9. Klasse

224
Grundwissen Physik
Jahrgangsstufe 9
S
1 Feld eines Stabmagneten
2 Linke-Faust-Regel
F
3 Linke-Hand-Regel
4 Elektromotor
N
Feldlinie
Elektronenbewegung
ElektronenbewegungMagnetfeldlinien
Polwender
N
Kraft
U ind
Magnetfelder Das Magnetfeld eines Magneten oder eines stromführenden
Drahts bewirkt, dass andere Magnete und Körper aus Eisen (Nickel,
Cobalt) in ihrer Umgebung eine magnetische Kraft erfahren. ↑1 ↑2
Feldlinien sind eine Modellvorstellung, um Felder zu veranschaulichen und
ihre Kraftwirkun gen zu beschreiben. Durch jeden Punkt in der Umgebung
eines Magneten (geladenen Gegenstands, Körpers mit Masse) kann man
sich eine Feldlinie vorstellen. Feldlinien schneiden sich nie. Je größer die
Kräfte in einem Feldbereich sind, desto dichter zeichnen wir die Feldlinien.
Magnetfelder können Energie speichern und wieder abgeben.
Magnetische Kräfte auf elektrische Ströme Auf stromführende Drähte
wirken in Magnetfeldern Kräfte. Diese Kräfte sind umso größer, je größer
die Stromstärke ist, je stärker das Magnetfeld ist, je länger das Drahtstück
im Feld ist und je näher der Winkel zwischen Feldlinien und Draht an 90°
liegt. Die Kraftrichtung auf einen stromführenden Draht (senkrecht zu den
Magnetfeldlinien) wird durch die „Linke-Hand-Regel“ beschrieben. ↑3
Im Elektromotor wird eine stromführende Spule durch die magnetischen
Kräfte gedreht. ↑4
Die Lorentzkraft wirkt auf bewegte geladene Teilchen im Feld eines Magneten.
Elektronen, die sich senkrecht zu den Feldlinien bewegen, werden
gemäß der „Linke-Hand-Regel“ abgelenkt.
Induktion Während sich die Anzahl der gezeichneten Magnetfeldlinien
ändert, die die Querschnittsfläche von Drahtwindungen durchsetzen, tritt
zwischen den Drahtenden eine Induktionsspannung auf (Induktionsgesetz).
↑6 Je rascher die Änderung erfolgt, desto größer ist die Induktionsspannung.
Im Generator werden eine Spule und ein Magnet so gegeneinander bewegt,
dass durch Induktion eine Wechselspannung entsteht. ↑7 In einem
angeschlossenen Stromkreis entsteht dadurch Wechselstrom.
Beim Transformator ruft der Wechselstrom in der Primärspule ein magnetisches
Wechselfeld im Eisenkern hervor, das seinerseits eine Wechselspannung
an der Sekundärspule bewirkt. ↑8 An der Spule mit größerer
Windungszahl liegt auch die größere Spannung. In der Spule mit kleinerer
Windungszahl fließt der größere Strom.
Die Stromstärke in Fernleitungen wird durch Hochtransformieren der Spannung
verringert. Dadurch sinkt die Verlustleistung P = R · I 2 der Leitungen.
Induktionsströme sind immer so gerichtet, dass sie der Induktionsursache
entgegenwirken (Regel von Lenz).
U p = 20V~
N p = 200
5 Induktion (Beispiel) 6 Generator 7 Transformator
U s = 40V~
N s = 400

Jahrgangsstufe 9
Bewegungsabläufe in Diagrammen Die grundlegenden Informatio nen
über die geradlinige Bewegung eines Gegenstands lassen sich in einem
Zeit-Ort-Diagramm (t-x-Diagramm) und in einem Zeit-Geschwindigkeit-
Diagramm (t-v-Diagramm) darstellen. Der Verlauf der Graphen gibt Aufschluss
über die Bewegung. ↑8
8
Diagramm Verlauf des Graphen Tatsächliche Bewegung
Zeit-Ort
x in
cm
40
20
0 1,0 2,0 3,0
–20
t in s
Zeit-Geschwindigkeit
v in
1,0
m s
0
–1,0
1,0
2,0 3,0 t in s
horizontal
geradlinig ansteigend
geradlinig abfallend
immer steiler ansteigend
immer flacher ansteigend
v positiv
horizontal
geradlinig ansteigend
geradlinig abfallend
immer steiler ansteigend
immer flacher ansteigend
v negativ
Bewegungsfunktionen Bewegungsverläufe lassen sich mathematisch
durch Zeit-Ort- und Zeit-Geschwindigkeit-Funktionen beschreiben. Die Tabelle
↑2 zeigt Beispiele, bei denen davon ausgegangen wird, dass sich der
bewegte Gegenstand zu Beginn der Beobachtung im Ursprung befindet.↑9
9
Bewegung mit konstanter
Geschwin digkeit v 0
Bewegung mit konstanter
Beschleunigung a aus der Ruhe heraus
Gegenstand bewegt sich nicht.
