der elektrischen influenz

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Fasz_Physik_3_4_Titelei
25.1.2006
5:42 Uhr
Seite 1
Bruno Putz
FaszinationPhysik 3+4
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Liebe Schülerin, lieber Schüler!
Auch der zweite Teil von „Faszination Physik“ besteht aus Buch und darauf abgestimmter
CD-ROM.
Das Buch
Im Buch sind die physikalischen Gesetze und Zusammenhänge dargelegt. Linke und rechte
Seite bilden jeweils eine Einheit. Die rechten Seiten enthalten den erklärenden Text, die
linken Seiten dazupassende, auf die zentralen Aussagen des Textes abgestimmte, Grafiken
und gelegentlich Tabellen und mathematische Ableitungen. Durch die kompakte
Darstellung wird eine bessere Übersichtlichkeit erreicht. Sie können immer wieder
nachschlagen und die gesuchten Inhalte rasch finden. Das kleine Buchformat ist v. a. beim
Arbeiten mit dem Computer oder beim Experimentieren von Vorteil.
Die CD-ROM
Der Aufbau der CD-ROM orientiert sich an den Buchkapiteln. Bilder, Grafiken,
Animationen und Videos machen den behandelten Lehrstoff anschaulicher und dadurch
leichter verständlich und sie bringen eine größere Nähe zum täglichen Leben und zur uns
umgebenden Technik.
Die Rechenbeispiele werden mit Bildern oder Grafiken veranschaulicht. Dadurch lassen
sich die Aufgabenstellungen leichter verstehen. Auf Knopfdruck sind die Ergebnisse
abrufbar.
Laborexperimente sind mit umfangreichen Anleitungen, Grafiken, Bildern und teilweise
Animationen und Videos aufbereitet. Damit können Sie sich selbst auf Experimente
vorbereiten oder sich deren Aufbau,Ablauf undAussagen in Erinnerung rufen.
In den Kapiteln Kernphysik, Relativitätstheorie und Astrophysik werden zusätzlich
interessante bzw. gesellschaftlich relevante Fragen behandelt, die den Umfang eines reinen
Schulbuches sprengen würden. Sie können als Ausgangsbasis für weitere, eigenständige
Recherchen dienen.
ErfolgreichesArbeiten mit Faszination Physik wünscht Ihnen
B. Putz
INHALTSVERZEICHNIS
T E I L A – E l e k t r i z i t ä t I I .............................................................................................. 7
1. Elektrostatik
1.1 Elektrische Ladung und elektrische Kraft....................................................................... 9
Elektrische Ladung, Reibungselektrizität – Die elektrische Influenz –
Das Coulomb´sche Gesetz
1.2 Das elektrische Feld ........................................................................................................ 13
Der Feldbegriff – Arbeit, Spannung und Energie im homogenen elektrischen
Feld – Arbeit, Spannung und Energie im inhomogenen elektrischen Feld
1.3 Anwendungsbeispiele zur Elektrostatik .......................................................................... 19
Bestimmung der Elementarladung durch Robert Millikan – Das Elektronvolt –
Der Faraday´sche Käfig – Die Spitzenwirkung – Das Elektronenstrahloszilloskop –
Der Bandgenerator – Der Nachweis radioaktiver Strahlung – Die Leuchtstofflampe
2
Allgemeines
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1.4 Der Kondensator.............................................................................................................. 27
Die Kapazität – Energie im Kondensator – Möglichkeiten zur Erhöhung der
Kapazität – Laden und Entladen von Kondensatoren – Schaltung mehrerer
Kondensatoren
2. Der Elektromagnetismus
2.1 Der Permanentmagnetismus ...........................................................................................
Die magnetische Kraft – Das Modell der Elementarmagnete – Das magnetische Feld
2.2 Der Elektromagnet; Die Theorie des Magnetismus ........................................................
Das Oersted-Experiment – Das Magnetfeld eines Leiters und einer Spule –
Der Elektromagnet – Die Theorie des Magnetismus
2.3 Die Lorentzkraft ..............................................................................................................
Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter – Kraft zwischen stromdurchflossenen Leitern – Kraft auf einzelne bewegte elektrische Ladungen
2.4 Beispiele zur Lorentzkraft ...............................................................................................
