Physik 8

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Grundwissen Physik
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Energieformen in der Mechanik
Höhenenergie:
Bewegungsenergie:
Spannenergie:
Eh maximal,
Ekin null
Eh maximal,
Ekin null
Δh
Ekin maximal, Eh null
FG = m · g
EH = m · g · Δh
N
bzw.
kg
m
Fallbeschleunigung: g = 9,81 2
s
Ortsfaktor: g = 9,81
Einheit der Energie:
Ekin = ½ m · v 2
m: Masse in kg
v: Geschwindigkeit in
m
s
[E] = 1 J (Joule) = 1 Nm (Newton Meter) = 1 kg
m
s2
2
Energieerhaltungssatz:
Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, sondern nur umgewandelt bzw. übertragen
werden. Die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems bleibt erhalten.
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Arbeit - Kraftwandler
Arbeit ist die einem System zugeführte oder
Anwendung: Ideale Kraftwandler (d.h. keine Reibung,
entzogene mechanische Energie.
etc.) ermöglichen es, die gleiche Arbeit zu verrichten,
allerdings mit weniger Kraftaufwand. In entsprechendem
Es gilt:
W=ΔE
Maße erhöht sich dafür jedoch die Wegstrecke, die
zurückgelegt werden muss.
Kraftwandler sind z.B.:
Einheit der Arbeit: [W] = 1 J = 1 Nm
- Flaschenzug
- Hebel
Wichtige Arten mechanischer Arbeit:
- schiefe Ebene.
F
- Hubarbeit (Änderung von EH )
- Spannarbeit (Änderung von ESpann )
h
- Beschleunigungsarbeit (Änderung von Ekin )
FG · h = F · s
- Reibungsarbeit
FG
Wirkt eine konstante Kraft F längs eines Weges s,
so gilt für die dabei verrichtete Arbeit W:
W=F·s
GOLDENE REGEL DER MECHANIK:
Ideale Kraftwandler ändern das Produkt aus Kraft
und Weg, also die zu verrichtende Arbeit, nicht.
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Leistung - Wirkungsgrad
Die Leistung ist der Quotient aus verrichteter Arbeit und der dafür
benötigten Zeit.
Anmerkung:
Leistung: P =
Es gilt:
W
t
J
Einheit der Leistung: [P] = 1 W (Watt) = 1
s
veraltete Einheit, jedoch umgangssprachlich noch sehr verbreitet:
=1
Nm
s
1 PS = 735,498 75 W
1 kW = 1,359 621 62 PS
Der Wirkungsgrad ɳ (Eta) eines Energiewandlers (z.B. Verbrennungsmotor, Kraftwerk, Glühbirne, …) gibt an,
welcher Anteil der zugeführten Energie EZu in nutzbringende Energie ENutz umgewandelt wird. Er kann auch
über die zugeführte Leistung PZu und die nutzbringende Leistung PNutz berechnet werden.
 =
Es gilt:
Beispiele: ɳ
Glühbirne
ENutz
P
= Nutz
EZu
P Zu
=5%
ɳ Elektromotor = 90 %
Beachte: Der Wirkungsgrad ist stets
kleiner als 1 bzw. kleiner als 100 %.
(5% der zugeführten Energie wird in Licht umgewandelt, der Rest in Wärme.)
(90% der zugeführten Energie wird in Bewegungsenergie umgewandelt.)
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Innere Energie - Temperatur
Teilchenmodell:
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Die innere Energie eines Körpers setzt sich u.a. aus der
kinetischen Energie seiner Teilchen zusammen. Sie ist ein
Maß für seine Temperatur und umgekehrt.
Ändert sich der Aggregatzustand eines Körpers nicht, kann die
Änderung der inneren Energie wie folgt berechnet werden:
fest
flüssig
ΔEinnere = c · m · 
gasförmig
Im Teilchenmodell bestehen Körper aus sehr kleinen
unteilbaren, unzerstörbaren und absolut gleichen
c
spezifische Wärmekapazität ( Wasser : cw = 4,2
m Masse in kg
 Temperaturunterschied in °C
kJ
)
kg⋅° C
Teilchen. In den Abbildungen sind die verschiedenen
Aggregatzustände dargestellt.
Messung der Temperatur:
Celsius-Skala: Temperatur von Eiswasser (0 °C) und
Körper dehnen sich normalerweise aus, wenn ihre
siedendem Wasser (100 °C) sind die Bezugspunkte.
Temperatur zunimmt. Bei Abnahme der inneren
Kelvin-Skala: Der absolute Nullpunkt (-273,15 °C) ist der
Energie ziehen sie sich wieder zusammen.
Bezugspunkt für 0 K. Ein Temperaturunterschied
von 1 K entspricht dem Unterschied von 1 °C.
Anomalie des Wassers: Wasser besitzt bei 4° C
Bei 0 K (absoluter Nullpunkt) besitzen die Teilchen
seine größte Dichte.
eines Körpers keine kinetische Energie.
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Elektrische Energie - Widerstände
Elektrische Ladung Q: [Q] = 1 C (1 Coulomb) = 1 As
Regeln von Kirchhoff
gibt an, wie groß der Elektronenüberschuss oder der Elektronenmangel
Maschenregel:Verfolgt man
eines Körpers ist.
einen Stromweg von dem einen
Elementarladung (Elektron, Proton): e = 1,6 · 10 -19C
Stromstärke I:
I=Qt
[I] = 1A (1 Ampere)
1 A=
Pol zum anderen Pol, so ist die
1C
1s
gibt an, wie viel elektrische Ladung je Zeiteinheit durch den Querschnittt
eines Leiters fließt.
Spannung U:
U1
R1
U2
R2
U
Summe der Teilspannungen
gleich der Spannung der Quelle.
U = U1 + U2 + ... + Un
[U] = 1 V (1 Volt)
gibt an, wie stark der Antrieb des elektrischen Stroms ist.
Widerstand R: R= U
I
[R] = 1 Ω (1 Ohm) 1 = 11 VA
gibt an, wie stark der Stromfluss durch ein Bauelement behindert wird.
Verzweigungspunkt ist die
gleich der Summe der
I = I1 + I2 + ... + In
Elektrische Energie: Eel = U · I · t ;
Elektrische Leistung: Pel = U · I;
[E] = 1 J (1 Joule) = 1 VAs
[P] = 1 W (1 Watt) = 1 VA
andere Einheit der elektrischen Energie: 1 kWh = 3,6·106 J
I2
I1
Summe der hinfließenden Ströme
abfließenden Ströme.
Ersatzwiderstände:
I
Knotenregel: In einem
U
R1
R2