Physik Grundwissen, nur Jahrgangsstufe 9 - Finsterwalder ...

Grundwissen Physik Klasse 9erstellt am Finsterwalder-Gymnasium Rosenheim auf Basis eines Grundwissenskatalogs des Klenze-Gymnasiums MünchenElektrikMagnetisches FeldIn der Umgebung eines Dauermagneten oder eines stromdurchflossen Leiters existiert ein magnetischesFeld.• Es wirken Kräfte auf ferromagnetische Stoffe, andere Magnete und stromdurchflossene Leiter.• Modell: Feldlinienbilder mit folgenden Eigenschaften:Feldlinien verlaufen vom Nord- zum Südpol, sie sind nichtunterbrochen und sie kreuzen sich nie. Magnetnadeln richtensich in Richtung der Feldlinien aus.Magnetfeld eines Stabmagneten:siehe Abbildung rechtsMagnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters: Rechte-Hand-RegelZeigt der Daumen in die technische Stromrichtung, geben die gekrümmten Finger derrechten Hand die Richtung der kreisförmigen Magnetfeldlinien um den Leiter an.Magnetfeld einer stromdurchflossenen SpuleMit zunehmender Windungszahl und zunehmender Stromstärke nimmt die Stärkedes Magnetfelds der Spule zu.Elektrisches FeldIn der Umgebung elektrisch geladener Körper wirkt ein elektrisches Feld:• Es wirken Kräfte auf elektrisch geladene Körper.• Modell: Feldlinienbilder mit folgenden Eigenschaften:Feldlinien verlaufen vom Pluspol (+) zum Minuspol (–), sie sind nicht unterbrochen und sie kreuzensich nie. Sie geben die Richtung der Kraft auf einen positiv geladenen Körper an.Typische elektrische Felderungleichnamigen Ladungen(Dipolfeld)Kondensatorplatten(homogenes Feld im Inneren)Frei bewegliche Ladungsträger werden durch el. Kräfte beschleunigt:Geschwindigkeitszunahme, Ablenkung (siehe Bild)Anwendungen: Oszilloskop, TeilchenbeschleunigerGrundwissen Physik, Klasse 9, Stand 26.5.2013 Seite 12

Elektromagnetische InduktionInduktionsgesetzZwischen den Enden eines geraden Leiters wird eine Spannung induziert, wenn sich der Leiter senkrechtzu einem Magnetfeld bewegt.Allgemein: Zwischen den Enden einer Spule wird Spannung induziert, wenn sich das von ihr umfassteMagnetfeld ändert.Dies kann geschehen1. durch Änderung der Stärke des Magnetfelds, das die Windungsebenen der Induktionsspule durchsetzt,z. B. durch Änderung der Stromstärke in der Feldspule, oder2. durch Relativbewegung von Feldspule bzw. Magneten und Induktionsspule, bzw. durch Änderungdes Winkels zwischen Spulenachse und Feldlinienrichtung.Die Stärke der induzierten Spannung ist umso größer, jeschneller und je stärker die Änderung des von der Spuleumfassten Magnetfelds erfolgt und je größer die Windungszahlund die Querschnittsfläche der Spule sind und wennein Eisenkern verwendet wird.Wenn der Stromkreis mit der Induktionsspule geschlossenist, fließt ein Induktionsstrom.FeldspuleU indInduktionsspule+ Pol entstehtam LeiterendeLeiterbewegungSSNSInduktionsstrom I indF L– Pol entstehtam LeiterendeBewegt man nämlich einen Leiter senkrecht zur Magnetfeldrichtung,wirkt auf die Elektronen im Leitereine Lorentzkraft in Richtung des Leiters, so dass eszu einer Ladungsverschiebung innerhalb des Leiterskommt. Zwischen den Enden des Leiters entsteht eineInduktionsspannung.Die Richtung der Kraft auf die Elektronen ergibt sichaus der Drei-Finger-Regel der rechten Hand.1. Anwendung zur Induktion: Der GeneratorDrehrichtungBeim Generator rotiert eine Leiterschleifebzw. eine Spule (Rotor) imhomogenen Magnetfeld, wodurch zwischenderen Enden eine sinusförmigeWechselspannung erzeugt wird.NF LSvMS– Pol en t steht+Pol entstehtDie Polarität an einem bestimmten Leiterende (z.B. schwarz) wechseltnach jeder halben Umdrehung.Grundwissen Physik, Klasse 9, Stand 26.5.2013 Seite 14

