: N Länge der Spule: I Stoffkonstante: μr Elektrische Stromstärke Wie viele Elektronen in einer Sekunde durch den Leiter fließen (Anzahl der Elektronen) I 1A mA I=U/R I = Q/t Amperemeter A unverzweigter Stromkreis U=U₁+U₂ 1 = 1₁ = 1₂ RL in Reihe Elektrische Spannung wie schnell die Elektronen durch den Leiter fließen (Antrieb der Elektronen) U 1V mV, kV, MV U=I*R U = W/Q Voltmeter RL Parallel Elektrischer Widerstand Gibt an wie stark die Elektronen behindert werden R 1Ω Μ Ω, ΜΩ R=U/I Ohmmeter R R Reihenschaltung Parallelschaltung gesamt R ist immer größer als der größte Teilwiderstand μr von speziellen Legierungen, sowie Eisen, Nickel, Cobalt sind ein Vielfaches von 1. Man unterscheidet unverzweigten und verzweigten Stromkreis. verzweigter Stromkreis U = U₁ = U₂ 1 = 1₁ + 1₂ gesamt R ist immer kleiner als der kleinste Teilwiderstand. 3.3 Elektrische Energie Die elektrische Energie ist die Fähigkeit des elektrischen Stromes, mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszusenden. Formelzeichen: Eel Einheiten: Die in einem Stromkreis oder einem Bauteil umgewandelte elektrische Energie ist umso größer, je größer die elektrische Spannung ist, je größer die elektrische Stromstärke ist und je länger der Strom fließt. Die in einem Stromkreis oder einem Bauteil umgewandelte elektrische Energie kann unter der Bedingung U = konstant und /= konstant mit der folgenden Gleichung berechnet werden: Eel = U*1*t 3.3.1 Gleichstrommotor Definition ● Anwendung Ein Gleichstrommotor dient der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie, mit der mechanische Arbeit verrichtet wird. Dabei wird eine Drehbewegung erzeugt, die man zum Antrieb von Geräten und Anlagen verwendet. ● Motoren mit unter einem Watt Leistung → Feinwerktechnik z.B Ferngesteuerte Autos ● Industrie: Werkzeugmaschinen, Förderanlagen und Walzstraßen Fahrmotoren in Nahverkehrsbahnen ein Joule (1J) eine Wattsekunde (1 Ws) Physikalische Grundlagen ● Kraftwirkungen Aufbau Kra wirkt auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Lorenzkraft= auf Elektronen, die sich im Magnetfeld bewegen, wirkt eine Kraft Abstoßungs- und Anziehungskräfte im Magnetfeld Kommutator Bürsten Anschlussklemme Rotor (Anker) Anschlussklemme Stator (Magnet) Wirkungsweise ● Feldmagnet->magnetisches Feld Elektromagnet drehbar gelagert Kohlebürsten Schleifkontakte->Anker an Stromquelle angeschlossen->Anker magnetisch Abstoßende, anziehende Kräfte zwischen Magnetpolen->Drehbewegung Anker Ungleiche Magnetpole->Kollektor Umpolung 4 Elektromagnetische Induktion 4.1 Das Induktionsgesetz In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert. In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich das von ihr umfasste Magnetfeld ändert. Die Induktionsspanne hängt von der Schnelligkeit und Stärke dieser Änderung, sowie vom Bau der Spule ab. Die induzierte Spannung ist umso größer, je stärker, schneller sich das Magnetfeld ändert je größer die Windungszahl der Spule ist ● wenn die Spule einen Eisenkern hat ● OC Induktion im zeitlich konstanten Magnetfeld Wird eine Leiterschleife (Spule mit 1 Windung) bewegt, so wird eine Spannung induziert und damit ein Strom hervorgerufen (Induktionsstrom) Der Induktionsstrom ist so gerichtet, dass er eine Kraft entgegen der Bewegungsrichtung hervorruft Spannungsquelle Es wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt Anwendung: Wechselstromgenerator Leiter Dauermagnet 4.2 Anwendung zur elektromagnetischen Induktion Für Induktionsvorgänge gilt, wie für alle anderen Vorgänge der Energieerhaltungssatz. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen 2 Fällen: Spule Induktion im zeitlich veränderlichen Magnetfeld Verändert sich die magnetische Flussdichte, so wird eine Spannung induziert und damit Einstrom hervorgerufen Der Induktionsstrom ist so gerichtet, dass er ein Magnetfeld hervorruft, dass der Verstärkung des magnetischen Flusses entgegen wirkt Es wird Energie des magnetischen Feldes in elektrische Energie umgewandelt Anwendung: Transformator 4.2.1 Der Wechselstromgenerator Verwendungszweck: dient zur Erzeugung von Wechselspannungen und Wechselströmen Physikalische Grundlage: elektromagnetische Induktion, Induktionsgesetz, Bewegungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt Aufbau: ● 1 Rotor (Elektromagnet oder Leiterschleife) Stator (Dauermagneten oder Induktionsspule) ● Schleifringe Wirkungsweise: Es entsteht eine sinusförmige Wechselspannung. Sie kann in einem Spannungs-Zeit-Diagramm dargestellt werden (u(t)-Diagramm). Spannung Fr Gleichspannung an Kohlebürsten ● Strom über Schleifringe durch Rotor O Rotor wird Elektromagnet 4.2.2 Der Transformator Primär- spule Zeit N₁ N₂ Sekundär- spule Induktions- spulen • U₂ Antriebsachse 37 ● Bewegungsenergie hinzugeführt Durch Rotation wird Magnetfeld schwächer und dann