Zirkularbeschleuniger – Der Massenspektrograf – Die Hallsonde –
Die magnetische Flasche – Der elektrodynamische Lautsprecher – Der Elektromotor
2.5 Die elektromagnetische Induktion ..................................................................................
Die Induktion in einem bewegten Leiter – Die Lenz´sche Regel –
Induktion in einer rotierenden Leiterschleife
2.6 Beispiele zur Induktion ...................................................................................................
Der Generator – Das elektrodynamische Mikrofon – Die elektromagnetische
Datenspeicherung
2.7 Die Selbstinduktion ........................................................................................................
3. Das technische Stromnetz
3.1 Wechselstromeffekte .......................................................................................................
Effektiv- und Spitzenwerte – Spule im Wechselstromkreis – Kondensator
im Wechselstromkreis – Ohm´scher Widerstand, Spule und Kondensator im
Wechselstromkreis
3.2 Das Drehstromnetz .........................................................................................................
Vorteile des Drehstromes – Das Verbundnetz
3.3 Der Transformator ...........................................................................................................
Der unbelastete Transformator – Der belastete Transformator
3.4 Sicherheitseinrichtungen im Stromnetz ..........................................................................
Leitungssicherungen – Wirkungen des Stromes auf den Menschen –
Der Erdungsleiter – Der FI-Schalter
33
37
43
45
53
57
59
61
67
71
73
4. Halbleiter und Halbleiterbauteile
4.1 Der Halbleiter ................................................................................................................. 77
Der reine Halbleiter – Die Eigenleitung eines reinen Halbleiters – Der dotierte
Halbleiter
4.2 Die Halbleiterdiode ......................................................................................................... 81
Die Diode ohne äußere Spannung – Die Diode, in Sperrrichtung gepolt –
Die Diode, in Durchlassrichtung gepolt – Die Kennlinie einer Diode – Die EinwegGleichrichtung – Die Zweiweg-Gleichrichtung – Hinweise für den Einsatz von Dioden
Allgemeines
3
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Dienstag,24.Jänner200618:12:14
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4.3 Der Transistor................................................................................................................. 87
Der Flächentransistor – Der Feldeffekttransistor (FET) – Hinweise für den Einsatz
von Transistoren
4.4 Weitere Halbleiterbauteile.............................................................................................. 91
Der Heißleiter (NTC-Widerstand) – Der Fotowiderstand – Die Fotodiode – Die
Solarzelle – Die Leuchtdiode (LED)
4.5 Schaltungsbeispiele ........................................................................................................ 95
Messung der Beleuchtungsstärke – Temperaturmessung – Alarmanlage –
Automatische Beleuchtungsanlage – Elektrisches Thermometer mit hoher
Empfindlichkeit – Der Kondensator als Zeitglied – Spannungsstabilisierung –
Die bistabile Kippstufe – Die monostabile Kippstufe
5. Elektromagnetische Wellen
5.1 Der elektrische Schwingkreis ........................................................................................ 103
Freie elektrische Schwingungen – Ungedämpfte Schwingungen – Rückkopplungsschaltungen – Hochfrequenz-Schwingkreis – Offener Schwingkreis – Dipolantenne
5.2 Informationsübertragung mit elektromagnetischen Wellen .......................................... 109
Sende- und Empfangsantennen – Sender und Empfänger
5.3 Die Maxwell´sche Feldtheorie ....................................................................................... 113
5.4 Das elektromagnetische Spektrum................................................................................. 115
TEIL B – Mikrophysik ..................................................................................................... 119
6. Strahlungs- und Wellenoptik
6.1 Emission und Absorption von Licht .............................................................................. 121
Quantensprünge im Atom – Das Wasserstoffspektrum – Spektralanalyse
6.2 Wellenoptik ................................................................................................................... 127
Strahlen und Wellenmodell im Vergleich – Beugungs- und Interferenzerscheinungen – Polarisiertes Licht – Optische Aktivität
6.3 Der Laser ....................................................................................................................... 137
Spontane und induzierte Emission – Das Laserprinzip – Lasertypen
7. Atom- und Quantenphysik
7.1 Der Welle/Teilchen-Dualismus ..................................................................................... 143
Der Photoeffekt – Der Compton-Effekt – Der Doppelspaltversuch – Materiewellen – Der Doppelspaltversuch mit Teilchen – Das Elektronenmikroskop
7.2 Die Heisenberg´sche Unschärfe .................................................................................... 149
Nullpunktsenergie – Tunneleffekt
7.3 Die Schrödinger-Gleichung .......................................................................................... 153
8. Kernphysik
8.1 Die Erforschung atomarer und subatomarer Strukturen ............................................... 157
Streuexperimente – Teilchenbeschleuniger
8.2 Kernkraft und Kernenergie ........................................................................................... 161
Der Atomkern – Energiefreisetzung durch Kernfusion – Energiefreisetzung
durch Kernspaltung
8.3 Radioaktivität ................................................................................................................ 173
Das Radioaktive Zerfallsgesetz – Strahlenwirkung – Strahlenschutz
8.4 Kernwaffen .................................................................................................................... 179
8.5 Elementarteilchenphysik ............................................................................................... 181
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Allgemeines
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TEIL C – Relativität – Astrophysik – Chaos ............................................................... 187