Verwendet man einen Kommutator (Polwender),wird die Polung an einem festenLeiterende beibehalten und man erhält einepulsierende Gleichspannung.Generatorprinzip: (Umkehrung des elektromotorischen Prinzips)Beim Generator wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.2. Anwendung zur Induktion: Der TransformatorEin Transformator besteht aus zwei Spulen meist unterschiedlicherWindungszahlen, die sich auf einem geschlossenen Eisenkern befinden.An die Primärspule wird eine Wechselspannung U 1 angelegt.Dadurch wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das in der Sekundärspuleeine Induktionsspannung U 2 hervorruft.Im Idealfall wird die gesamte primärseitig eingespeiste Energie vollständigan die Sekundärseite übertragen (idealer Transformator mit100% Wirkungsgrad).EisenkernU1U2Primärspule SekundärspuleBeim unbelasteten, idealen Transformator gilt:Die Spannungen U 1 und U 2 verhalten sich wie die Windungszahlen N 1 und N 2:Beim belasteten, idealen Transformator gilt:U 1U 2= N 1N 2Die Stromstärken I 1 und I 2 verhalten sich umgekehrt wie die Windungszahlen N 1 und N 2:I 1I 2= N 2N 1Anwendung:Transformation von Spannungen im Stromverbundnetz und in Netzteilen, Hochstrom-Schweißen.Regel von LenzDer Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt.Durch den Induktionsstrom im Magnetfeld wirkt wiederumeine Lorentzkraft auf den Leiter, deren Richtung mit derDrei-Finger-Regel ermittelt werden kann. Die Lorentzkraftwirkt der Bewegungsrichtung des Leiters entgegen.techn. Stromr.des InduktionsstromsMagnetfeldrichtungKraftrichtung (in dieZeichenebene)ElektronenbewegungLeiterbewegung (ausder Zeichenebene)Anwendung:Spannungen werden nicht nur in Spulen, sondern auch in zusammenhängenden Metallteilen induziert.Die dabei entstehenden Ströme nennt man Wirbelströme.Diese können erwünscht (z.B. bei Wirbelstrombremsen, Induktionsherd) oder auch unerwünscht sein(z.B. bei Eisenkernen von Transformatoren → Abhilfe: einzelne elektr. isolierte Transformatorbleche).Grundwissen Physik, Klasse 9, Stand 26.5.2013 Seite 15

Atom- und KernphysikAufbau der AtomeAtome bestehen aus einer negativ geladenen Atomhülle mit Elektronen sowie einem positiv geladenenAtomkern mit Protonen und Neutronen. Protonen und Neutronen bezeichnet man als Nukleonen.Massenzahl A(Anzahl der Nukleonen)Kernladungszahl Z(Anzahl der Protonen,Ordnungszahl)235U 92Elementsymbol(aus Periodensystemoder Tabellen)Massenzahl =Protonenzahl + NeutronenzahlA = Z + NIm ungeladenen Atom ist die Anzahlder Elektronen gleich derAnzahl der Protonen.Da mit dem Elementsymbol bereits Z feststeht, ist auch die alternative Schreibweise z.B. U-235 gebräuchlich.Spezialfälle: Proton: 1 1 p , Neutron: 0 1 n , Elektron: −1 0 e , Positron: +1 0 eNuklide und IsotopeDie durch Massenzahl und Kernladungszahl charakterisierten Atomkerne werden als Nuklide bezeichnet(nucleus, lat. Kern).Atome mit gleicher Protonenzahl (d.h. Atome eines bestimmten chemischen Elements), aber unterschiedlicherAnzahl von Neutronen werden als Isotope bezeichnet.Z.B. Isotope des Wasserstoffs: Wasserstoff Deuterium Tritium11H2 1 H3 1HInnere Struktur und Größenverhältnisse atomarer Bausteine1010 − m10 −14m10 −18mStruktur und Größenverhältnisse von Atomen hat man durch experimentelle Untersuchungen (z.B. Ölfleckversuch,Streuversuch von Rutherford) festgestellt.In Teilchenbeschleunigern werden Teilchen auf hohe Energien beschleunigt und mit Stoffen oder anderenhochenergetischen Teilchen zur Kollision gebracht. Damit konnte z.B. der Aufbau von Protonenund Neutronen aus Quarks erforscht werden. Viele weitere Elementarteilchen wurden entdeckt.2 2 12 1 1+ e + e − e = 1e+ e − e − e = 03 3 33 3 3Grundwissen Physik, Klasse 9, Stand 26.5.2013 Seite 16