wieder stärker O Entstehen ständige Änderungen im Magnetfeld der Spulen Spannung wird induziert Bewegungs- bzw. mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt (teil in Wärme umgewandelt) Schleifringe und -bürsten Gleichstrom für Magnetfeld Wechselspannung Rotor geschlossener Eisenkern Um die thermische Energie zu verringern verwendet man geblätterte Eisenkerne (Dynamobleche). elektr. Energie Idealer Transformator: ist praktisch nicht realisierbar, weil keine Energieverluste auftreten (keine Wärmeenergie). Realer Transformator: Die Energie vom Primärstromkreis zum Teil im Sekundärstromkreis in Wärme umgewandelt. Man verringert durch den geblätterten Eisenkern Wirbelströme. Sie sind beim Transformator unerwünscht, ebenso beim Wechselstromgenerator. Wirbelströme: Bei Bewegung eines leitenden Materials in einem inhomogenen Magnetfeld beschleunigt die Lorentzkraft die Ladungsträger zu einem Strom senkrecht zur Richtung von Feld und Geschwindigkeit. Zum Ladungsausgleich fließt der Strom im Magnetfeld freien Raum wieder zurück. Lorentzkraft: Ein stromdurchflossener Leiter erfährt im Magnetfeld eine Kraft (sofern die Stromrichtung nicht parallel zur Feldrichtung ist). Die Richtung dieser Kraft kannst du mit der UVW-Regel der rechten Hand ermitteln. UVW-Regel U (Ursache) → Daumen zeugt die Richtung der Elektronen an (-→+) V (Vermittlung) → Zeigefinger gibt die Richtung des Magnetfeldes an (N → S) W (Wirkung) → Mittelfinger zeigt die Richtung der Kraft an ➡ Gilt für die linke Hand Lenzsches Gesetz Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt Anwendung: Wirbelstrombremse Verzögertes Anwachsen des Stromes in Spulen zB. Trosselspule, Leuchtstofflampe Gesetz der Spannungsübersetzung: N₁/N₂ = U₁/U2 Selbstinduktion - Lenzsches Gestz Die Erscheinung, dass in einer Felderzeugenden Spule selbst eine Spannung und ein Strom (Induktionsstrom) induziert wird, bezeichnet man als Selbstinduktion. Nach dem lenzschen Gesetz ist die Induktionsspannung so gerichtet, dass er beim Einschalten dem ursprünglichem Strom entgegen wirkt und das Anwachsen der Stromstärke verzögert. Klingel Elektrische Klingel Korb Schalter Stromquelle Spule & Eisenkern- schwingungsfähiger Klangkörper Der Lautsprecher Sicke Membran Schwingspule Abdeckkappe Spinne Magnet Kontakt Anker Klöppel Bedingung: unbelasteter Transformator (Leerlauf → kein Strom in Sekundärstromkreis Polplatten Definition: Die Klingel ist ein akustisches Signalgerät dessen Aufgabe es ist Aufmerksamkeit zu eregen. Physikalische Grundlage: ● Basiert darauf, dass sich ungleiche Pole anziehen Schwingung die Schwingung durch einen schwinungsfähigen Klangkörper und einen so genannten Klöppel Kraftwirkung: Es besteht eine einzige Kraftwirkung und diese ist die magnetische Wirkung die durch einen Elektromagnet, der einen ferromagnetischen Stoff anzieht, entsteht Definition: ist ein Gerät, das akustische Signale (in der Form von elektrischen Impulsen) in Töne umwandelt und wiedergibt. ● Physikalische Grundlage: Basiert auf der magnetischen Wirkung einer stromdurchflossenen Spule Schwingung die Schwingung durch einen schwinungsfähigen Klangkörper 5 Optik 5.1 Ausbreitung, Reflexion und Brechung des Lichts 5.1.1 Ausbreitung von Licht Licht breitet sich von einer Lichtquelle: ● ● Allseitig Mit großer Geschwindigkeit (v = c = 300 000 km/s) aus. Der Weg des Lichts kann durch Lichtstrahlen veranschaulicht werden. ● Geradlinig Man unterscheidet zwischen natürlichen und künstlichen Lichtquellen. Natürliche ● Sonne ● Lava (glühend) ● Sterne Feuer Blitze ● Lampe 1 Lampe 2 Hindernis A Schattenraum B hell Halbschatten Kernschatten Halbschatten hell Künstliche Glühlampe ● Leuchtstab ● ● ● Lampe Kerzen Neonröhre Lichtquellen sind Körper, die selbst Licht erzeugen. Körper, die Licht reflektieren nennt man beleuchtete Körper. Beleuchtete Körper können lichtdurchlässig (durchsichtig oder durchscheinend) und lichtundurchlässig (undurchsichtig) sein. Mithilfe der Schattenbildung kann man Sonnen- und Mondfinsternis erklären. 5.1.2 Reflexion des Lichtes Fällt Licht auf glatte Flächen bzw. auf Spiegel, so wird es reflektiert. Lot Einfallender Lichtstrahl Spiegel Bei der Reflexion auf dem Spiegel ist der Einfallswinkel genauso groß wie der Reflexionswinkel. Reflexionsgesetz: a = a' Bedingung: Einfallender Strahl, Einfallslot und Reflexionsstrahl liegen in einer Ebene. 5.1.3 Brechung des Lichtes Lichtstrahl Stoff 1 Stoff 2 Brechungswinkel a Reflektierter Lichtstrahl Einfallswinkel Einfallslot senkrechte auf Grenzfläche gebrochener Lichtstrahl Bei der Berechnung von Licht in einem optisch dichteren Medium (Stoff 2), so ist der Einfallswinkel -5°. Gesetz: ß = a -5° Bei der Berechnung von Licht in einem optisch dünneren Medium (Stoff 1), so ist der Berechnungswinkel gleich der doppelte Einfallswinkel. Gesetz: ß = a*2