Gegenstand bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit
nach vorn.
Je steiler der Graph ansteigt, desto schneller bewegt
sich der Gegenstand.
Gegenstand bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit
zurück.
Gegenstand wird beschleunigt.
Gegenstand wird abgebremst.
Vorwärtsbewegung
Gegenstand bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit.
Gegenstand wird mit konstanter Beschleunigung
schneller.
Gegenstand wird mit konstanter Beschleunigung
abgebremst.
Gegenstand wird schneller, Beschleunigung nimmt zu.
Gegenstand wird schneller, Beschleunigung nimmt ab.
Rückwärtsbewegung
Freier Fall
x(t) = v0 · t v(t) = v0 x(t) = 1 _ a · t 2 2 v(t) = a · t h(t) = – 1 _ g · t 2 2 v(t) = –g · t
x
t
v
v 0
t
x
t
v
t
h
t
v
t
225

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Grundwissen Physik
10 –14 m
10 –10 m
Atomhülle: Elektronen
Atomkern: Protonen und Neutronen
1 Größenordnungen im Atom (nicht
maßstäblich)
Aufbau der Atome Der Radius von Atomen liegt bei einem Zehnmillionstel
eines Millimeters: r Atom = 1 · 10 –10 m = 0,1 nm. ↑1
Der Radius des Atomkerns ist noch viel kleiner. Er beträgt nur ein Zehntausendstel
des Atomradius: r Kern = 1 · 10 –14 m.
Atomkerne bestehen aus Protonen (jeweils Ladung +e) und ungeladenen
Neutronen. ↑2 Proton und Neutron sind jeweils rund 1800-mal so schwer
wie ein Elektron. Im Atomkern gibt es genauso viele Protonen wie Elektronen
in der Atomhülle: Das Atom ist nach außen hin elektrisch neutral.
Die Atome eines Elements haben stets die gleiche Protonenzahl (Ordnungszahl)
und die gleichen chemischen Eigenschaften. Sie können sich in der
Anzahl ihrer Neutronen unterscheiden (Isotope). ↑3
7 Protonen
7 Neutronen
14 Kernbausteine
Massenzahl
Anzahl der Protonen
und Neutronen
14 7 N
Ordnungszahl
Anzahl der Protonen
2 3
7 Protonen
8 Neutronen
15 Kernbausteine
15 7 N
Aufnahme und Abgabe von Energie Leuchtende Körper können kontinuierliche
Spektren oder Linienspektren aufweisen. ↑4 ↑5
4 Kontinuierliches Spektrum 5 Linienspektrum
Die Linienspektren geben Hinweise auf die chemische Zusammensetzung
der Lichtquelle. Wir führen sie darauf zurück, dass die Elektronen der
Atomhüllen nur diskrete Energie niveaus annehmen können – Zwischenwerte
sind nicht möglich. ↑6 ↑7 Damit ein Hüllenelektron von einem Energieniveau
auf ein anderes gelangt, muss es eine Energieportion aufnehmen
oder abgeben, die genauso groß ist wie die Differenz zwischen den beiden
Energieniveaus. Die bei Übergängen abgegebenen einzelnen Energieportionen
bezeichnen wir als Photonen. Die Energie von Photonen des Lichts
liegt im Elektronvoltbereich: Am roten Rand des Spektrums ist sie am geringsten,
am violetten Rand am größten.