Aufnahme und Abgabe von EnergieDie Spektren leuchtender Körper können einen kontinuierlichen Farbverlauf oder einzelne farbige Linienaufweisen. Die Linienspektren geben Hinweise auf die chemische Zusammensetzung der Lichtquelle.kontinuierliches SpektrumLinienspektrum (Emissionsspektrum)AbsorptionsspektrumDie Aussendung (Emission) und Aufnahme (Absorption) von Licht hat ihre Ursache in Vorgängender Atomhülle:• In den Atomhüllen kann die Energie der Elektronen nur bestimmte Werte annehmen. Man sprichtvon diskreten Energieniveaus (discretum, lat. getrennt).• Damit die Energie eines Elektrons der Atomhülle von einem Niveau auf ein anderes gelangt,muss es eine geeignete Energieportion (Photon) aufnehmen oder abgeben.• Die Energie der Photonen ist je nach Farbe des Lichts unterschiedlich groß:Sie ist am roten Rand des Spektrums am geringsten (1,5 eV), am violetten Rand am größten(3,3 eV).• Höhere Intensität des Lichts bedeutet nicht, dass die einzelnen Photonen energiereicher wären,sondern dass die Lichtquellen in jeder Sekunde mehr Photonen der gleichen Energie aussendet.Abgabe von Energie (Emission)Energie der ElektronenAufnahme von Energie (Absorption)Energie der ElektronenΔEEE 32E 1PhotonΔEEE 32E 1PhotonE 0E 0RöntgenstrahlungRöntgenstrahlung ist eine Strahlung wie Licht. Sie ist für uns allerdings unsichtbar. Röntgenstrahlungtritt auf, wenn Elektronen auf Materie geschossen und dort abgebremst werden. Dabei entstehen Photonen,die sehr viel energiereicher sind (1 keV bis über 100 keV) als die Photonen des sichtbarenLichts. Das Spektrum einer Röntgenröhre setzt sich zusammen aus dem kontinuierlichen Anteil derBremsstrahlung, die beim Abbremsen der zuvor beschleunigten Elektronen entsteht. Die maximalePhotonenenergie folgt aus der Beschleunigungsspannung (z.B. E max=100 keV bei U Beschl =100 kV ).Der zweite Anteil ist die sogenannte charakteristischen Strahlung: Beschleunigte Elektronen schlagenaus den Atomen des bremsenden Materials innere Elektronen in Kernnähe heraus. Sofort wechseln anderenElektronen des Atoms aus höheren auf das niedrigeres Energieniveau und geben dabei Photonenab, die für das Material charakteristische Energien haben.Eigenschaften von Röntgenstrahlung:• Röntgenstrahlung kann aufgrund ihrer EnergieZellen schädigen und Stoffe ionisieren.• Röntgenstrahlung durchdringt viele Stoffe undwird von verschiedenen Stoffen unterschiedlichabsorbiert.• Röntgenstrahlung schwärzt Filme.Photonenpro Sekunde(Intensität)Linie des charakteristischenSpektrumsBremsspektrumSpektrum einer RöntgenröhreE PhGrundwissen Physik, Klasse 9, Stand 26.5.2013 Seite 17

Radioaktive StrahlungKernzerfälle treten bei allen natürlichen und künstlichen Radionukliden spontan auf. Dabei entstehen α-Strahlung, β-Strahlung oder γ -Strahlung.α-Strahlung β-Strahlung γ -Strahlungα-Teilchen bestehen aus je 2Neutronen und 2 Protonen, alsoHeliumkernen (doppelt positivgeladen).besteht aus Elektronen ( β - -Strahlung) oder Positronen( β + -Strahlung).ist eine unsichtbare durchdringendeLichtart (hochenergetischePhotonen).bis 10% der Lichtgeschwindigkeit bis 99% der Lichtgeschwindigkeit LichtgeschwindigkeitReichweite in Luft bis 10 cm Reichweite in Luft wenige Meter hohe Reichweite in Luftα − TeilchenEigenschaften radioaktiver Strahlung• Schwärzung von Filmen• Ionisation von Gasmolekülen• Schädigung von Zellen• Ablenkung in elektrischen undmagnetischen Feldern(nur α- und β-Strahlung)Abschirmung radioaktiver StrahlungElektron/Positronγ - Strahlungα-Strahlungβ-Strahlungγ-Strahlungca. 50% der StrahlungZerfallsgesetzDie Anzahl N der zur Zeit t noch vorhandenen radioaktiven Kerne ist etwaN = N 0 ⋅ (12) tPapierAluminium (1 mm)t H(Dabei ist N 0 die Anzahl der anfangs (t=0) vorhandenen radioaktiven Kerne und t H diedie für das radioaktive Nuklid typische Halbwertszeit.)Die Halbwertszeit t H gibt an, nach welcher Zeit die Hälfte der anfangs vorhandenen Kerne zerfallen ist.Welche der Kerne zerfallen, kann dabei nicht vorhergesagt werden.Als Maß für die radioaktive Strahlungstätigkeit eines Stoffs dient die sogenannte Aktivität A. Sie gibt dieAnzahl der Zerfälle pro Zeit an. Einheit [ A] = 1 sEs gilt: A ~ N bzw. A = A 0 ⋅ (12 ) t t HBlei (13 mm)= 1 Bq (Becquerel)Grundwissen Physik, Klasse 9, Stand 26.5.2013 Seite 18