9. Relativitätstheorie
9.1 Von der Newton´schen Mechanik zur Einstein´schen Relativitätstheorie ....................
Das Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik – Die Ätherhypothese –
Das Michelson-Morley-Experiment – Einsteins Postulate
9.2 Raum-Zeit-Effekte der Speziellen Relativitätstheorie ..................................................
Die Zeitdilatation – Die Lorentzkontraktion – Myonen in der kosmischen
Höhenstrahlung – Das Zwillingsparadoxon – Scheinbare Verzerrungen –
Scheinbare Überlichtgeschwindigkeit – Die Relativität der Gleichzeitigkeit
9.3 Masse und Energie .......................................................................................................
Die Dynamische Masse – Masse-Energie-Äquivalenz
9.4 Raum-Zeit-Transformationen und Raum-Zeit-Diagramme .........................................
Galilei-Transformation – Lorentz-Transformation – Raum-Zeit-Diagramme
9.5 Allgemeine Relativitätstheorie .....................................................................................
Das allgemeine Äquivalenzprinzip – Uhren und Maßstäbe im Gravitationsfeld –
Das Konzept der Raumkrümmung
189
197
207
211
217
10. Astrophysik
10.1 Geschichte der Astronomie und Astrophysik ............................................................. 223
Die Anfänge – Die scheinbare Bewegung der Himmelskörper – Das geozentrische
Weltbild – Die kopernikanische Wende – Das heliozentrische Weltbild
10.2 Himmelsmechanik ...................................................................................................... 231
Rotation der Erde um ihre Achse – Bewegung der Erde um die Sonne
10.3 Newton´sches Gravitationsgesetz ............................................................................... 235
10.4 Gravitationsfelder ........................................................................................................ 239
Beschreibung von Gravitationsfeldern – Arbeit im Gravitationsfeld –
Die zweite kosmische Geschwindigkeit
10.5 Aufbau und Funktionsweise der Sonne ....................................................................... 245
Der thermonukleare Kern – Die Strahlungszone – Die Konvektionszone –
Die Sonnenatmosphäre
10.6 Zustandsgrößen von Sternen – Datengewinnung ...................................................... 251
Astronomische Entfernungsbestimmung – Temperatur, Leuchststärke und
Größe – Chemische Zusammensetzung, Radialgeschwindigkeit
10.7 Geburt, Leben und Tod der Sterne............................................................................... 257
Die Entstehung der Sterne – Entwickelte Sterne – Altersphase und Endstadium – Endstadium massereicher Sterne – Das Hertzsprung-Russel-Diagramm
10.8 Die großen Strukturen im Universum ......................................................................... 265
Die Milchstraße – Außergalaktische Systeme – Kosmologie – Anfang
und Ende des Universums
11. Chaostheorie
11.1 Ordnung und Chaos ....................................................................................................
11.2 Der Weg ins Chaos .....................................................................................................
11.3 Chaos und fraktale Geometrie ....................................................................................
11.4 Deterministisches Chaos .............................................................................................
275
277
279
283
Anhang
Größen, Formeln, Einheiten ............................................................................................... 284
Stichwortverzeichnis .......................................................................................................... 290
Allgemeines
5
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Montag,20.Februar200614:10:23
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