∆E
E zu = ∆E
E
„angeregte“ } Niveaus
Grundniveau
6 Diskrete Energieaufnahme 7 Diskrete Energieabgabe
∆E
E
Photon
E Photon = ∆E

Jahrgangsstufe 9
Strahlung radioaktiver Körper Sie erreicht uns überall und ständig aus
Boden, Wasser, Luft und aus dem Weltraum (Nulleffekt). Ihre Ionisationsfähigkeit
wird genutzt, um die Strahlung nachzuweisen. ↑8 Wir unterscheiden
a-, b- und g-Strahlung. ↑9
Für ein einzelnes Atom lässt sich nicht vorhersagen, wann es zerfällt. Für
den Zerfall sehr vieler radioaktiver Atome gilt dagegen, dass die Aktivität
in immer der gleichen Zeitspanne jeweils um die Hälfte abnimmt. ↑10 Die
Halbwertszeit ist von Stoff zu Stoff verschieden.
Art (Ladung)
Geschwindigkeit
Wirkung
Abschirmung
Entstehung
9
Kernspaltung
235
92 U
1
0 n
∆E = (m vor − m nach ) ∙ c 2
89
36 Kr
144
56 Ba
3
1 H
2
1 H
Kernfusion
∆E ∆E
3 n
1
0
vorher nachher vorher nachher
4
2 He
1
0 n
10
8
6
2
1 H
3
1 H
4 kV
+−
a-Strahlung b-Strahlung g-Strahlung
Heliumkerne (2 e)
15 000 bis 30 000 km __
s
stark ionisierend
Papier, Luftschicht (> 8 cm)
Kernzerfall
Elektronen (–e)
bis 99 % der Lichtgeschwindigkeit
weniger stark ionisierend
Aluminiumblech (> 5 mm)
Neutronenzerfall im Kern
Wegen ihrer ionisierenden Wirkung ruft die Strahlung Veränderungen in den
Körperzellen des Menschen hervor. Wenn die Schäden nicht durch das körpereigene
Reparatursystem beseitigt werden, können Krebserkrankungen
auftreten oder Erbschäden bei den Nachkommen. Die schädigende Wirkung
hängt von der Äquivalentdosis („absorbierte Energie pro Kilogramm mal
Bewertungsfaktor“) und der zeitlichen Verteilung der Bestrahlung ab.
Kernumwandlungen Bei einer Kernspaltung wird ein Atomkern z. B.
durch Neutronenbeschuss in zwei (oder mehr) Trümmerkerne sowie in einige
sehr energiereiche Neutronen zerlegt. ↑11
Bei einer Kernfusion verschmelzen zwei sehr leichte Atomkerne zu einem
schwereren Kern. Dabei wird Energie abgegeben.
Bei Kernumwandlungen nimmt die (kinetische) Energie insgesamt zu, die
Gesamtmasse der Teilchen nimmt ab: E nach – E vor = (m vor – m nach ) · c 2 . ↑12
Ener gie und Masse können also in diesem Zusammenhang als gleichwertig
angesehen werden (Äquivalenz von Energie und Masse).
Beim Aufbau eines Atomkerns aus Protonen und Neutronen wird Bindungsenergie
abgegeben. ↑13 Die Energiefreisetzung ist mit einer Massenabnahme
verbunden (Massendefekt). Wie groß die (mittlere) Bindungsenergie
pro Kernbaustein ist, ist für jedes Isotop verschieden.
Bei der Fusion leichter Kerne und der Spaltung schwerer Kerne lässt sich
Energie gewinnen, wenn die Bindungsenergien pro Kernbaustein für die
Endkerne größer sind als für die Anfangskerne.
E in MeV
Emax
4 He
2
56 Fe
26
8 Nachweis durch Ionisierung
Aktivität
10 Halbwertszeit
89 Kr
36
Deuteriumkern
5
2 He
Tritiumkern
Elektrode
radioaktives
Präparat
1–2 mm
Photonen (0)
Lichtgeschwindigkeit
schwach ionisierend
dicke Bleiplatte
Energieübergang im Kern
Halbwertszeit
11 Kernspaltung und -fusion
Heliumkern
4
2 He
+ Energie
144 Ba
56 235 U
92
Zeit
1
0 n
4 3
1H
2 2
1H
0
0 50 100 150 200 250 A
12 Masse-Energie-Äquivalenz bei Kernumwandlungen 13 Mittlere Bindungsenergie pro Kernbaustein
1
0n
235
92U
144
56Ba
+ Energie
1
0n3
89
36Kr
227