Massendefekt und BindungsenergieMit Hilfe von modernen Massenspektrographen lässt sich die Masse von Nukliden sehr genau bestimmen.Allgemein gilt:• Die Masse eines Nuklids m K ist stets kleiner als die Summe derEinzelmassen seiner Nukleonen (Protonen und Neutronen).Die Differenz bezeichnet man als Massendefekt:⏟Masse der EinzelbausteineΔ m = (Z⋅m p+ N⋅m n)−m⏟KNuklidmasse• Beim Zusammenbau des Kerns aus seinen Nukleonen wird dieEnergie (= Bindungsenergie E B) frei, die seinem Massendefektentspricht. Umgekehrt muss man die dem Massendefekt entsprechende Energie aufwenden, umden Kern in seine Nukleonen zu zerlegen. Diese erscheint dann als Massenzuwachs der Nukleonen.Die Umrechnung erfolgt nach Albert Einsteins berühmter Formel: E B= Δ m⋅ c 2(Lichtgeschwindigkeitc ≈ 3⋅10 8 m s )(Die Bindungsenergie der getrennten freien Nukleonen ist 0.)• Die mittlere Bindungsenergie pro Nukleon ist ein Maß für die Stabilität eines Kerns. MittelschwereKerne sind am stärksten gebunden, leichte und schwere Kerne weniger stark.Mittlere Bindungsenergie pro Nukleon: E BA = Δ m⋅c2A(A: Nukleonenzahl)Kernfusion und Kernspaltung32He32He42He11H11HKernfusion ist die Verschmelzung von leichten Atomkernen zu einemschwereren Kern, dessen Nukleonen stärker aneinander gebundensind. Das ist nur durch einen weiteren Massenverlust (alsoEnergieabgabe) zu erreichen. Nach diesem Prinzip funktionierendie Energiefreisetzung im Inneren der Sonne, bei der Wasserstoffbombeund im Fusionsreaktor.8936KrKernspaltung ist die Aufspaltung eines schwerenAtomkerns in zwei mittelschwere. Da die Bindungsenergieje Nukleon bei mittelschweren Kernen größerist als bei schweren Kernen, tritt auch dabei einMassenverlust (also Energieabgabe) auf. Auf diesemPrinzip beruht die Energiegewinnung in Kernkraftwerkenund Atombomben.10n+23592U23692U14456Ba130nGrundwissen Physik, Klasse 9, Stand 26.5.2013 Seite 19

Kinematik und Dynamik geradliniger BewegungenGeschwindigkeit und BeschleunigungDie Geschwindigkeit v gibt an, welchen Weg einKörper in einer Sekunde bzw. in einer Stunde zurücklegt.Die Beschleunigung a gibt an, wie sich die Geschwindigkeiteines Körpers (in m/s) in einer Sekundeändert.Einheit: [ v] = 1 m soder 1 km hEinheit: [a ] =1 m ss= 1 m s 2: 3,6Umrechnung: 1 km h= 1000m3600s = 1 m3,6 s⋅ 3,6Beispiel: v = 11 m s = 11⋅3,6 km h = 39,6 km h ,d.h. der Körper legt in einer Sekunde 11 m bzw. ineiner Stunde 39,6 km zurück.Beispiel: a = 3,5 m s = 3,5 m s,2 sd.h. die Geschwindigkeit des Körpers nimmt in einerSekunde um 3,5 m szu.v = Δ sΔ t = s 2 −s 1t 2−t 1Δ s: zurückgelegter Weg( Δ t: benötigte Zeit )a = Δ vΔ t = v 2 −v 1t 2−t 1Δ v: Geschwindigkeitsänderung( Δ t: benötigte Zeit )Bemerkungen:(1) Δ t = t 2−t 1; dabei ist t 1 der Zeitpunkt, zu dem sich der Körper am Ort s 1 befindet und t 2 derBeachte:Zeitpunkt, zu dem sich der Körper am Ort s 2 befindet.Es gilt stets t 2> t 1, aber nicht immer s 2> s 1(„Rückfahrt“).(2) Ist der Ort s 1= 0 und gilt auch t 1= 0 (d.h. die Messung startet bei 0 m zur Zeit 0 s), so setztman in der Regel s 2= s und t 2= tDamit erhält man v = Δ sΔ t = s−0t−0 = s .tBeachte: s kann also sowohl ein zurückgelegter Weg, als auch ein Ort sein.t kann für ein Zeitintervall oder für einen Zeitpunkt stehen.Die Bedeutung ergibt sich aus dem jeweiligen Zusammenhang.(3) Analoge Aussagen gelten auch für die Beschleunigung a.Ist die Geschwindigkeit eines Körpers konstant,so nennt man seine Bewegung gleichförmig.Bei beliebigen ungleichförmigen Bewegungen einesKörpers lässt sich nur die Durchschnittsgeschwindigkeit(mittlere Geschwindigkeit) v imZeitintervall Δ t berechnen: v = Δ sΔ tWird Δ t sehr klein gewählt, so erhält man diemomentane Geschwindigkeit bzw. die Momentangeschwindigkeitdes Körpers.Ist die Beschleunigung eines Körpers konstant,so nennt man seine Bewegung gleichmäßig beschleunigt.Bei beliebigen ungleichmäßig beschleunigten Bewegungeneines Körpers lässt sich nur die Durchschnittsbeschleunigung(mittl. Beschleunigung)a im Zeitintervall Δ t berechnen: a = Δ vΔ tWird Δ t sehr klein gewählt, so erhält man diemomentane Beschleunigung bzw. die Momentanbeschleunigungdes Körpers.Grundwissen Physik, Klasse 9, Stand 26.5.2013 Seite 20

Darstellung von Bewegungsabläufen in DiagrammenGleichförmige BewegungenBei einer gleichförmigen Bewegung (d.h. v =konstant) ist der Graph im Zeit-Ort-Diagrammeine Gerade. Ihre Steigung ist die Geschwindigkeit.Je steiler die Gerade, desto höher dieGeschwindigkeit.Gleichmäßig beschleunigte BewegungenBei einer gleichförmig beschleunigten Bewegung(d.h. a = konstant) ist der Graph im Zeit-Ort-DiagrammTeil einer Parabel. Die mittlere Geschwindigkeitv ist die Steigung einer Sekante durch denGraphen im Zeit-Ort-Diagramm. Für sehr kleine Δ terhält man die Steigung einer Tangente (= Momentangeschwindigkeit)an den Graphenst – s – Diagramm:∆t∆s21v0∆s= ∆ ttst – s – Diagramm:2 1∆t∆sΔsv =ΔttDer Graph im Zeit-Geschwindigkeit-Diagrammist eine Parallele zur t-Achse:vt – v – Diagramm:v = konstantv 2> v 1v 1tDer Graph im Zeit-Geschwindigkeit-Diagramm isteine Gerade. Ihre Steigung ist die Beschleunigung.Je steiler die Gerade, desto größer die Beschleunigung:t – v – Diagramm:v2∆va0=1 ∆ t∆v∆ttat – a – Diagramm:at – a – Diagramm:2a = 0ta = konstant1tBewegungsgleichungen:s(t) = v 0⋅t (+s 0)v(t) = v 0a (t) = 0Dabei sind v 0die konstante Geschwindigkeitund s 0ein eventueller Startpunkt ( ≠0 ).Bewegungsgleichungen:s(t) = 1 2 a 0 t 2 (+v 0 ⋅t+s 0 )v(t) = a 0⋅t (+v 0)a (t) = a 0Dabei sind a 0die konstante Beschleunigung, v 0dieStartgeschwindigkeit ( ≠0 ) und s 0ein eventuellerStartpunkt ( ≠0 ).Grundwissen Physik, Klasse 9, Stand 26.5.2013 Seite 21

KraftgesetzWirkt auf einen Körper der Masse m eine konstante Kraft F, so führt er eine gleichmäßig beschleunigteBewegung (d.h. a = konstant) in Richtung der Kraft aus.Dabei gilt das zweite Newtonsche Gesetz:Kraft ist gleich Masse mal Beschleunigung bzw. F = m ⋅aEinheit: [F] = 1 Newton = 1 N = 1 kg⋅ m s = 1 kg⋅m2 s 2Anwendung: Freier FallEin auf der Erde fallendes Objekt wird stets mit g = 9,81 m 2konstant beschleunigt. Aufseinen Körper der Masse m wirkt somit die Gewichtskraft F g= m⋅g .Auf der Erde wirdein frei fallenderKörper somit jedeSekunde um knapp10 m/s = 36 km/hschneller.Grundwissen Physik, Klasse 9, Stand 26.5.2013 Seite 22